DE2646822C3 - 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,
vvelche 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-A.ufbau, 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 t/forderlich 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 Hauptstroms und der Hauptspannung bei offener
Steuerelektrode. Zur Senkung des Temperaturbereiches für die Betätigung von wärmeempfindlichen
Thyristoren hat man bisher rein elektrische Maßnahmen e/griffen, 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 Schalttemperatur und die inhärente Schalttemperatur
gesenkt. Bei der Umschalttemperatur und der inhärenten Schalttemperatur ist die Summe der
Stromverstärkungsfaktoren «i und «2 der gemeinsamen
Basis des PNP-Transistorteils und des NPN-Transistorteils
des PNPN-Aufbaus eins. Zur Senkung der Schalttemperatur ist es erforderlich /X\ 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 Um-
schalttemperatur 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 zu beaufschlagen. Dabei besteht der Nachteil, daß die Schalttemperatur
sich hochempfindlich änden, wenn die angelegte Spannung variiert wird. Daher können solche Thyristoren
praktisch nicht als wärmeempfindliche 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 Kollekiorübergangs (des
zentralen Obergangs) des PNPN-Aufbaus r-ne große
Temperarirabhängigkeit zeigt; sowie eine Charakteristik
für eine rasche Einstellung der Summe Eins der Stromverstärkungsfaktoren ot\ und cx.z der gemeinsamen
Basis bei niedriger Temperatur im Falle einer Steigerung des Kollektorstroms (Anstieg der Temperatur).
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, 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 dei 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 Thyristore/1 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 den Unteran-Sprüchen gekennzeichnet.
Thyristoren, die die in den Ansprüchen 1 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 Ausfiihrungsbeispiel in Form eines Thyristors und
F i g. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung der Temperatur und der Vorwärtsumschaltspannungen des
wärmeempfindlichen Thyristors nach Fig. 1 und eines herkömmlichen Thyristors.
F i g. I zeigt einen Schnitt durch den wärmeempfindlichen Thyristor 20. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet
einen Siliciumhalbleiier/.örper mit einem PNPN-Übergang
und mit zwei Elektroden, hergestellt durch
Zertrennung einer Siliciumscheibe. Eine Vielzahl von Scheiben gleicher Struktur werden gleichzeitig hergestellt.
Du3 Bezugszeichen 1 bezeichnet eine schichtförmige
Basisregion vom N-Typ mit hohem spezifischen Widerstand. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine ring-
und schichtförmige 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 schichtförmige 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
konzentrischen 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 Lnidiffundierung von Phosphor in die Basisregion 4 vom P-Typ hergestellt
wird, und zwar in einer zur Emitterregion 2 vom P-Typ konzentrischen Kreisfläche. Das Bezugszeichen 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 Eindiffundieren
von Gold durch die Öffnung der N+-Basisregion Γ ausgebildet sind. Das Gold wird durch den Bodenbereich
des Kollektorübergangs 5, welcher der Hauptfläche 12 des Siliciumpellets 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
Öasisregion Γ vom N +-Typ mit geringem Widerstand
berühren. Die Bezugszeichen 13', 14'und 15'bezeichnen
die Außenanschlüsse für die Anode 13, die Kathode 14 und die Steuerelektrode 15. Man erkennt aus Fig. !,daß
in dem wärmeempfindlichen Thyristor 20 die PNPN-Übergänge in serieller Richtung im Siliciumhalbleiterkörper
10 nebeneinander angeordnet sind.
Wenn die Umgebungstemperatur ausreichend niedrig ist, und eine positive Spannung an .iie 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
ilie Umgebungstemperatur ansteigt und der Thyristor
sich im AUS-Zustand befindet, so nimmt der Sperrstrom
/um Kollektorübcrgang 5 wegen der thermisch erzeugten Ladungsträger in der Verarmungsschicht und
in der Niihc der Verarmungsschicht zu. Diese Zunahme hangt 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 1 vom N-Typ
injizierten Löcher und die Anzahl der von der Emitierregion β vnm N-Typ in die Basisregion 4 vom
P-Tvp 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
Kollektorübergang 5 zugeführt werden, ebenfalls erhöht werden. Dies bedeutet aber, daß die Stromverstarkungsiaktoren
ν und \> erhöht werden. Dies hat zur
Folge, daß die Vorwärtssperrspannung (Schaltspannung
V "hm) zwischen Anode 13 und Kathode 14 herabgesetzt
wird, und /war je nach dem Anstieg der Temperatur, so
daß eine Umschaltung vom AUS-Zustand in den I IN/.ustand bei einem bestimmten Temperaturwert
unter Anlegung einer konstanten Spannung eintritt.
Fi g. 2 zeigt eine graphische Darstellung der Bezie
hung zwischen der Temperatur und der Vorwärtsschaltspannung des Thyristors bei offener Steuerelektrode.
