DE2758616A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents
HalbleiterbauelementInfo
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Description
Drv-Ing. Reimar König · Dip>.-lng. Klaus Bergen
i/alte
2158616
27. Dezember 1977 31 905 B
RCA Corporation, 30 Rockefeller Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)
"Halbleiterbauelement"
Die Erfindimg betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem ursprünglich den einen Leitungstyp aufweisenden Halbleiterkörper
mit einer einer ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und mit einer an der zweiten
Oberfläche anliegenden, begrenzten Anodenzone des anderen Leitungstyps. Im allgemeinen handelt es sich dabei
um Halbleiter-Thyristor-Bauelemente, insbesondere solche, die gegen einen Durchbruch bzw. ein Kippen geschützt sind.
Bei einem rückwärts sperrenden Thyristor ist die Durchbruchspannung
die Sperrspannung in Rückwärtsrichtung, bei der der Sperrstrom größer wird als ein bestimmter
Wert. Als (positive oder negative) Kippspannung bezeichnet man die Hauptspannung in (positiver oder negativer)
Schaltrichtung am (positiven oder negativen) Kipp-Punkt, an dem der differenzielle Widerstand gleich Null ist
und an dem die Hauptspannung einen Höchstwert erreicht. Im folgenden werden beide Phänomene in Anlehnung an die
Bezeichnungsweise bei Gleichrichterdioden unter dem gemeinsamen Begriff "Durchbruch" zusammengefaßt.
Für Thyristoren ist im allgemeinen eine Folge von vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, d.h. NPNP oder PNPN,
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typisch. In einem solchen Thyristor, z.B. einer Vierschicht-Schalt-Diode
(Vierschicht-Triode, gesteuerter Silizium-Gleichrichter) werden die aufeinanderfolgenden
Zonen als Kathoden-Zone, Gate-Zone, Basis-Zone und Anoden-Zone bezeichnet. Ein solches - im folgenden kurz als
"Thyristor" bezeichnetes - Bauelement ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß es zwei Betriebszustände aufweist,
nämlich einen Sperrzustand (hoher Gleichstromwiderstand) und einen Durchlaßzustand (niedriger Gleichstromwiderstand).
Ein solcher Thyristor wird normalerweise vom Sperrzustand in den Durchlaßzustand, geschaltet, indem
ein geeignetes Signal auf einen die Gate-Zone kontaktierenden Steueranschluß gegeben \</ird. Wenn jedoch
eine übermäßig hohe Spannung über die Hauptanschlüsse an das Bauelement angelegt wird, schaltet ein Thyristor
oft ohne ein Steuersignal. Dieses Phänomen ist je nach Schaltrichtung allgemein als Kippen oder Durchbruch
bekannt und die Spannung, bei der es auftritt, wird,
entsprechend als Kippspannung bzw, Durchbruchspannung bezeichnet. Wie oben erläutert, wird im folgenden der
Einfachheit halber jedoch nur von einer Durchbruchspannung gesprochen.
Eine wünschenswerte Eigenschaft von Halbleiter-Thyristor-Bauelementen
ist, daß das Bauelement ohne Beschädigung gezündet bzw* getriggert werden kann, wenn eine hohe
Einschaltspannung auf die Hauptanschlüsse trifft. Durch eine solche Eigenschaft wäre das Bauelement
inhärent geschützt, d.h. es könnte ohne weiteres in Schaltkreisen benutzt werden, in denen hohe Einschaltsignale
auftreten, ohne daß es erforderlich wäre, eine äußere Beschaltung zum Reduzieren der Einschaltspannungen
vorzusehen. Die von dem jeweiligen Durchbruch be-
R09928/0703
troffenen Zonen können in Abhängigkeit von der Polarität des zeitweisen oder Einschaltsignals variieren und
es können jeweils verschiedene PN-Übergänge beschädigt werden. Wenn also eine vorübergehende Spannung den
Thyristor in Vorwärtsrichtung vorspannt, ist der PN-Übergang zwischen der Gate-Zone und der Basis-Zone gefährdet.
Führt dagegen eine Spannung zu einem in Rückwärtsrichtung vorgespannten Bauelement, dann kann der
PN-Übergang zwischen der Basiszone und der Anodenzone beschädigt werden. Die vorgenannten PN-Übergänge brechen
meist nach Art des Lawinen-Durchbruchs durch. Ein Lawinen-Durchbruch beginnt normalerweise an einer Fehlerstelle
des Materials oder im Randbereich des Bauelements. Wenn ein Durchbruch auftritt, hat der Strom, der über
den fraglichen PN-Übergang fließt, an der Durchbruchsstelle eine hohe Dichte, wodurch an dieser Stelle sehr
hohe Temperaturen entstehen. Es ist bekannt, daßjbine
Stelle hoher Temperatur bzw. eine sogenannte örtliche Überhitzung das Bauelement beschädigen oder zerstören
kann.
