DE2757295A1

DE2757295A1 - Sicherungsschaltung fuer ein halbleiterelement

Info

Publication number: DE2757295A1
Application number: DE19772757295
Authority: DE
Inventors: Ronald Henson; Friedhelm Sawitzki; Heinrich Dr Rer Schlangenotto
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1977-12-22
Filing date: 1977-12-22
Publication date: 1979-07-12
Also published as: US4243998A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sicherungsschaltung für ein Halbleiterelement.

Gateausschaltbare Thyristoren (GTO-Thyristoren) für höhere Ströme können beim Ausschalten leicht thermisch zerstört werden. Ist in einem Teilbereich der verzweigten Kathodenstruktur das Ausschalten erschwert, so wird der noch fließende Durchlaßstrom bevorzugt in diesem Bereich geführt. Die dadurch hervorgerufene Temperaturerhöhung führt

an der betreffenden Stelle zu einer Verringerung der Ausschaltverstärkung und der Durchlaßspannung, was eine weitere Konzentration des Stromes auf die Stellen erhöhter Temperatur zur Folge hat. Beides führt zu einer Vergrößerung der Ausschaltarbeit und damit weiteren Temperaturerhöhung. Es kann dann vorkommen, daß der zur Verfügung stehende Ausschaltstrom an der betreffenden Stelle nicht mehr zum Ausschalten ausreicht. Läuft die Temperatur der Halbleiteret ruktur bis auf etwa 130 ⁰C, so ist ein Ausschalten gegen höhere Spannungen nicht mehr möglich, da die Vorwärtssperrfähigkeit ab etwa 125 C zunehmend verloren geht.

Wenn die Fläche mit erhöhter Temperatur klein ist, kann dies infolge der hohen Stromdichte schließlich zur Zerstörung der Halbleiterstruktur führen.

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Thyristoren, Halbleiter-Gleichrichter und Transistoren können ferner bei zu hohen Durchlaßstromdichten (Stoßstrombelastung) durch lokales Aufschmelzen des Siliziums oder angrenzender Siliziummetalleutektika thermisch zerstört werden. Als Zerstörungsmechanismus wird dabei u. a. angenommen, daß die Temperatur zunächst durch die Verlustleistung derartige Werte annimmt, daß die Intrinsic-Konzentration in die Größenordnung der injizierten Ladungsträgerkonzentration kommt und damit wesentlich zur Stromleitung beiträgt. Dadurch geht die Temperaturabhängigkeit des Widerstandes des Halbleiterelementes von einer Zunahme mit steigender Temperatur zu einer Abnahme mit steigender Temperatur über, d. h. das Halbleiterelement wechselt vom PTC-Widerstandsbereich zum NTC-Widerstandsbereich. Die Inversionstemperatur liegt bei Siliziumleistungsgleichrichtern und Thyristoren im allgemeinen zwischen 500 und 65O ⁰C. Im NTC-Widerstandsbereich führt eine geringe lokale Stromerhöhung infolge der Erniedrigung des Widerstandes durch die Temperaturerhöhung zu einer weiteren lokalen Stromerhöhung. Bei vorgegebenem Gesamtstrom hat das eine St romzu s amme ns chnürung zur Folge, die zur lokalen thermischen Zerstörung des Halbleiterelementes führen kann; diese wird auch durch Inhomogenitäten begünstigt oder verursacht, die dazu führen, daß die Stromdichte an bestimmten Stellen des Halbleiterelementes erhöht ist (Stellen erhöhter Lebensdauer, erniedrigter Emitterrekombination, Randein-

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flüsse). Selbst wenn es nicht zu einem Aufschmelzen des Halbleitermaterials kommt, kann das Halbleiterelement doch bei wiederholten Belastungen infolge der hohen mechanischen Spannungen, die durch die Temperaturinhomogenität entstehen, allmählich brüchig werden und ausfallen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei gateausschaltbaren Thyristoren das Absinken der Sperrfähigkeit in Vorwärtsrichtung und ein zu starkes Absinken der Ausschaltverstärkung infolge des lokalen Ansteigens der Temperatur der Halbleiterstruktur auf oberhalb etwa 80 C zu vermeiden, bei Transistoren eine Zerstörung durch den bei rückwärtsgepoltem Kollektorübergang auftretenden "second breakdown" zu verhindern, und bei Halbleitergleichrichtern und Thyristoren im allgemeinen die Stoßstromgrenze, oberhalb welcher mit einer lokalen thermischen Zerstörung zu rechnen ist, heraufzusetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst.

