DE2646822B2 - Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement zum thermisch gesteuerten Schalten - Google Patents
Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement zum thermisch gesteuerten SchaltenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein wärmeempfindliches Halbleiterbauelement zum thermisch gesteuerten
Schalten mit einem Halbleiterkörper mit einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps; einer
zweiten Halbleiterschicht eines zweiten Leitungstyps zur Ausbildung eines ersten Emitter-PN-Übergangs,
welche in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist und deren Bodenfläche im wesentlichen parallel zu einer
ersten Hauptfläche des Halbleiterkörpers liegt und deren in dieser Hauptfläche angeordnete Endfläche mit
einem Kontakt versehen ist, und mit einer dritten mit einem Kontakt versehenen Halbleiterschicht des
zweiten Leitungstyps zur Ausbildung des Kollektor-PN-Übergangs.
Wärmeempfindliche Halbleiterbauelemente dieser Art sind aus der GB-PS 12 54 500 bekannt. Bei dem aus
dieser Patentschrift bekannten Halbleiterbauelement handelt es sich um einen Thyristor mit PNPN-Aufbau,
der durch Beaufschlagung von außen her mit thermischer Energie vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand
umgeschaltet wird, im Unterschied zu üblichen Thyristoren mit PNPN-Aufbau, welche durch Beaufschlagung
mit einem Steuerstrom vom AUS-Zustand in den EIN-Zustand umgeschaltet werden können.
Ein solcher Thyristor mit PNPN-Aufbau kann als Kombination eines Transistors mit PNP-Übergang und
eines Transistors mit NPN-Übergang angesehen werden.
In vorliegender Beschreibung wird der Ausdruck »Schalttemperatur« zur Bezeichnung der minimalen
Temperatur verwendet, welche erforderlich ist, um einen wärmeempfindlichen Thyristor vom AUS-Zustand
in den EIN-Zustand umzuschalten, und zwar unter Beaufschlagung mit einer konstanten Spannung in
Durchlaßrichtung (AUS-Spannung) und bei offener Steuerelektrode, d. h. ohne Spannung an dieser. Der
Ausdruck »inhärente Schalttemperatur« bezeichnet die minimale Temperatur zur Löschung des Durchlaßsperrzustandes
(des AUS-Zustandes) in der Kennlinie des Haupistroms und der Hauptspannung bei offener
Steuerelektrode. Zur Senkung des Temperaturbereiches für die Betätigung von wärmeempfindlichen
Thyristoren hat man bisher rein elektrische Maßnahmen ergriffen, nämlich die Anwendung einer Steuerelektrode.
In vielen Fällen ist es jedoch erwünscht, die Wärmeempfindlichkeit des Thyristors ohne derartige
äußere Maßnahmen selbst zu verbessern. Hierdurch wird die Schaltteinperatur und die inhärente Schalttemperatur
gesenkt. Bei der Umschalttemperatur und der inhärenten Schalltemperatur ist die Summe der
Stromverstärkungsfaktoren λι und «2 der gemeinsamen
Basis des PNP-Transistorteils und des NPN-Transistorteils
des PNPN-Aufbaus eins. Zur Senkung der Schalttemperatur ist es erforderlich <xi und «2 bei
niedriger Temperatur zu erhöhen, so daß die Summe derselben eins wird.
Bei herkömmlichen Thyristoren, welche durch einen Steuerstrom oder durch Lumineszenz gezündet werden,
wird eine hohe Umschalttemperatur zur Verhinderung einer thermischen Umschaltung angestrebt. Die LIm-
sehaltieniperatur liegt bei Beaufschlagung mit der
Nennspannung des AUS-Zustandes gewöhnlich im Bereich von 100 bis 1500C. Die inhärente Schalttemperatur
liegt gewöhnlich um etwa 50°C über der Umschalttemperatur. Wenn ein Thyristor mit solchen
Temperaturcharakteristika bei einer niedrigen Temperatur eingesetzt wird, so ist es erforderlich, die
Steuerelektrode in Durchlaßrichtung .-u beaufschlagen.