Bei bekannten Bauelementen werden im allgemeinen Strompfade mit niedrigem Widerstand für den beim Durchbruch
auftretenden hohen Strom vorgesehen. Hierbei wird der Strom im allgemeinen über eine Elektrode aus dem Bauelement
abgeleitet. Dieser Aufbau ist zwar in gewissem Umfang wirkungsvoll, trotzdem werden bisherige Bauelemente
bei hohen Stromdichten selbst dann leicht beschädigt oder zerstört, wenn die erwähnten, mit
niedrigem Widerstand behafteten Strompfade vorgesehen sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein HaIb-
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leiterbauelement der eingangs genannten Gattung, also z.B. eine Thyristor-Diode, eine Thyristor-Triode oder
eine Zweirichtungs-Thyristor-Diode bzw. -Thyristor-Triode, zu schaffen, welches ohne äußere Beschaltungsmittel
oder Stromableitbahnen sicher gegen von momentanen Spannungen, beispielsweise von Einschaltstößen herrührende,
übermäßige Spannungen geschützt ist. Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruchs
1 angegeben.
Der erfindungsgemäße Aufbau des Halbleiterbauelements weist anstelle eines mit niedrigem Widerstand behafteten
Ableitpfades einen Weg mit vergleichsweise hohem Widerstand auf, durch den der Durchbruchsstrom gegebenenfalls
verteilt oder gestreut wird. Durch diesen in dem Halbleiterkörper des Bauelements integrierten Bereich
mit hohem Widerstand wird erreicht, daß das Bauelement inhärent gegen Schaden geschützt ist, die von einem
Durchbruch hervorgerufen werden können. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Selbstschutzschaltung wird die Stromdichte
an dem speziellen Punkt, an dem bisher während eines Durchbruchs Überhitzungen auftreten konnten, reduziert.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise im Querschnitt nicht maßstabgetreu gezeichnete perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Bauelements ;
Fig. ? eine teilweise im Querschnitt, nicht maßstabgetreu
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gezeichnete perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bauelements
;
Fig. 5 ein Ersatzschaltbild eines PN-Übergangs eines herkömmlichen
Thyristors; und
Fig. 4 ein Ersatzschaltbild eines PN-Übergangs, eines
erfindungsgemäßen Thyristors.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Bauelementes 10, nämlich ein gesteuerter Siliziumgleichrichter, ist in
Fig. 1 dargestellt. Das Bauelement 10 enthält einen Halbleiterkörper 12 mit einer ersten Oberfläche 14, der eine
zweite Oberfläche 16 gegenüberliegt. Das Material des Halbleiterkörpers 12 wies ursprünglich einen ersten Leitungstyp
auf. Vorzugsweise besteht der Halbleiterkörper 12 aus Silizium und ist zunächst N-leitend. Es wird
ferner bevorzugt, wenn der Halbleiterkörper 12 ursprünglich
eine durchschnittliche Konzentration von leitenden Ladungsträgern in der Größenordnung von etwa 10 Atomen/cn.
aufweist. Obwohl der beschriebene Halbleiterkörper N-leitend sein soll, ist es natürlich ebenso möglich, daß er
ursprünglich P-leitend ist, wenn nur die Leitungstypen aller anderen (unten angegebenen) Teile des Bauelements entsprechend
umgekehrt werden.
Innerhalb des Halbleiterkörpers 12 und angrenzend an dessen zweite Oberfläche 16 ist eine begrenzte Anoden-Zone
18 vorgesehen. Die Anoden-Zone ist vom zweiten Leitungstyp; im Ausführungsbeispiel ist sie P+-leitend. Beispielsweise
kann die Anoden-Zone 18 eine Oberflächenladungsträgerkonzentration in der Größenordnung von
etwa 10 ^ Atomen/cnr aufweisen.
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In dieser Beschreibung bedeutet das Plus-Zeichen (+) oder Minus-Zeichen (-), welches der Bezeichnung des
Leitungstyps hinzugefügt ist, daß der betreffende Bereich eine vergleichsweise größere oder kleinere Ladungsträgerkonzentration
aufweist als andere Bereiche ohne ein solches Zeichen. Beispielsweise wird mit P
eine Zone bezeichnet, die eine vergleichsweise höhere Ladungsträgerkonzentration aufweist als eine Zone, die
als P-leitend angegeben wird.