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß verhindert wird, daß das Halbleiterelement durch lokal erhöhte Temperatur in einen Arbeitsbereich gelangt , in dem es seine Funktionsfähigkeit als sperrendes

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Element verliert bzw. zerstört wird und bei GTO-Thyristören wird erreicht, daß durch das Vermeiden von Temperaturspitzen die Ausschaltverstärkung weniger absinkt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Ausbildung eines GTO-Thyristors mit einer Kaltleiterschutzschicht,

Fig. 2 ein Diagramm mit dem Verlauf der Sperrspannung und Ausschaltverstärkunji eines GTO-Thyristors, sowie des spezifischen Widerstandes der Kaltleiterschutzschicht ,

Fig. 3 eine Ausbildung eines η sp -Gleichrichters mit einer Kaltleiterschutzschicht,

Fig. ^li eine Ausbildung eines η pnp -Thyristors mit einer Kaltleiterschutzschicht,

Fig. 5 ein Diagramm mit dem Verlauf der Durchlaßspannung eines Thyristors.

Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt eines GTO-Thyristors 1, dessen Kathodenstruktur aus einer Mehrzahl beispielsweise streifenförmiger η -Emitterschichten 2 besteht, die in eine p-Steuerbasisschicht 3 diffundiert sind, an die sich eine n-Hauptbasisschicht k anschließt, der eine ρ -Emitterschicht 5 folgt, die mit einer Metallelektrode 6 belegt

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ist, welche einen Anodenanschluß 7 aufweist. Auf der Oberfläche der p-Steuerbasisschicht 3 sind zwischen den η -Emitterschichten 2 metallische streifenförmige Steuerelektroden 8 angeordnet, die elektrisch parallel geschaltet sind und denen zwecks Ein- und Ausschaltung des Thyristors über eine Klemme 9 ein Gatestrom zu- oder abgeführt wird. Den η -Emitterschichten 2 sind streifenförmige metallische Kathodenelektroden 10 zugeordnet, die ebenfalls elektrisch parallel geschaltet und an einen Kathodenanschluß 11 geführt sind.

Das vorstehend beschriebene Halbleiterelement ist an sich bekannt.

Gemäß der Erfindung sind zwischen den streifenförmigen η -Emitterschichten 2 und den streifenförmigen Kathodenelektroden 10 Kaltleiterschutzschichten 12 angeordnet.

Das Widerstandsverhalten der Kaltleiterschutzschichten 12 ist derart gewählt, daß deren Widerstand bei Raumtemperatur vernachlässigbar ist, so daß bei Anlegen eines Gatestromes an die Steuer·»lektroden 8 eine Zündung und ein S+romfluß nur über eine streifenförmige η -Emitterschicht mit zugehörigen Schichten 3 bis 5 erfolgt; wird der Laststrom erhöht , dann erfolgt über die durch den fließenden Strom entstehende Querspannung eine Zündung der weiteren Teil-Thyristoren. - 8 -

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Der Laststrom fließt hauptsächlich in den gestrichelten Bereichen a nach der Fig. 1, die überhitzt werden können, was zu einer Zerstörung der Halbleiterstruktur führen kann. Die Kaltleiterschutzschicht wirkt einer lokalen Erhitzung der Ilalbleiterstruktur und damit einer inhomogenen Stromverteilung entgegen.

Wie aus dem Diagramm nach der Fig. 2 ersichtlich, ist der

P
Widerstand der Kaltleiterschutzschicht bei etwa 60 C sehr klein, steigt dann bis etwa 120 °C steil an und bleibt darüber etwa konstant.

Das Vorwärts-Sperrvermögen u_u_ von beispielsweise 1200 V

DU

sinkt oberhalb 120 C steil ab. Die Ausschaltverstärkung α nimmt ab mit steigender Temperatur.

Der spezifische Widerstand P der Kaltleiterschutzschicht nimmt bei kleinen Stromdichten um mehrere Zehnerpotenzen zu.

Wird die Ilalbleiterstruktur durch den fließenden Laststrom lokal auf Temperaturen >60 C erhitzt, so setzt hiergegen der bei diesen Temperaturen zur Wirkung kommende Widerstand der Kaltleiterschutzschicht ein, der verhindert, daß sich die Halbleiterstruktur lokal auf eine Temperatur >125 C erhitzt. _Q

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Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Halbleiter-Gleichrichters und die Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt eines geshorteten Thyristors mit einer Kaltleiterschutzschicht, die derart bemessen ist, daß eine Heraufsetzung der Stoßstromgrenze erreicht ist.

