DE2719219A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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Description

Henkel, Kern, Feuer fr Hansel Patentanwälte
Möhlstraße D-8000 München
Tokyo Shibaura Electric Co.. Ltd. Tel,089/982085-87
Kawasaki-shi, Japan Telex:0529802hnkld
Telegramme: ellipsoid
2 9. April 1977
Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung, die bei Eingang eines Torsteuersignals In den Sperrzustand versetzt wird.
Eine Halbleitervorrichtung, die bei Zufuhr eines Torsteuersignals «1t der entgegengesetzten Polarität gegenüber dem Torsteuersignal, das bein Durchschalten der Vorrichtung an deren Gate-Elektrode angelegt wird, 1n den Sperrzustand gebracht wird, z.B. ein Gate-Abschaltthyristor, wird verbreitet angewandt, well kein äußerer Schaltkreis vorgesehen zu sein braucht, um den Thyristor sperren zu lassen, und well die für das Schalten des Thyristors benötigte Zeltspanne beträchtlich verkürzt werden kann. Ein solcher Thyristor 1st jedoch Mit dem Nachteil behaftet, daß er eine außerordentlich geringe Anodenstromkapazität besitzt. Dieser Umstand rührt von der Wärmeentwicklung durch den Anodenstrom her, der bei 1n Sperrzustand befindlichem Thyristor lokal konzentriert 1st. Wenn nämlich der Thyristor In den Sperrzustand geschaltet wird, fließt ein konzentrierter Anodenstrom durch einen lokalen Bereich des Thyristors,
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was zu einer deutlichen Zunahme der Stromdichte In diesem Bereich führt. Durch die Wärmeentwicklung ergibt sich zeitweilig eine Beschädigung bzw. ein Aus fell des Thyristors Aus diesem Grund 1st der zulässige, durch den Thyristor leitbare Anodenstrom einer gewissen Beschränkung unterworfen, z.B. auf höchstens 200 A. Dieser Wert Hegt bei weniger als einem Zehntel der Stromstärke, die Im allgemeinen Betrieb des Thyristors möglich 1st.
Zur Ausschaltung dieses genannten Mangels ist bereits eine andere Art einer Halbleitervorrichtung vorgeschlagen worden, deren Stromkapazität durch weltgehende Verringerung der lokalen Konzentration des Anodenstroms erhöht ist. Bei dieser Halbleitervorrichtung handelt es sich um eine sog. Mehrkathoden-Halbleitervorrichtung, bei welcher ein Kathodenbereich in mehrere Abschnitte unterteilt ist. Diese vorgeschlagene Halbleitervorrichtung besitzt tatsächlich den Vorteil, daß der Anodenstrom, weil diese Vorrichtung als durch eine Anzahl parallelgeschalteter Vorrichtungseinheiten gebildet angesehen werden kann, über die verschiedenen Einheiten in aufgeteilter Form fließt, wodurch die lokale Konzentration des Anodenstroms zu einem gewissen Grad verringert und folglich die Stromkapazität der Halbleitervorrichtung erhöht wird. Die erwähnte Mehrkathoden-Halbleitervorrichtung bietet jedoch keine grundsätzliche Lösung bezüglich der Erhöhung der Anodenstromkapazität, well der Anodenstrom In den einzelnen Einheiten der Vorrichtung immer noch jeweils lokal bzw. örtltti konzentriert ist.
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Einer der Gründe, weshalb der Anodenstrom zu einer lokalen Konzentration in einer Halbleitervorrichtung neigt, liegt darin, daß mit den derzeitigen Fertigungstechniken zur Herstellung einer Halbleitervorrichtung keine gleichmäßige Diffusion von Fremdatomen durch das gesamte Halbleiterplättchen hindurch erreicht und den (Ladungs-)Trägern keine gleichmäßige Lebensdauer erteilt werden kann. Die Unmöglichkeit der Unterdrückung von lokalen Konzentrationen des Anodenstroms kann auch dem Umstand zugeschrieben werden, daß trotz einer bezüglich der Dickenrichtung einer Halbleitervorrichtung entwickelten Theorie noch keine Untersuchungen bezüglich der Breitenrichtung einer solchenVorrichtung angestellt wurden.
