DE2608432A1 - Leistungsdiode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsdiode mit einera Halbleiterkörper, v/elcher eine Innenzone mit einer gegebenen Dicke und einem, gegebenen spezifischen Y/iderstand und auf jeder Seite mindestens eine sich an diese Innenzone anschließende Außenzone aufweist, die im Vergleich zur Innenzone einen niedrigeren spezifischen Widerstand hat.

Leistungsdioden dieser Art sind allgemein bekannt und werden für die verschiedensten Anwendungszwecke eingesetzt. Zur Bedämpfung der beim Koramutierungsvorgang, das heißt bei Umkehr der Stromrichtung in der Diode, auftretenden Überspannungen werden Leistungsdioden mit Schutzbeschaltungen versehen, die meist aus einer RC-Kombination bestehen.

In solchen Schaltkreisen können beim Abkommutieren des Laststroms zerstörende Überspannungen auftreten, die auch durch die erwähnten Beschaltungen nicht zu verhindern sind. Dies hat seine Ursache darin, daß auch die Schutzbeschaltungen eine wenn auch geringe - Induktivität aufweisen, so daß an ihnen eine der Abnahme des Stroms in der Diode entsprechende Zusatzspannung auftritt.

Untersuchungen haben ergeben, daß beim Abkommutieren des Stroms in einer Leistungsdiode im wesentlichen zwei Fälle un~ terschieden werden müssen: Diese Fälle sind in Fig. 1 dargestellt. Der Stromverlauf kann in zwei Teilbereiche eingeteilt werden, von denen der erste bis zum Zeitpunkt tg geht. Bis

VPA 75 E 1202 Hab 12 Dx / 24.2.1976

709836/0159

zum Zeitpunkt t_Q fällt der Strom von einem stationären Wert zunächst monoton gegen Null. Dann fließt bis zum Zeitpunkt t_n ein Rückstrom, der im wesentlichen durch den Abbau von solchen Ladungsträgern in der Mittelzone der Diode bedingt wird, welehe in Durchlaßrichtung die Mittelzone überschwemmt haben. Zum Zeitpunkt t_Q hat die Anzahl der freien Ladungsträger an einer Grenze zu einer der höher dotierten Zonen die Dotierungskonzentration erreicht. Nach dem Zeitpunkt tß baut sich eine Spannung an der Leistungsdiode auf, wobei sich eine Raumladungszone ausbildet, die in nahezu allen Fällen vom pn-übergang ausgeht.

Die sich dann an der Diode aufbauende Spannung wirkt der EMK des Kreises entgegen"und führt zu einem Abfallen des durch das Ausschwemmen der Träger bedingten Rückstroms. Der Stromverlauf kann dabei, wie an Hand der Kurve i,, gezeigt ist, allmählich gegen Null abfallen oder er kann, wie an Hand der Kurve ip dargestellt ist, sehr steil gegen Null gehen, das heißt praktisch abreißen. Die dargestellten unterschiedlichen Stroraverlaufe erzeugen zusammen mit den Induktivitäten im Kreis qualitativ und quantitativ unterschiedliche Spannungsverläufe an der Diode. Während bei allmählichen Abklingen des Stroms i^ die Spannung u., nur relativ wenig überschwingt, um dann die EMK zu erreichen, verursacht der abrupt abfallende Strom i~ eine stark überschwingende Spannung u«· Dies kann zur Zerstörung der Diode führen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Leistungsdiode der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß der Rückstrom nicht abrupt, sondern allmählich gegen Null geht. Damit treten durch den Kommutierungsvorgang an der Leistungsdiode keine gefährlichen Überspannungen mehr auf.

VPA 75 E 1202

709836/0159

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand und die Dicke der Innenzone so aufeinander abgestimmt sind, daß Ug < U_pT ist, wobei Ug die Avalanche-Spannung und Up_T diejenige Spannung ist, bei der die Raumladungszone die gesamte schvrachdotierte Mittelzone erfaßt hat.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 2 bis 5 näher erläutert.