Die Kaltleiterschutzschicht 12 ist bei der Ausbildung nach der Fig. 3 auf der kathodenseitigen η -Schicht Jk aufgebracht, der eine s-Schicht 35 und eine ρ -Schicht 36 folgen; mit 33 und 37 sind die metallischen Kathoden- und Anodenelektroden bezeichnet. Die Kaltleiterschutzschicht 12 kann sich bei Bauelementen ohne anlegierte Grundplatte 37 auch auf der ρ -Emitterschicht 36 oder auf beiden Seiten (34, 36) der Struktur befinden.

Beim Thyristor nach der Fig. 4 ist die p-Basisschicht 48 durch die Kathodenmetallisierung geshortet. Die zunächst geschlossene Kaltleiterschutzschicht 12 kann dazu über den inneren Teil der Stellen, wo die p-ßasisschicht 48 an die Oberfläche stößt, durch Maskierung und Ätzen mit Flußsäure entfernt werden. Der Thyristor wird über die Metallelektrode k2 angesteuert. Der Aufhau ohne die Kaltleiterschutzschicht 12 ist grundsätzlich bekannt. Mit 43 ist die Kathodenelektrode und mit 47 die Anodenelektrode bezeichnet.

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In der Fig. 5 ist der Spannungsabfall u in der Halbleiterstruktur 1, der Spannungsabfall u in der Kaltleiterschutzschicht 12 und der Spannungsabfall u an der Kombination Halbleiterstruktur/Kaltleiterschutzschicht als Funktion der mittleren Halbleitertemperatur T₁₁ und der Temperatur T„

11 Iv

der Kaltleiterschutzschicht dargestellt. Ferner ist der PTC- und der NTC-Widerstandsbereich angedeutet. Der Inversionstemperatur T„, und der Zerstörungstemperatur T„„ der Halbleiterstruktur entsprechen die niedrigeren Temperatur-

werte T„_T und T„„ der Kaltleiterschutzschicht 12. Mit T„_ Kl IvZi IvC

ist die kritische Temperatur der Kaltleiterschutzschicht bezeichnet.

Die Kaltleiterschutzschicht 12 ist derart bemessen, daß bei Durchlaßbelastung der Spannungsabfall u_v in der Kaltleiter-

IV

schutzschicht 12 zunächst klein ist gegenüber der Durchlaßspannung u der Halbleiterstruktur. Erwärmt sich die Halbleiterstruktur durch die Verlustleistung bis in den NTC-Widerstandsbereich, so nimmt von einer bestimmten Halbleitertemperatur an, die auch die Temperatur T₁. der Kaltleiterschutzschicht bestimmt, der Spannungsabfall u„ in der KaIt-

IV

leiterschutzcchicht sta.ker mit der Temperatur ?m als die Durchiaßspannung u der Halbleiterstruktur abnimmt. Tritt nun bei hoher Strombelastung eine Stromzusammenschnürung ein, bei der die Kaltleiterschutzschicht lokal bis in den Bereich der Widerstandserhöhung in der Umgebung von

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erhitzt wird, so findet eine weitere Strorazusammenschnürung und Temperaturerhöhung an der Stelle und damit eine Zerstörung nicht statt. Der Strom kann dann, ohne daß Zerstörung eintritt, bis auf einen Wert erhöht werden, bei dem bei gleichmäßiger Verteilung die gesamte Halbleiterstrukturfläche so erhitzt wird, daß die Kaltleiterschutzschicht die Temperatur T„_ erreicht.

Jv t·»

Um einen wirksamen Schutz zu erzielen, muß die Kaltleiter-

schutzschicht 12 also folgende Bedingungen erfüllen:

1. Der Spannungsabfall u bei Durchlaßbelastung soll unter-

Jv

halb des Widerstandsanstieges klein gegen die Durchlaßspannung u„ der Halbleiterstruktur sein.

IT

2. Der Widerstand in paralleler Richtung zur Kaltleiterschutzschicht muß auch unterhalb des PTC-Widerstandsbereiches noch so groß sein, daß bei einer Stromzusammenschnürung die heiße Stelle nicht von der Seite her durch die Kaltleiterschutzschicht wesentlich mit Strom belastet werden kann.

3. Die Temperatur T„._ der Kaltleiterschutzschicht, in deren

IvVs

Umgebung der Widerstand der Kaltleiterschutzschicht stark ansteigt, muß unterhalb der Zerstörungstemperatur (an der Oberfläche der Halbleiterstruktur) der Halbleiterstruktur liegen, jedoch oberhalb der Temperatur des

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Bauelementes (beispielsweise Inversionstemperatur), bei deren Überschreitung mit großer Wahrscheinlichkeit lokale Zerstörung eintritt. Schließen sich an die Halbleiterstruktur Metalleutektika als Kontakte an, so muß die Temperatur T.._ unterhalb von deren Schmelztemperatur liegen.