Aufgabe der ERfindung ist damit die Schaffung einer verbesserten Halbleitervorrichtung, die bei Eingang eines Torsteuersignals sperrt und eine große Anodenstromkapazität bietet.
Diese Aufgabe wird bei einer Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit einer Anzahl aneinander angrenzender Schichten des jeweils entgegengesetzten Leittyps in Form einer pnpn-Anordnung, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine erste Schicht einen ersten Le1t(fähigke1ts)typ besitzt, daß eine zweite, an die erste Schicht anschließende Schicht den zweiten Leittyp besitzt, daß an die zweite Schicht eine dritte Schicht mit dem ersten Leittyp anschließt, daS an die dritte Schicht eine vierte Schicht des zweiten Leittyps anschließt, daß auf der ersten Schicht eine Anode
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ausgebildet ist, daß auf der dritten Schicht eine Gate-Elektrode angeordnet ist, daß auf der vierten Schicht eine Kathode vorgesehen ist und daß die Anordnung folgender Gleichung genügt:
ρ' ypsb^ 10·5 (V%cm)
worin bedeuten:
ρ . den Schichtwiderstand der dritten Schicht
bei Normaltemperatur,
V. die Sperr- bzw. Gegenaushaltespannung an einem
pn-Obergang zwischen dritter und vierter
Schicht und
ρ den spezifischen Widerstand der zweiten Schicht.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine Halbleitervorrichtung mit Merkmalen nach der Erfindung,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Konzentration der in die vier Halbleiterschichten ein·
diffundierten Fremdatome,
Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht des rechten, von der Linie X-X ausgehenden Abschnitts der Vorrichtung gemäß Fig. 1,
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Flg. 4 ein Koordinatensystem zur Darstellung der Beziehung zwischen einem Gesarat-Anodenstrom I., und dem Faktor Vj
Flg. 5 ein Koordinatensystem zur Darstellung der Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand ρ und dem Faktor K.m*G0**/h»
Flg. 6A bis 6F aufeinanderfolgende Fertigungsschritte bei der Herstellung der Halbleitervorrichtung gemäß Flg. 1,
Flg. 7 einen Schnitt durch eine Halbleitervorrichtung gemäß einer abgewandelten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 ein Äquivalentschaltbild der Halbleitervorrichtung gemäß Flg. 7,
Fig. 9 einen Schnitt durch eine Halbleitervorrichtung gemäß einer welter abgewandelten Ausführungsform der ERfindung,
Flg. 10 ein Äquivalentschaltbild der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 9,
Flg. 11 eine Schnittansicht einer noch weiter abgewandel ten Halbleitervorrichtung gemäß der ERfindung,
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Fig. 12 ein Aquivalentschaltbild der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 11 und
Fig. 13 eine graphische Darstellung der Fremdatomkonzentrationen in den verschiedenen Halbleiterschichten der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 11.
Die in Fig. 1 dargestellte Halbleitervorrichtung gemäß der ERfindung umfaßt einen Halbleiterkörper aus vier pnpn-Schichten 2, 4, 6 und 8, auf der p-Schicht 2» der p-Schicht 6 und der n-Schicht 8 angeordnete Elektroden 10, 12 bzw. 14 und zwei die gesamte Anordnung einschließende Auftragelektroden (package electrodes) 16 und 18.
Bei der beschriebenen Halbleitervorrichtung dienen die p-Schicht 2, die n-Schicht 4, die p-Schicht 6 und die n-Schicht 8 als Anodenschicht, als erste Basisschicht bzw. als Kathodenschicht. Die Elektroden 10, 12, 14 wirken dabei als Anode, als Gate-Elektrode bzw. als Kathode. Die Kathodenschicht 8 ist in verschiedene Abschnitte 8a, 8b, 8c usw. unterteilt» Die Kathode 14 1st ebenfalls in verschiedene Abschnitte 14a, 14b, 14c usw. entsprechend den unterteilten Kathodenschichtabschnitten 8a, 8b, 8c usw. unterteilt.