In Fig. 2 ist schematisch der Halbleiterkörper einer Leistungsdiode gezeigt. Der Halbleiterkörper hat eine Mittelzone 1, welche beispielsweise η-dotiert ist. Die Dicke der Basiszone ist mit W bezeichnet. An einer Seite der Innenzone 1 schließt sich eine erste Außenzone 2 an, die p-dotiert ist. An die Zone 2 kann sich noch eine stark p-dotierte Zone 3 anschließen. Zwischen der Innenzone 1 und der Außenzone 2 liegt ein pn-übergang 5. Auf der anderen Seite der Innenzone 1 liegt eine stark η-dotierte Zone 4. Zwischen der Innenzone 1 und der Außenzone 4 liegt eine Grenze 6, die besonders scharf, das heißt abrupt, ausgeprägt ist, wenn die Dotierung der Zone 4 durch Legieren hergestellt wurde. Für den Fall, daß die Zone 4 durch Diffusion hergestellt wurde, steigt der Dotierungsverlauf allmählich an. Der Unterschied zwischen abruptem und allmählichem Dotierungsanstieg hat jedoch in der Praxis kaum eine Bedeutung, da sich die Raumladungszone im wesentlichen nur in der Innenzone 1 ausbreiten kann, während die Zonen 2 und 4 wegen ihrer wesentlich höheren Dotierung kaum Spannung aufnehmen können.

Beim Anlegen einer Sperrspannung an den Halbleiterkörper bildet sich der in Fig. 3 gezeigte Verlauf der Feldstärke über die Eindringtiefe der Raumladungszone aus, welche in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet ist. Dabei ist der in die Zone 2 hineinreichende Teil der Raumladungszone der Deutlichkeit halber übertrieben dick gezeichnet. In der Darstellung nach Fig. 3 sind verschiedene Verläufe der Feldstärke eingezeichnet mit

VPA 75 E 1202

709836/0159

dem spezifischen Widerstand ^ der Mittelzone 1 als Parameter. Dabei ist £, >^₂ M-] · ^Die gezeigten verschiedenen Verläufe der Feldstärke haben unterschiedliche Auswirkungen:

ι Hat die Innenzone bei gegebener Breite ¥ einen spezifischen Widerstand ? ^, so wird die maximale Sperrspannung Ug-. durch die Fläche des Vielecks ^x-j^EK_rit^Ex3 bestimmt, das heißt, daß bei einem spezifischen Widerstand £ -, die Raumladungszone bis zur Grenze 6 beziehungsweise bei diffundierter Zone noch etwas in die Zone 4 hineinreicht. Für das Abkommutieren, das heißt einem dynamischen Vorgang, ist jedoch zu berücksichtigen, daß für diesen spezifischen Widerstand?-, die Raumladungszone das gesamte Mittelgebiet 1 bei einer kleineren Spannung Up™ erfaßt, welche durch das Dreieck E^x^Xc bestimmt ist. Beim Abkommutieren des Stroms fließen nun zunächst die in der Zone 1 befindlichen Ladungsträger, beginnend am pn-übergang 5» ab. Dabei baut sich eine Raumladungszone auf. Wird während des Abkommutierens die Punch-Through-Spannung U_pT erreicht, so müssen alle freien Ladungsträger aus der Mittelzone 1 abgesaugt sein, und der Rückstrom durch die Diode reißt ab. Dies führt zu den eingangs erwähnten, das Bauelement gefährdenden Überspannungen. Diese Überspannungen treten bereits bei Spannungen auf, die kleiner als Ug sind. Dieser Fall läßt sich also beschreiben durch Up_T < Ug.