Beim Mechanismus der Stromzusammenschnürung infolge Erhitzen bis in den Bereich der Intrinsic-Leitung muß die Temperatur T„„ hiernach so liegen, daß bei der

IVl* ,

Kaltleitertemperat.ur T„„ die Halbleiterstruktur im

Iv C

Immern schon so weit intrinsic-leitend ist, daß die Halbleiterstruktur ohne Kaltleiterschutzschicht einen Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten hat. Der Spannungsabfall in der Kaltleiterschutzschicht soll bei gegebener Stromdichte dann so stark mit der Temperatur zunehmen, daß auch der Gesamtspannungsabfall u in der Kaltleitcrschutzschicht und der Halbleiterstruktur von nun an mit der Temperatur zunimmt. Die

Temperatur T_v~ der Kaltleiterschutzschicht liegt be-IvC

vorzugt im Bereich von etwa 300 bis 600 C.

k. Die Wärmeableitung soll durch die Kaltleiterschutzschicht möglichst wenig behindert werden.

Die Kaltleiterschutzschicht ist sinngemäß auch bei konventionellen Thyristoren anwendbar, um lokale thermische Zerstörung beim Einschaltvorgang zu vermeiden. - 13 -

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Als Kaltleiterschutzschicht können ferroolektrische Keramiken, insbesondere Gemische von Uariumtitanat mit Bleioder Strontiumtitanat verwendet werden, bei denen der Widerstand nach Überschreiten der Curie-Temperatur stark ansteigt. Durch Wahl der Zusammensetzung von Pb Ba TiO-Mischkristallen kann der Curie-Punkt in dem Bereich 120 bis ^90 C beliebig gewählt werden, so daß auch die Temperatur T₁, _, in deren Umgebung der Widerstand stark ansteigt, in einem weiten Bereich eingestellt werden kann.

Keramiken der genannten Art lassen sich in dünnen Schichten von beispielsweise 0,2 bis 3»0 μΐη Dicke auf ein Siliziumsubstrat aufsputtern oder in anderer Weise aufbringen. Damit der Kaltleitereffckt hinreichend ausgeprägt ist, muß die Dicke der Schicht wenigstens etwa drei Kristallitlagen betragen.

Für die Metallisierung der Kaltleiterschutzschicht eignen sich reduzierende Metalle wie Zn, Sn^ Fe.

Zum Schütze der Halbleiterstruktur können auch mehrere Kaltleiterschutzschichtpn übereinander angeordnet werden; bei zwei Schichten ist eine Kaltleiterschutzschicht beispielsweise derart ausgebildet, daß diese eine Vergleichmäßigung der Temperatur im Bereich unterhalb 100 C bewirkt,

-Ik-

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- lk -

während die andere Kaltleiterschutzschicht bei darüberliegenden Temperaturen homogenisiert.

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Leerseite

Claims

Licentia

Pat ent-Verwaltung s-GmbH

6 Frankfurt 70, Theodor-Stern-Kai 1

I F 77/55

Pat e nt ans ρ rü ehe

(l.ySicherungsschaltung für ein Halbleiterelement, gekennzeichnet durch eine mit der Halbleiterstruktur integrierte Kaltleiterschutzschicht, die bei niedriger Temperatur einen Spannungsabfall aufweist, der klein ist gegenüber der Spannung an der Halbleiterstruktur bei Durchlaßbelastung, jedoch in einem Bereich, der unterhalb der Temperatur liegt, bei der die Funktionsweise gestört oder die Halbleiterstruktur thermisch beschädigt wird, einen ansteigenden Spannungsabfall aufweist.
2. Sicherungsschaltung für einen gateausschaltbaren Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der ansteigenden Spannung der Kaltleiterschutzschicht unterhalb der Temperatur liegt, bei der die

909828/0015 „«ναι.

Vorwärtssperrfähigkeit des Halbleiterelementes absinkt.
3. Sicherungsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich der ansteigenden Spannung der Kaltleiterschutzschicht zwischen der Inversionstemperatur (T₁₁-,-) und der Zerstörungstemperatur (T„„) IiX liii

der Halbleiterstruktur liegt.

k. Sicherungsschaltung nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus mindestens zwei Schichten entgegengesetzter Leitfähigkeit und einer Kathoden- und einer Anodenmetal!deckschicht bestehenden Element zwischen der Halbleiterstruktur und mindestens einer Metalldeckschicht die Kaltleiterschutzschicht angeordnet ist.

5· Sicherungsschaltung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kaltleiterschutzschicht eine ferroelektrische Schicht ist.

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