Dabei besteht der Nachteil, daß die Schalttemperatur sich hochempfindlich ändert, wenn die angelegte
Spannung variiert wird. Daher können solche ThyrLioren
praktisi.li nicht als wärmeempfindiiche Schalter eingesetzt werden. Wenn man einen wärmeempfindlichen
Thyristor für die Umschaltung bei einer vorbestimmten Temperatur anstrebt, indem man die Schalttemperatur
ohne Beaufschlagung der Steuerelektrode in Durchlaßrichtung senkt, so ist es zur Vermeidung
eines nennenswerten Effektes, welcher durch die Änderung der angelegten Spannung hervorgerufen
wird, erforderlich, eine Charakteristik zu verwirklichen, bei der der Sperrstrom des Kollektorübergangs (des
zentralen Übergangs) des PNPN-Aufbaus eine große Temperaturabhängigkeit zeigt; sowie eine Charakteristik
für eine rasche Einstellung der Summe Eins der Strom Verstärkungsfaktoren «i und <x2 der gemeinsamen
Basis bei niedriger Temperatur im Falle einer Steigerung des Kollektorstroms (Anstieg der Temperatur).
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindi ng, ein
wärmeempfindliches Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art so auszubilden, daß dessen
Vorwärtsumschaltspannung in hohem Maße temperaturabhängig ist, ohne daß hierdurch die Vorwärtssperrspannung
gesenkt ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dritte Halbleiterschicht mit Abstand zur zweiten
Halbleiterschicht in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist, daß deren Bodenfläche im wesentlichen
parallel zur ersten Hauptfläche angeordnet ist, daß deren in der ersten Hauptfläche angeordnete Endfläche
mit einem Kontakt versehen ist und daß in der Verarmungsschichtregion der Bodenfläche der dritten
Halbleiterschicht Rekombinationszentren angeordnet sind.
Die Ausbildung von Rekombinationszentren in Thyristoren ist an sich bekannt (F. E. Gentry u. a.
»Semiconductor Controlled Rectifiers: Principles and Applications of p-n-p-n Devices«, Englewood Cliffs,
N. J. 1964,S. 17-19).
Weiterbildungen der Erfindung sind in der, Unteransprüchen gekennzeichnet.
Thyristoren, die die in den Ansprüchen I und 2 genannte Anordnung der vier Halbleiterschichten —
ohne Rekombinationszentren in der dritten Halbleiterschicht - aufweisen, sind aus der US-PS 34 27 512
bekannt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel in Form eines Thyristors und
F i g. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung der
Temperatur und der Vorwärtsumschaltspannungen des wärmeempfindlichen Thyristors nach Fig. I und eines
herkömmlichen Thyristors.
Fig. I zeigt einen Schnitt durch den wärmeempfindlichen
Thyristor 20. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet einen Siliciumhalbleilerkörpcr mit einem I-'NPN-Übergang
und mit zwei Elektroden, hergestellt durch
Zertrennung einer Silciumscheibe. Eine Vielzahl von Scheiben gleicher Struktur werden gleichzeitig hergestellt.
Das Bezugszeichen 1 bezeichnet eine schichtförmige Basisregion vom N-Typ mit hohem spezifischen
Widerstand. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine ring- und schiehtförmige Emitterregion vom P-Typ, hergestellt
durch Eindiffundierung von Bor von der ersten Hauptfläche 11 her in die Basisregion 1 vom N-Typ. Das
Bezugszeichen 3 bezeichnet einen Anoden-Emitter-Übergang als Grenzfläche zwischen der Basisregion 1
vom N-Typ und der Emitterregion 2 vom P-Typ. Das Bezugszeichen 4 bezeichnet eine schiehtförmige Basisregion
vom P-Typ, hergestellt durch Eindiffundieren von Bor von der ersten Hauptfläche 11 des Siliciumhalbleiterkörpers
her in die Basisregion 1 vom N-Typ, und zwar innerhalb einer zur Emitterregion 2 vom P-Typ
konr.entrischen Kreisfläche. Das Bezugszeichen 5 bezeichnet einen Kollektorübergang als Grenzfläche
zwischen der Basis 1 vom N-Typ und der Basis 4 vom P-Typ. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet eine Emitterregion