Als nächster Fall soll derjenige betrachtet werden, bei dem der spezifische Widerstand bei gleicher Breite W der Zone 1 so verringert wird, daß die Raumladungszone beim Erreichen der Feldstärke Eg^ am pn-übergang 5 gerade an die Grenze 6 zwisehen den Zonen 1 und 4 anstößt. Die maximale Sperrspannung Ug ist jetzt durch die Punkte x.. 1% .+Xg bestimmt. Ein Abreißen des Stroms kann nun erst bei einer Spannung eintreten, die der maximalen Sperrspannung entspricht. In diesem Fall ist also u_B = u_M.

VPA 75 E 1202

709836/0159

Verkleinert man den spezifischen Widerstand ξ ₂ ^der inneren Zone 1 bei konstanter Breite W zu ξ., so wird die Sperrspannung Ug am Gleichrichter "bestimmt durch die Fläche x_Q beziehungsweise X-jEKri-fc³^' die kleiner ist als die fiktive Spannung Upm. Da die genannte Spannung U_ß^ nicht überschritten werden kann, stehen selbst bei Erreichen dieser Spannung in einem Bereich der Zone 1, der zwischen x< und x^ liegt, noch Ladungsträger zur Verfügung, die ausreichen, um den Rückstrom sanft abklingen zu lassen. Mit dieser Dimensionierung wird also ein Abreißen des Rückstroms und damit ein Entstehen von gefährdenden Überspannungen in induktiven Schaltkreisen vermieden.

Als Anhaltspunkt für "die Forderung U-g < Up_T ist in Fig. 4 die Abhängigkeit der maximalen Sperrspannung U_ß und der Punch-Through-Spannung vom Ohm'sehen Widerstand der Innenzone 1 mit . der Dicke W dieser Zone als Parameter aufgezeichnet. Dabei wird von. den bekannten Zusammenhängen für η-dotiertes Silicium und abrupte pn-Übergänge

U_B = 90 f ³'^k

^UPT -

oc 0 / J

'

Gebrauch gemacht. Allgemein läßt sich sagen, daß die Forderung Ug < Upm dann erfüllt ist, wenn bei gegebener Breite der Innenzone 1 der spezifische Widerstand der Innenzone 1 so gewählt wird, daß er links vom Schnittpunkt U_ß = U_pT liegt. Damit ist zwar ein geringfügiger Verlust an Sperrspannung verbunden, für manche Anwendungszwecke wiegt jedoch das Vermeiden des Abreißens des Stroms schwerer.

In Fig. 5 ist als Beispiel die Grenzkurve für U_ß = U_pT gezogen, welche nach den oben angegebenen Gleichungen aufgezeichnet wurde. Oberhalb dieser Grenzkurve tritt kein Abreißen des

VPA 75 E 1202

709836/0159

Rückstroms auf. Werden Basisbreite und Dotierung so gewählt, daß die entsprechenden Koordinaten unterhalb der Grenzkurve liegen, so ist ein Abreißen des* Rückstroms möglich.

Als Ausführungsbeispiele für Leistungsdioden mit abruptem pn-übergang und n-Silicium, bei denen der Rückstrom nicht abreißt, seien genannt:

1. ξ = -10 Ohm.cm, W =■ 45 /um,

2. f = 100 Ohm.cm, W = 330 /um,

3. ^ = 400 0hm.cm, W = 1050 /um.-

1 Patentanspruch
5 Figuren

VPA 75 E 1202

709836/0159

Claims (1)

1. Patentanspruch

   Leistungsdiode mit einem Halbleiterkörper, welcher eine Innenzone von einer gegebenen Dicke und einem gegebenen spezifischen Widerstand und auf jeder Seite mindestens eine sich an diese Innenzone anschließende Außenzone aufweist, die im Vergleich zur Innenzone einen niedrigeren spezifischen Widerstand hat, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand und die Dicke der Innenzone so aufeinander abgestimmt sind, daß U„ < Upm ist, wobei Ug die Avalanche-Spannung und Up_T diejenige Spannung ist, bei der die Raumladungszone die gesamte schwachdotierte Mittelzone erfaßt hat.

   VPA 75 E 1202

   7G9836/0153