In die vier pnpn-SchiAten 2, 4, 6 und 8 sind Fremdatome mit der Konzentrationsverteilung gemäß Fig. 2 eindiffundiert.
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Theoretisch wird der Sperrzustand der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 1 erreicht, wenn Oberschuß(ladungs)träger aus der p-Basisschicht 6 ausgetrieben werden, indem die Gate-Elektrode 12 mit einem Torsteuersignal beschickt wird, welches die entgegengesetzte Polaritälywie ein Torsteuersignal besitzt, das bei durchschaltender Halbleitervorrichtung anliegt. Wenn nämlich ein negatives Spannungssignal an dieGate-Elektrode 12 angelegt wird, werden die Oberschußträger darstellende Elektronenmangelstellen bzw. Löcher in der p-Basisschicht 6 Über die Gate-Elektrode 12 aus der Halbleitervorrichtung nach außen ausgetrieben bzw. entladen. Zu diesem Zeitpunkt werden auch Elektronen von der Kathode 14 über den pn-Obergang Jj zwischen Kathodenschicht 8 und p-Basisschicht 6 ausgestoßen bzw. ausgetrieben. Infolgedessen fließt ein negativer Strom über die Gate-Elektrode 12, so daß praktisch derselbe Zustand entsteht wie dann, wenn eine Spannung V . über Kathode 14 und Gate-Elektrode 12 aufgeprägt wird. Diese Spannung V . wird so aufgeprägt, daß eine Gegenvorspannung des pn-Obergangs zwischen der Kathodenschicht und der p-Basisschicht 6 erreicht wird. Im Verlauf des Sperrvorgangs wird daher ein in Gegen- oder Sperrichtung des pn-Obergangs J. auftretender Potentialunterschied immer stärker. Aus diesem Grund werden Elektronen von der Kathodenschicht 8 zur p-Bas1ssch1cht 6 in kleineren Mengen übertragen. Weiterhin nehmen die Oberschußträger In der p-Basisschicht 6 ab, well sie über die Gate-Elektrode 12 ausgetrieben und außerdem mit Elektronen wiedervereinigt werden. Ein 1n Sperrichtung des pn-Obergangs J. zwischen der p-Basisschicht 6 und der Kathodenschicht 8 auftretender Potentialunterschied (Potential-
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/\Λ
gefalle) bleibt erhalten, bis die Überschußträger oder -elektronen in der n-Basisschicht 4 durch Rekombination mit Elektronenmangelstellen verschwinden, so daß die Halbleitervorrichtung in den Sperrzustand versetzt wird.
Der Pegel der Sperr- bzw. Gegenvorspannung des pn-Obergangs J. bestimmt sich durch dieSperr-Aushaltespannung Vj. dieses pn-übergangs J1. Zur Aufrechterhaltung eines hohen Potentialunterschieds in Sperrichtung des pn-Obergangs J. wird vorzugsweise die Sperr-Aushaltespannung des pn-Obergangs J. erhöht. Der Grund dafür liegt darin, daß schließlich ein Gate-Strom I aus einem Driftstrom allein in der letzten Stufe des Sperrvorgangs gebildet wird. Oberschußträger in der p-Basisschicht 6 werden über die Gate-Elektrode 12 längs einer in Fig. 3 bei A angedeuteten Route ausgetrieben. Fig. 3 ist eine perspektivische Teilansicht des von der Linie X-X in Fig. 1 ausgehenden rechten Teils der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 1. Die Linie X-X ist dabei auf der Längsmittellinie des Kathodenschichtabschnitts 8b gezogen. Je niedriger der Querwiderstand R. der p-Basisschicht 6 1st, um so wirksamer ist die Entladung von Oberschußträgern aus der p-Basisschicht Infolgedessen sperrt die Halbleitervorrichtung um so leichter, je niedriger das Verhältnis V^l\ 1st. Dieses Verhältnis, welches einen Gate-Strom I während des Sperrvorgangs angibt, läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:
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Der Querwiderstand kann wie folgt ausgedrückt werden:
Rb ■
worin
den Schichtwiderstand (sheet resistance) der p-Basisschicht 6,
eine Hälfte der Querrichtungslänge des pn-Obergahgs J1 zwischen der Kathodenschicht 8 und der p-Basisschicht 6 und
die Länge, in Längsrichtung gemessen, des pn-Obergangs J, (obgleich die Kalbleitervorrichtung gemäß der beschriebenen Ausführungsform rechteckig 1st, 1st die Erfindung nicht darauf beschränkt)
bedeuten.