vom N-Typ, welche durch Eindiffundierung von Phosphor in die Basisregion 4 vom P-Typ hergestellt
wird, und zwar in einer zur Emitterregion 2 vom P-Typ konzentrischen Kreisfläche. Das Bezugszeicher 7
bezeichnet den Kathodenemitterübergang an der Grenzfläche zwischen der Basisregion 4 vom P-Typ und
der Emitterregion 6 vom N-Typ. Das Bezugszeichen Γ bezeichnet eine N+-Basisregion, hergestellt durch
Eindiffundieren von Phosphor von der zweiten Hauptfläche 12 her innerhalb einer ringförmigen Fläche
derart, daß eine kreisförmige Öffnung verbleibt, welche zur Basisregion 4 vom P-Typ konzentrisch ist. Das
Bezugszeichen 8 bezeichnet eine Verarmungsschichtregion, in der Rekombinationszentren durch Eir.diffundieren
von Gold durch die öffnung der N + -Basisregion 1' ausgebildet sind. Das Gold wird durch den Bodenbereich
des Kollektorübergangs 5, welcher der Hauptfläche 12 des Silieiumpellets 10 gegenüberliegt, eindiffundiert,
und zwar unter Ausnutzung des Maskierungseffekts, welchen eine durch Eindiffundierung von Phosphor
ausgebildete N +-Basisregion Γ gegenüber Gold
zeigt. Die Lebensdauer der Ladungsträger in dieser Region ist bemerkenswert kürzer als diejenige in
anderen Teilen der Basisregion 1, 4 und somit ist auch die Geschwindigkeit der Bildung von Loch-Elektron-Paaren
aufgrund des Anstiegs der Temperatur wesentlich ausgeprägter als in anderen Bereichen. Das
Bezugszeichen 9 bezeichnet eine Passivierungsschicht, z. B. einen Siliciumoxidfilm, welcher die erste Hauptfläche
11 bedeckt. Die Bezugszeichen 13, 14 und 15 bezeichnen eine Anode, eine Kathode und eine
Steuerelektrode, welche die Emitterregion 2 vom P-Typ bzw. die Emitterregion 6 vom N-Typ bzw. die
Basisregion Γ vom N+-Typ mit geringem Widerstand berühren. Die Bezugszeichen 13', 14' und 13' bezeichnen
die Außenanschlüsse für die Anode 13, die Kathode 14 und die Steuerelektrode 15. Man erkennt aus Fi g. l.daß
in dem wärmeempfindlichen Thyristor 20 die PNPN-Übergänge in seitlicher Richtung im Siliciurr.halbleiterkörper
10 nebeneinander angeordnet sind.
Wenn die Umgebungstemperatur ausreichend niedrig ist, und eine positive Spannung an die Anode 13
angelegt wird und eine negative Spannung an die Kathode 14 angelegt wird, und zwar bei geöffneter
Steuerelektrode, so zeigt sich die gleiche Stromspannungskennlinie wie bei einem herkömmlichen Thyristor,
wobei die Grenze zwischen AUS-Zustand und EIN-Zustand bei einer bestimmten Spannung liegt. Wenn nun
die Umgebungstemperatur ansteigt und der Thyristor
sich im AUS-Zustand befindet, so nimmt der Sperrstrom /um Kollektorübergang 5 wegen der thermisch
erzeugten Ladungsträger in der Verarmungsschicht und in der Nähe der Verarmungsschicht zu. Diese Zunahme
liiingt ab von dem Anstieg der Anzahl der Loch-Elektron-Paare.
Der Sperrstrom fließt auch durch den Anoden-Emitter-Übergang 3 und den Kathoden-Emitter-Übergang
7, so daß Anzahl der von der Emitterregion vom P-Typ in die Basisregion I vom N-Typ
injizierten Löcher und die Anzahl der von der Emitterregion 6 vom N-Typ in die Basisregion 4 vom
P-Typ injizierten Elektronen jeweils erhöht wird.
Die Lebensdauer der injizierten Ladungsträger wird verlängert je nach dem Anstieg der Temperatur, so daß
die Anzahl der injizierten Ladungsträger, welche dem Kolleklorübergang 5 zugeführt werden, ebenfalls
erhöht werden. Dies bedeutet aber, daß die Stromverstärkungsfaktoren Λ] und «2 erhöht werden. Dies hat zur
Folge, daß die Vorwärtssperrspannung (Schaltspannung V'ho) zwischen Anode 13 und Kathode 14 herabgesetzt
wird, und zwar je nach dem Anstieg der Temperatur, so daß eine Umschaltung vom AUS-Zustand in den
EIN-Zustand bei einem bestimmten Temperaturwert unter Anlegung einer konstanten Spannung eintritt.
F i g. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Beziehung
zwischen der Temperatur und der Vorwärtsschaltspannung des Thyristors bei offener Steuerelektrode.