Die I Jmgebungstemperatur P ist auf der Aszisse
aufgetragen und das Verhältnis der .Schaltspannung I "hm bei der jeweiligen Temperatur zur Schaltspannung
\ κ, bei —20 C ist auf der Ordinate aufgetragen
(prozentualer Wert). Die Kurve ,7 zeigt die Kennlinie des w armeempfindlichen Thyristors 20. Die Kurve b
zeigt die Kennlinie eines Thyristors, bei dem die durch
Lindiffundierung \on Gold gebildete Region 8 von
Rekombinationszentren fehlt. Die Kurve <.· zeigt die
Kennlinie eines herkömmlichen Thvrivnrs. welcher
d'.iri_h den Steuerstrom gezündet wird. IXt letztere
Thyristor dient zum Vergleich. Die Umschalttemperatur
kann herabgesetzt werden, indem man den Iniektionswirk
jngvgrad der Lddungsträgennjektion erhöht. Letzteres
geschieht durch Erhöhung des Verhältnisses der Storstelldichte der Basis und des Emitters am
Emittenihergang und durch Herabsetzung des -Xbstandes
zwirnen jedem Paar aus Emitterübergang und
Koüektorubergang. Dieses Verfahren wird häufig
■ingewandt. Fs ist jedoch schwierig, damit einen
ThyriMnr mit hoher Vorwärtsspannung zu erzielen und
Thyristoren dieser Art sind auf Anwendungen mit
niedriger Spannur.e beschränkt.
Γ)·!—-h Hi;->
Golddiffusionsreeion in der Nähe des
Kolle.ktorübergangs wird die thermische Bildung der Ladungsträger erleichtert. Auf diese Weise können die
Werte ν und x? erhöht werden, ohne daß man von der
oben erwähnten Methode Gebrauch macht, so daß die L'mschalttemperaiur nach Wunsch gesenkt werden
kann. Darüber hinaus besteht der Vorteil, daß die L'mschaltspannung V'an 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 cindiffundiertem Gold wird die Goldkonzentration
durch die Temperatur und die Dauer des Golddiffusionsprozesses gesteuert
F7Ur den beschriebenen Thyristor ist es wesentlich,
eine hitzeempfindliche Kollektorrcgion auszubilden, und zwar durch Einführung von Rekombinationszentren,
z. H. von Goldatomen von der Hauptfläche Il mit den seitlich angeordneten PNPN-Übergangsregionen
und von der entgegengesetzten Hauptfläche 12 her. und zwar in demjenigen Bereich des Kollektorübergangs 5.
welcher nicht zwischen dem Anoden-F.mitter-Obergang
3 und dem Kathoden-Emitter-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-Übergangsregion ist nicht verkürzt, so daß der
Spannungsabfall (Spannung im EIN-Zustand) im Vor
wärtsieitunjisziisiatui vor ieiüianer weise klein scm kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung kann nicht der Thyristor mit dem Aufbau gemäß F i g. 1 sein, sondern
auch ein wlirmeempfindlieher Zwetwegethyristor, bei
dem die seitlichen PNPN-Ubergänge 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 de. Emitter 2, die Basis 1 und der Kollektor 4 vorliegen. Durch Kombination eines wärmeempfindlichen
Transstors vom PNP-Typ und eines weiteren wärmeempfindlichen Transistors fom NPN-Typ kann
man ein wärmeempfindliches Bauelement zur Umschaltung bei einer spezifischen Temperatur erhalten,
welches als wärmeempfindlicher Thyristor wirkt.
Beim obigen Ausführungsbeispiel wurden die Rekom
binationszentren in der Region 8 durch Eindiffundierung von Gold ausgebildet. Man kann jedoch auch in den
Halbleiterkörper. z.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.! 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-Obergangs, welche in der ersten Halbleiterschicht angeordnet ist und deren
Bodenfläche im wesentlichen parallel zu einer ersten ι. 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- ι ■
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 >n 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) i<> angeordnet I:t und deren Bodenfläche im wesentlichen
parallel zur ersten Handfläche (II) verläuft
und deren Endfläche mit einem Kontakt (14) versehen ist.
3. Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement rnach
Anspruch 1, 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 Störstellendichte der η 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. >o
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. Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement f>o
nach einem der Ansprüche I bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Halbleiterschicht (2)
die dritte (4) und gegebenenfalls die vierte Halbleiterschicht (6) ringförmig umgibt.
8. Wärmeempfindliches Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die entgegengesetzte Hauptfläche (12) des Halbleiterkörpers mit einer Steuerelektrode
(15) versehen ist, während die zweite Halbleiterschicht (2) eine Anodenelektrode (13) und
die vierte Halbleiterschicht (6) eine Kathodenelektrode (14) trägt.
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