Der Schichtwiderstand p%b der p-Bas1ssch1cht S läßt sich durch folgende Gleichung ausdrucken:
Psb * l/* )j /u Nb dx
worin bedeuten:
Position eines pn-Obergangs zwischen n-Basisschicht 4 und p-Bas1sschicht 6,
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Nb * Konzentration eines in die p-Basisschicht 6 eindiffundierten Fremdatoms,
,u « Mobilität von Elektronen oder Mangelstellen (Löchern) in der p-Basisschicht 6 und
q " elektrische Ladung der Elektronen oder Mangelstellen.
Anhand der obigen Ausführungen erhält man folgende Gleichung:
lg ' K-vJl^sb'h <3>
worin bedeutet:
K » die richtige oder entsprechende Konstante der jeweiligen Einheiten der Halbleitervorrichtung bei lokal konzentriertem Anodenstrom. Diese Konstante besitzt eine Längendimension.
Der durch die einzelnen Einheiten der Halbleitervorrichtung fließende Anodenstrom I. läßt sich unter Heranziehung der Verstärkung G *- beim Sperren oder Abschalten und eines Gate-Stroms I durch folgende Gleichung ausdrucken:
6off
Ein durch die gesamte» aus den verschiedenen Einheiten gebildete Halbleitervorrichtung fließender Gesamt-Anodenstrom I.j kann durch folgende Gleichung ausgedrückt werden:
1AT " Kin-Goff VJl/(0$b-h ...
worin bedeutet:
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N * eine Konstante, mit welcher ein Ausgleich oder Gleichgewicht zwischen den einzelnen Einheiten der Halbleitervorrichtung zum Zeitpunkt des Sperrens hergestellt werden kann.
Wenn eine an die Halbleitervorrichtung angeschlossene Last mit einen vorgeschriebenen Widerstandswert gewählt wird, stellt der Ausdruck K.n.G -, von Gleichung (5) eine Funktion des spezifischen Widerstands ρ der n-Basisschicht 4 bei der Normal temperatur dar.
Je kleiner der Wert h in Gleichung (5) ist, um so größer ist der Gesamt-Anodenstrom I.j. Falls jedoch h einen bestimmten Wert besitzt, der kleiner ist als die Diffusionslänge der Mangelstellen in der p-Basisschicht 6, tritt eine nur geringe Änderung bezüglich der Wirkung des Austreibens von Mangelstellen bzw. Löchern aus der p-Basisschicht 6 über die Gate-Elektrode 12 auf. Genauer gesagt, kann ein Mindest-Effektivwert von h als Konstante betrachtet werden, welche praktisch die Diffusionslänge von Mangelstellen, z.B. 160 .um, darstellt.
Aus den vorstehenden Ausfuhrungen ist ersichtlich, daß die Faktoren, welche die Anodenstromkapazität einer Halbleitervorrichtung bestimmen, die Beziehung ^a\I P%^ und der spezifische Widerstand der n-Basisschicht 4 bei der Normaltemperatur sind.
Fig. 4 zeigt das Verhältnis zwischen V„/p b und dem Gesamt-Anodenstrom IAT der Halbleitervorrichtung für den
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Fall, daß ein Widerstand mit einem Wert von 0,5 (Ohm) als Last angeschlossen ist und die n-Basisschicht 4 einen spezifischen Widerstand ρ von 25 (Ohm.cm) bei der Normaltemperatur besitzt.
Fig. 5 zeigt das Verhältnis zwischen K.n.GQ^/h und Änderungen des spezifischen Widerstands ρ bei der Normaltemperatur der n-Basisschicht 4, wenn ein Widerstand mit einem Wert von 0,5 (Ohm) als Last angeschlossen 1st und Vjl'£>sb einen konstanten Wert besitzt.