Die Umgebungstemperatur P ist auf der Aszisse aufgetragen und das Verhältnis der Schaltspannung
V'no bei der jeweiligen Temperatur zur Schaltspannung
V110 bei —200C ist auf der Ordinate aufgetragen
(prozentualer Wert). Die Kurve a zeigt die Kennlinie des wärmeempfindlichen Thyristors 20. Die Kurve b
zeigt die Kennlinie eines Thyristors, bei dem die durch Eindiffundierung von Gold gebildete Region 8 von
Rekombinationszentren fehlt. Die Kurve c zeigt die Kennlinie eines herkömmlichen Thyristors, welcher
durch den Steuerstrom gezündet wird. Der letztere Thyristor dient zum Vergleich. Die Umschalttemperatur
kann herabgesetzt werden, indem man den Injektionswirkungsgrad der Ladungsträgerinjektion erhöht. Letzteres
geschieht durch Erhöhung des Verhältnisses der Störstelldichte der Basis und des Emitters am
Emitterübergang und durch Herabsetzung des Abstandes zwischen jedem Paar aus Emitterübergang und
Kollektorübergang. Dieses Verfahren wird häufig angewandt. Es ist jedoch schwierig, damit einen
Thyristor mit hoher Vorwärtsspannung zu erzielen und Thyristoren dieser Art sind auf Anwendungen mit
niedriger Spannung beschränkt.
Durch die Golddiffusionsregion in der Nähe des Kollektorübergangs wird die thermische Bildung der
Ladungsträger erleichtert- Auf diese Weise können die Werte oci und <x2 erhöht werden, ohne daß man von der
oben erwähnten Methode Gebrauch macht, so daß die Umschalttemperatur nach Wunsch gesenkt werden
kann. Darüber hinaus besteht der Vorteil, daß die Umschaltspannung V'bo je nach Erhöhung der Temperatur
rasch gesenkt werden kann. Die Temperatur, bei der die Schaltspannung rasch abzufallen beginnt, kann
dadurch eingestellt werden, daß man die Dichte der Rekombinationszentren, z. B. der Goldatome in der
Region 8 steuert Bei einem Ausführungsbeispiel mit eindiffundiertem Gold wird die Goldkonzentration
durch die Temperatur und die Dauer des Golddiffusionsprozesses gesteuert.
Für den beschriebenen Thyristor ist es wesentlich, eine hit/.ccmpfindlichc Kollcklorregion auszubilden,
und /war durch Einführung von Rekombinalions/entren.
z. IJ. von Goldatomen von der Hauptflächc 11 mit den seitlich ungeordneten PNPN-Übergangsregionen
und von der entgegengesetzten Hauptfläche 12 her, und /war in demjenigen Bereich des Kollektorübergangs 5,
welcher nicht zwischen dem Anoden-Emitter-Übergang 3 und dem Kathoden-Emilter-Übergang 7 liegt. Somit
kann man auf einfachem Wege einen Thyristor erhalten, dessen Kennlinie einen raschen Abfall der Schaltspannung
bei relativ niedriger Temperatur zeigt. Die Lebensdauer der Ladungsträger in der seitlichen
PNPN-Obergangsregion ist nicht verkürzt, so daß der
Spannungsabfall (Spannung im EIN-Zustand) im Vorwärtsleitungszustand
vorteilhafterweise klein sein kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nicht der Thyristor mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 sein, sondern
auch ein wärmeempfindlicher Zweiwegethyristor, bei dem die seitlichen PNPN-Übergänge umgekehrt parallel
in einem einzigen Halbleiterkörper angeordnet sind, sowie bei einem wärmeempfindlichen seitlichen PNP-Transistor,
bei dem anstelle der Emitterregion 6 vom N-Typ eine Region vom P + -Typ ausgebildet ist und bei
dem der Emitter 2, die Basis 1 und der Kollektor 4 vorliegen. Durch Kombination eines wärmeempfindlichen
Transistors vom PNP-Typ und eines weiteren wärmeempfindlichen Transistors vom NPN-Typ kann
man ein wärmeempfindliches Bauelement zur Umschaltung bei einer spezifischen Temperatur erhalten,
welches als wärmeempfindlicher Thyristor wirkt.