Wie aus Fig. 5 hervorgeht, erhöht sich der Wert von K.n.G ff/h um so mehr, je größer der spezifische Widerstand ρ der n-Basisschicht 4 bei der Normal temperatur 1st. Als Grund hierfür kann angenommen werden, daß dann, wenn die Bewegung von Ladungsträgern, nämlich der Fluß des Stroms am pn-Obergang J2 zwischen der n-Basisschicht und der p-Basisschicht 6 in kleinerer Stärke stattfindet, sich eine 1m pn-Obergang J2 gebildete Verarmungsschicht mit höherem spezifischen Widerstand ρ der n-Basisschicht bei Normal temperatur fortschreitend verbreitert, und daß aufgrund des schwächer werdenden elektrischen Felds am pn-Obergang J2 ein Ausgleich zwischen den durch die einzelnen Halbleitereinheiten fließenden Strömen leichter hergestellt werden kann. Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, daß Vjj/p$b und der spezifische Widerstand ρ bei der Normal temperatur der n-Basisschicht 4 den Gesamt-Anodenstrom I.. einer Halbleitervorrichtung bestimmen. Der Gesamt-Anodenstrom I., der Halbleitervorrichtung läßt sich anhand von Fig. 4 und 5 durch folgende Gleichung bestimmen:
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AT
(6)
Für den Fall P*Vji/pst) ■ 10,5 läßt sich der Gesaat-Anodenstron ΙΑγ anhand obiger Gleichung (6) zu 400 A berechnen.
Bei der Messung verschiedener Faktoren einer «1t einer Gesaatstroakapazität von 400 A ausgelegten Halbleitervorrichtung auf der Grundlage von ^ ¥,./q. * 10,5 wurden folgende Ergebnisse erhalten:
Freaatoakonzentration der n-Basisschicht 4 ■ 2 χ 101* (Atoae/ca3) Oberflächenkonzentration N. an Freudatornen
1n der p-Basisschicht 6
2 χ 1018 (Atoae/c·3)
Oberflä'chen-Fremdatomkonzentration der Kathodenschicht 8
5 χ 1020 (Atoae/ca3)
Dicke der Kathodenschicht & Dicke der p-Basisschicht 6
Aushaltespannung 1n Gegen- oder Sperrrichtung des pn-Obergangs J2 zwischen Kathodenschicht 8 und p-Basisschicht
10 (;ua) 53 (/Ua)
10 (V)
Halbe Querrichtungs-Länge des pn-Obergangs J1 zwischen Kathodenschicht 8 und p-Bas1sschtht 6
UO (/Ua)
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11-
Die Messung einer bisher üblichen Halbleitervorrichtung, die bei Eingang eines Torsteuersignals zum Sperren gebracht wird,lieferte das folgende Ergebnis:
VJ2/^sb < 10,5 (V.cm)
Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, deren Kathodenschicht 8 In eine Anzahl von Mesa-Typ-Kathodenschichtabschnitten unterteilt ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Mesa-Typ beschränkt, sondern auch auf eine Planartyp-Halbieitervorrichtung anwendbar.
Wie erwähnt, sollte die Aushaltespannung, d.h. die auszuhaltende Spannung, in Gegen- oder Sperrichtung des pn-0bergangs J, zwischen p-Basisschicht 6 und Kathodenschicht 8 vorzugsweise möglichst hoch sein. Diese Aushaltespannung erhöht sich fortschreitend, wenn Fremdatome mit niedrigeren Konzentrationen in diejenigen Abschnitte der p-Basisschicht 6 uid der Kathodenschicht 8 eindiffundiert werden, die in der Nähe des pn-Obergangs J. liegen. Die p-Basisschicht 6 und die Kathodenschicht 8 werden im allgemeinen durchEindiffundieren von Fremdatomen gebildet. Ein Fremdatom wird dabei gewöhnlich in der Nähe derjenigen Fläche der betreffenden Schichten, an welcher die Diffusion stattfindet, in höherer Konzentration eindiffundiert.
Bei einer Mesa-Typ-Halbleitervorrichtung wird der pn-Obergang J. zwischen der p-Basisschicht 6 und der Kathodenschicht 8 an von der Oberfläche der Halbleitervorrichtung
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■XL-
entfernter Stelle und zudem In waagerechter Richtung der Halbleitervorrichtung gebildet, 1n welche Fremdatome In gleichmäßiger Konzentration eindiffundiert werden, so daß eine hohe Aushaltespannung In Gegen- oder Sperrichtung gewährleistet wird.
Im folgenden sind anhand dfer Flg. 6A bis 6F die aufeinanderfolgenden Fertigungsschritte bei der Herstellung einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung erläutert.
Zunächst wird gemäß Flg. 6A ein Siliziumsubstrat 42 z.B. vom η-Typ hergestellt, das eine niedrige Fremdatomkonzentration von beispielsweise 1013 - 1O16 Atome/cm3 besitzt. Gemäß Flg. 6B wird Bor (B) oder Gallium (Ga) von beiden Flächen des Substrats 42 her eindiffundiert, um p-Schichten 44, 46 zu bilden. Öle p-Schicht 44 wird als Kathodenschicht und die p-Schicht 46 als p-Basisschicht benutzt. Öle Oberflächen-Fremdatomkonzentration der p-Sch1chten 44, 46 Hegt
18 3
In der Größenordnung von 2 χ 10 Atome/cm . Sodann wird gemäß Flg. 6C beispielsweise Phosphor (P) zur Bildung einer n-Schicht 48 in die p-ßasisschicht 46 eindiffundiert. Diese n-Schicht 48 wird als Kathodenschicht benutzt, und sie wird nach Photogravurverfahren gemäß Flg. 60 In eine Anzahl von Abschnitten 48a, 48b, 48c usw. unterteilt. Eine diese unterteilten Kathodenschichtabschnitte aufweisende Halbleitervorrichtung 1st eine Mehr(fach)em1tter-Vorr1chtung, die praktisch als durch eine Anzahl parallel angeordneter Haibleitervorridtungs-Einheiten gebildet angesehen werden kann. Anschließend wird eine Aluminiumschicht auf die p-Schichten 44, 46 und die unterteilten n-Schichtabschnitte 48a, 48b, 48c usw. aufgebracht, um Elektroden
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50, 52, 54a, 54b, 54c usw. zu bilden. Öle Elektrode 50 wird als Anode benutzt, während die Elektrode 52 als Gate-Elektrode dient und die Elektroden 54a, 54b, 54c usw. als Kathoden wirken. Schließlich werden zwei Packungs- bzw. Auftragelektroden 56, 58 gemäß Flg. 6F von Ober- und Unterseite her auf die beschriebene Anordnung aufgepreßt. Durch diese Fertigungsschritte wird eine Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung erhalten.
Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ausführungsfon· der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung, bei welcher die n-Basisschicht 60 zwei Bereiche unterschiedlicher Freedatomkonzentration besitzt, nämlich einen an eine p-Basisschicht 62 angrenzenden ersten Bereich 64 alt eine« spezifischen Widerstand ρ (Ohm.ca) und einen teilweise an eine p-Anodenschicht 66 angrenzenden zweiten n+-Bere1ch mit hoher Fremdatomkonzentration. Öle p-Basisscnicht 62 1st mit einer Kathode 70 belegt. Eine Anode 72 1st auf die Unterseiten des n+-Bere1chs 68 und der p-Anodenschicht 66 aufgebracht. Weiterhin sind eine Kathodenschicht 76 und eine Gate-Elektrode 78 vorgesehen. Bel A, C und 6 sind Anoden-, Kathoden- bzw. Gate-Anschlüsse angedeutet. Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 läßt sich durch das Äquivalentschaltbild von Fig. 8 darstellen. Wie hieraus ersichtlich 1st, kann die Halbleitervorrichtung gemäß Flg. 7 als aus einem Thyristor 80 und einer Diode 82 In Gegenparallel· schaltung bestehend angesehen werden. Die Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 7 ermöglicht also eine Stromeinleitung in Gegen- oder Sperrichtung. Wenn der Schichtwider-
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stand ρ . der p-Basisschicht 62» die Sperr-Aushaltespannung Vji des pn-Obergangs J, zwischen der p-Basisschicht 62 und der Kathodenschicht 64 bei Normaltemperatur so gewählt sind, daß sie der Beziehung nach folgender Gleichung
D * 10,5 (V.cn)
entsprechen, kann die Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 7 eine Anodenstromkapazität von mehr als 400 A besitzen.