Beim obigen Ausführungsbeispiel wurden die Rekombinationszentren in der Region 8 durch Eindiffundierung
von Gold ausgebildet. Man kann jedoch auch in den Halbleiterkörper, ζ. B. aus Silicium oder Germanium,
andere Störstoffe eindiffundieren, welche zu einem niedrigen Energieniveau führen. Als Fremdatome
kommen Kupfer. Eisen, Nickel oder dgl. in Frage. Es ist ferner möglich, eine Vielzahl von Rekombinationszentren
dadurch zu schaffen, daß man eine Bestrahlung mit Elektronenstrahlen oder Gammastrahlen unter Bildung
von Gitterdefekten durchführt. In allen Fällen reichen die Fremdatome oder die Gitterdefekte von der
Hauptfläche 12 bis zu der Nähe des Bodens des Kollektorübergangs 5. Daher können die Eigenschaften
des Kollektorübergangs 5, d.h. die Temperaturcharakteristik der Vorwärtsschaltspannung leicht gesteuert
werden kann, ohne daß die Lebensdauer im Thyristorbereich mit den seitlichen PNPN-Übergängen herabgesetzt
wird.
In Fig. 1 ist eine Steuerelektrode 15 an der Basisregion vom N-Typ angeordnet. Es ist jedoch auch
möglich, eine Steuerelektrode an der Basisregion vom P-Typ anzuordnen. Die Steuerelektrode kann zur
Einstellung der Schalttemperatur auf einen höheren Wert verwendet werden, und zwar etwa durch
Anordnung eines Widerstandes zwischen den benachbarten Emitterelektroden oder zur Abschaltung oder
Löschung durch Anlegung einer Sperrvorspannung an die Steuerelektrode.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement zum thermisch gesteuerten Schalten mit einem
Halbleiterkörper mit einer ersten Halbleiterschicht eines ersten Leitungstyps; einer zweiten Halbleiterschicht
eines zweiten Leitungstyps zur Ausbildung eines ersten Emitter-PN-Übergangs, welche in der
ersten Halbleiterschicht angeordnet ist und deren Bodenfläche im wesentlichen parallel zu einer ersten
Hauptfläche des Halbleiterkörpers liegt und deren in dieser Hauptfläche angeordneten Endfläche mit
einem Kontakt versehen ist, und mit einer dritten mit einem Kontakt versehenen Halbleiterschicht des
zweiten Leitungstyps zur Ausbildung des Kollektor-PN-Übergangs, dadurch gekennzeichnet,
daß die dritte Halbleiterschicht (4) mit Abstand zur zweiten Halbleiterschicht (2) in der ersten Halbleiterschicht
(1) angeordnet ist, daß deren Bodenfläche im wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche
angeordnet ist, daß deren in der ersten Hauptfläche angeordnete Endfläche mit einem Kontakt versehen
ist und daß in der Verarmungsschichtregion der Bodenfläche der dritten Halbleiterschicht (4) Rekombinationszentren
angeordnet sind.
2. Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vierte
Halbleiterschicht (6) des ersten Leitungstyps zur Ausbildung eines zweiten Emitter-PN-Übergangs
(7), welche in der dritten Halbleiterschicht (4) angeordnet ist und deren Bodenfläche im wesentlichen
parallel zur ersten Hauptfläche (11) verläuft und deren Endfläche mit einem Kontakt (14)
verschen ist.
3. Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch I, gekennzeichnet durch eine vierte
Halbleiterschicht, welche in der dritten Halbleiterschicht ausgebildet ist und gleichen Leitungstyp
erzeugende Störstellen einer Dichte aufweist, welche größer ist als die Siörstellendichte der
dritten Halbleiterschicht und deren Bodenfläche im wesentlichen parallel zur ersten Hauptfläche verläuft
und deren Endfläche mit einem Kontakt versehen ist.
4. Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentren durch Eindiffundierung von zu einem niedrigen
Energieniveau führenden Fremdstoffen ausgebildet worden sind.
5. Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fremdstoffe aus Gold, Kupfer, Eisen oder Nickel bestehen.
6. Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentren durch Bestrahlung mit Elektronenstrahlen oder
Gammastrahlen ausgebildet worden sind.
7. Wärmeempfindli^hes Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (2) die dritte (4) und gegebenenfalls die vierte
Halbleiterschicht (6) ringförmig umgibt.
8. Wärmeempfindlichcs Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die entgegengesetzte Hauptfläche (12) des Halbleiterkörpers mit einer Steucrelek-
trode (15) versehen ist, während die zweite Halbleiterschiehl (2) eine Anodenelektrode (13) und
die vierte Halbleiterschicht (6) eine Kathodenelektrode (14) trägt.
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