Bei der in Fig. 9 gezeigten Halbleitervorrichtung gemäß einer welter abgewandelten Ausführungsform der Erfindung schließt eine p-Bas1ssch1cht 100 bündig mit einer Kathodenschicht 102 ab. Eine Kathode 104 1st auf einen Teil der Oberfläche der p-Basisschicht 100 und praktisch die Gesamtoberfläche der Kathodenschicht 102 aufgebracht. An dem nicht mit der Kathode 104 belegten Abschnitt der Oberfläche der p-Basisschicht 100 1st eine n-Schicht 106 ausgebildet. Dabei 1st eine Gate-Elektrode 108 auf der n*Sch1cht 106 sowie einem Teil der p-Basisschicht 100 angeordnet. In einer Anodenschicht 100 1st eine mit einer Anode 12 In Berührung stehende n-Sch1cht 114 ausgebildet. Weiterhin sind eine n-Basisschicht 116 sowie Anoden-, Kathoden- und Gate-Anschlüsse A, C bzw. G vorgesehen.
Die Halbleitervorrichtung gemäß Flg. 9 läßt sich durch das Äquivalentschaltbild gemäß Flg. 10 darstellen, bei welchem zwei Thyristoren 200, 202 gegenparallel geschaltet sind, so daß der Stromdurchgang In beiden Richtinjen durch ein Torsteuersignal steuerbar 1st. Wenn der Schichtwiderstand der p-Basisschicht 100, die Sperr-Aushatsspannung V.^
76 sowie der spezifische Widerstandp des n-Basisberelchs
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des pn-Obcgangs J, zwischen p-ßasisschicht 100 und Kathodenschicht 102 sowie der spezifische Widerstand ρ der n-Basisschicht 116 bei Nomal temperatur so gewählt sind, daß ih»*e Beziehung der folgenden Gleichung
^Jl'?sb ' 10·5 (V*C">
genügt, kann die Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 9, ebenso wie die Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 7, eine Stromkapazität von mehr als 400 A besitzen.
Die Halbleitervorrichtung gemäß der weiteren Ausführungsform nach Fig. 11 besitzt praktisch denselben Aufbau wie die Halbleitervorrichtung gemäß Flg. 1, nur mit dem Unterschied, daß eine n-Basisschicht aus zwei Bereichen unterschiedlicher Fremdatomkonzentrationen gebildet 1st. Die den Teilen von Fig. 1 entsprechenden Teile sind dabei mit denselben Bezugsziffern wie dort bezeicnnet, weshalb im folgenden nur die gegenüber Fig. unterschiedlichen Teile beschrieben sind.
Bei der Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 11 besteht die n-Basisschicht aus einem an die p-Basisschicht 6 anschließenden n-Bereich 302 und einem eine hohe Fremdatomkonzentration besitzenden, an die Anodenschicht 2 anschließenden n*-Bereich 304. Bei A, C und G sind Anoden-, Kathoden- bzw. Gate-Anschlüsse dargestellt. Die Halbleitervorrichtung gemäß Fig. 11 läßt sich durch das Aquivaientschaltbild von Flg. 12 darstellen. Fig. veranschaulicht die Verteilung der Fremdatomkonzentration in den einzelnen Schichten. Durch die Anordnung des
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271921Ä
aa
n*-Bereichs 304, wie bei der Ausführungsfora geaa'ß Fig. 11, wird nicht nur die In Verbindung ait FIg. 1 beschriebene Wirkung, sondern auch die Wirkung einer Verringerung der Dicke des n-Bereiches 302 erreicht. Weiterhin kann die Gesaatdicke des n-ßere1che$ 302 und des n*-Bere1chs 304 zusaaaen in stärkeren Ausmaß verkleinert werden als die Dicke der n-Schicht 4 geaäß Flg. 1, was auf folgenden Grund zurückzuführen ist: Ia pn-Obergang J2 zwischen der p-Basisschicht 6 und dea n-Basisbereich 302 1st eine Veraraungsschicht vorhanden, die sich bei Erhöhung einer an den pn-Obergang J- angelegten Gegenvorspannung fortschreitend erweitert. Wenn die angelegte Gegenvorspannung einen bestiaaten Nert übersteigt, tritt eine sog. Durchgrifferscheinung auf. Wenn der n*-Bereich 304 zur Veraeidung dieser Erscheinung weggelassen wird, auß die p-Basisschicht 6 alt einer einen bestiaaten Wert übersteigenden Dicke ausgebildet werden. Wenn dagegen, wie bei der Ausführungsfora geaäß Fig. 11, der n*-Bereich 304 vorhanden ist, wird eine Erweiterung der Veraraungsschicht la pn-Obergang J» durch den n+-Bere1ch 304 verhindert, sodurch das Auftreten des genannten Durchgriffs (punch-through) verhindert wird und folglich der n-Bereich 302 außerordentlich dünn ausgebildet werden kann. Durch Anordnung des n+-Bere1chs 304 kann weiterhin das Auftreten eines Streustroas aa pn-Obergang J^ vermindert werden,
Ersichtlicherwelse kann die Erfindung auch dann angewandt werden, wenn die bei den AusfUhrungsforaen genäß Fig. 1, 9 und 11 angewandten Le1t(fähigkeits)typen umgekehrt werden.
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Claims (7)

  1. Henkel, Kern, Feiler fr Hänzel Patentanwälte
    Möhlstraße 37 D-8000 München
    Tokyo Shibaura Electric Co., Ltd.
    , . u . , Tel.: 089/982085-87
    Kawasaki-shl, Japan Telex:0529802 hnkld
    Telegramme: ellipsoid
    2 9. April 1977
    PATENTANSPRÜCHE
    Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit einer Anzahl aneinander angrenzender Schichten des jeweils entgegengesetzten Leittyps in Form einer pnpn-Anordnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Schicht einen ersten Leit(fähigke1ts)typ besitzt, daß eine zweite, an die erste Schicht anschließende Schicht den zweiten Leittyp besitzt, daß an die zwete Schicht eine dritte Schicht mit dem ersten Leittyp anschließt, daß an die dritte Schicht eine vierte Schicht des zweiten Leittyps anschließt, daß auf der ersten Schicht eine Anode ausgebildet 1st, daß auf der dritten Schicht eine Gate-Elektrode angeordnet 1st, daß auf der vierten Schicht eine Kathode vorgesehen 1st und daß dieAnordnung folgender Gleichung genügt:
    b " 10·5 <V
    worin bedeuten:
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    ORIGINAL
    den Schichtwiderstand der dritten Schicht bei Normal temperatur»
    V. die Sperr- bzw. Gegenaushaltespannung an einem
    pn-übergang zwischen dritter und vierter Schicht und
    P den spezifischen Widerstand der zweitenSchicht.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schicht vom Mesa-Typ ist.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schicht vom Planartyp ist.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Schicht vom Mehr(fach)-Emittertyp 1st.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht einen an die erste Schicht angrenzenden ersten Bereich mit hoher Fremdatomkonzentration und einen an die dritte Schicht angrenzenden zweiten Bereich mit einem spezifischen Widerstand f> bei Normal temperatur aufweist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht einen an die erste Schicht angrenzenden ersten Bereich mit hoher Fremdatomkonzentration und mit einer die Anode berührenden Fläche und einen an die dritte Schicht angrenzenden zwei ten Bereich mit einem
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    spezifischen Widerstand f bei Normaltemperatur aufweist und daß die vierte Schicht eine mit der Kathode in Berührung stehende Fläche besitzt,
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht mit einem Bereich des zweiten Leittyps versehen ist, der eine mit der Anode In Berührung stehende Fläche besitzt, und daß die dritte Schicht des zweiten Leittyps eine mit der Kathode 1n Berührung stehende Fläche und einen mit der Gate-Elektrode in Berührung stehenden Bereich des zweiten Leittyps aufweist.
    009837/054*
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