Die Anoden-Zone 18 ist von einer ersten Zone 20 des zweiten Leitungstyps umgeben. Außer dort, wo die Anoden-Zone
18 an die zweite Oberfläche 16 angrenzt, ist die Anoden-Zone 18 also durch die erste Zone 20 von dem Halbleiterkörper
12 getrennt. An der Grenze zwischen der ersten Zone 20 und dem Material des Halbleiterkörpers 12 ist
ein erster PN-Übergang 22 gebildet, Die erste Zone 20 besitzt vorzugsweise eine niedrigere Ladungsträgerkonzentration
als die Anoden-Zone 18. Beispielsweise hat die erste Zone 20 eine Oberflächenladungsträgerkonzentration
in der Größenordnung von etwa 10 ' Atomen/cm . Weiterhin erstreckt sich die erste Zone 18 vorzugsweise
bis zu einer Tiefe von etwa 40 Mikrometer von der zweiten Oberfläche 16 aus in den Halbleiterkörper 12 hinein.
Die erste Zone 20 enthält einen ersten Ballastwiderstand 23, der im wesentlichen aus dem Teil der ersten Zone
20 besteht, der an die zweite Oberfläche 16 angrenzt und zwischen dem ersten PN-Übergang 22 und der Anoden-Zone
18 liegt. Vorzugsweise ist der Ballast-Widerstand 23, d.h. der Abstand zwischen dem ersten PN-Übergang
22 und der Anoden-Zone 18 längs der zweiten Oberfläche 16 etwa zwei- bis fünfmal so groß wie die Tiefe der
ersten Zone 20,
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An die erste Oberfläche 14 des Halbleiterkörpers 12 grenzt eine Gate-Zone 24 des zweiten Leitungstyps an
und bildet an der Grenze mit dem Halbleiterkörper 12 einen zweiten PN-Übergang 26. Vorzugsweise hat die
Gate-Zone 24 eine Oberflächenladungsträgerkonzentration und eine Tiefe, die in derselben Größenordnung liegen,
wie die entsprechenden Werte der ersten Zone 20. Gegenüber der ersten Zone 20 ist die Gate-Zone 24 durch Material
des Halbleiterkörpers 12 auf Abstand gesetzt, welches den ursprünglichen Leitungstyp und die ursprüngliche
Ladungsträgerkonzentration aufweist. Das Material des Halbleiterkörpers 12, welches den ursprünglichen
Leitungstyp und die ursprüngliche Ladungsträgerkonzentration beibehält, wird im folgenden als Basis-Zone 28 bezeichnet.
Vorzugsweise, wenn auch aus unten angegebenen Gründen nicht unbedingt erforderlich, endet der zweite PN-Übergang
26 an der ersten Oberfläche 14.
Eire begrenzte Kathodenzone 30 des ersten Leitungstyps erstreckt
sich angrenzend an die erste Oberfläche 14 in die Gate-Zone 24 hinein. An der Grenzfläche zwischen der
Kathoden-Zone 30 und der Gate-Zone 24 ist ein dritter PN-Übergang 32 gebildet. Vorzugsweise hat die Kathoden-Zone
30 an der ersten Oberfläche 14 eine im wesentlichen rechteckige Form und umschließt einen Teil 3^ der Gate-Zone
24.
In der Nähe der ersten Oberfläche 14 ist die Kathoden-Zone
30 durch einen zweiten Ballastwiderstand 36 umgeben und durch diesen gegenüber dem zweiten PN-Übergang
26 auf Abstand gesetzt. Der zweite Ballastwiderstand 36 hat eine ähnliche Oberflächenerstreckung wie
der erste Ballastwiderstand 23, d.h. die Oberflächen-
ß 0 9 8 2 8/0 70 3
erstreckung liegt in der Größenordnung von zwischen etwa zwei- bis fünfmal dem Betrag der Tiefe der Gate-Zone 24.
Aus in der Halbleitertechnik bekannten Gründen weist die Kathoden-Zone 30 eine höhere Konzentration von
leitenden Ladungsträgern auf als die Basiszone 28.
Eine Gate-Trigger-Zone 38 des zweiten Leitungstyps grenzt
an die erste Oberfläche 14 an und erstreckt sich in die Gate-Zone 24 hinein. Die Gate-Trigger-Zone 38 ist durch
Material der Gate-Zone 24 gegenüber der Kathoden-Zone 30 auf Abstand gesetzt. Vorzugsweise hat die Gate-Trigger-Zone
38 eine höhere Ladungsträgerkonzentration als die Gate-Zone 24.
Eine erste Elektrode 42 kontaktiert den Halbleiterkörper 12 innerhalb der Grenzen der N+-leitenden Kathoden-Zone
30. Eine zweite Elektrode 40 kontaktiert den Halbleiterkörper 12 innerhalb der Grenzen der P+-leitenden Anoden-Zone
18 und eine dritte Elektrode 34 kontaktiert die Gate-Trigger-Zone 38.
Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement kann mit Hilfe
bekannter Verfahren hergestellt werden« Beispielsweise können die erste Zone 20 und die Gate-Zone 24 unter
Verwendung bekannter Diffusionsverfahren gebildet werden, Die Gate-Trigger-Zone 38 und. die Anoden-Zone
18 können dann in die vorgenannten Zonen eindiffundiert
werden. Dabei können die erste Zone 20 und die Gate-Zone 24 gleichzeitig diffundiert und dann die Gate-Trigger-Zone
38 und die Anoden-Zone 18 ebenfalls gleichzeitig durch Diffusion gebildet werden.
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/β
Ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements 46 ist in Fig. 2 dargestellt. Es
enthält ähnliche Zonen wie das vorher beschriebene Bauelement 10. Funktionsmäßig jedoch ist das Bauelement 46
ein Halbleiter-Triac (Doppelweg-Thyristor). Ein Triac
kann als zwei elektrisch umgekehrt parallelgeschaltete Vierschicht-Trioden (gesteuerte Silizium-Gleichrichter)
angesehen werden, d.h. die Anoden-Zone des einen Thyristors ist mit der Kathoden-Zone des anderen Thyristors verbunden
und umgekehrt.
Das Bauelement 46 enthält einen Halbleiterkörper 48 mit einer ersten Oberfläche 50, die einer zweiten Oberfläche
52 gegenüberliegt. Ursprünglich ist der Halbleiterkörper 48 von einem ersten Leitungstyp, z.B. N-leitend. Das
Bauelement 46 enthält ferner eine P -leitende Anoden-Zone 54, eine P-leitende erste Zone 56, eine P-leitende
Gate-Zone 58 und eine N -leitende Kathoden-Zone 60, die alle im wesentlichen nach Lage und Funktion identisch
mit den entsprechend bezeichneten Zonen des Bauelements 10 sind. An den jeweiligen Grenzschichten
werden demgemäß erste, zweite und dritte PN-Ubergänge 62, 64 und 66 gebildet.
Der erste und der zweite PN-Übergang 62 und 64 erstrekken sich in diesem Ausführungsbeispiel quer durch den
gesamten Halbleiterkörper 48 in einer Richtung, die im wesentlichen parallel zu der ersten Oberfläche 50 verläuft.
Diese PN-Ubergänge enden daher an einem Rand 54 des Halbleiterkörpers 48.
Angrenzend an die erste Oberfläche 50 ist eine sich in die Gate-Zone 58 hineinerstreckende Gate-Trigger-Zone 68
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vorgesehen, die aus einem ersten Abschnitt 70 mit P Leitung und einem zweiten Abschnitt 72 mit N -Leitung
besteht. Nach den Seiten hin ist die Gate-Trigger-Zone 68 im wesentlichen vollständig gegenüber der benachbarten
Zone, z.B. mit Hilfe eines mit dielektrischem Material gefüllten Grabens 69, isoliert.
In Fig. 2 ist der Halbleiterkörper 53 als mit einem
mesaartigen Rand 74 umgeben dargestellt. Das ist lediglich aus zeichnerischen Gründen geschehen, d.h. der
erste und der zweite PN-Übergang 62 and 64 können, wenn das erwünscht ist, ebenso an den Oberflächen 52 oder
enden. Folglich ist die Form des Halbleiterkörpers 48 und insbesondere dessen Rand 74 ohne Bedeutung für die
Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Aufbaus.
Das Halbleiterbauelement 46 enthält weiterhin einen N+-
leitenden Kathoden-Bereich 76, der an die zweite Oberfläche 52 angrenzt. Der Kathoden-Bereich 76 liegt vorzugsweise
der Anoden-Zone 54 an und ist im übrigen vollständig von der ersten Zone 56 umgeben. In ähnlicher
Art ist angrenzend an der ersten Oberfläche 50 ein P+- leitender Anoden-Bereich 78 vorgesehen, der vorzugsweise
benachbart zu der Kathoden-Zone 60 liegt und im übrigen vollständig von der Gate-Zone 58 umgeben ist.
Der erste Ballast-Widerstand 80 wird bei diesem Ausführungsbeispiel
durch das Material der ersten Zone 56 gebildet, die an die zweite Oberfläche ^2 angrenzt
und zwischen dem ersten PN-Übergang 62 einerseits und der Anoden-Zone 54 und dem Kathoden-Bereich 76 andererseits
liegt. Der zweite Ballast-Widerstand 82 wird in diesem Ausführungsbeispiel durch das Material der
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AS
Gate-Zone 58 gebildet, die benachbart zu der ersten Oberfläche 50 zwischen dem zweiten PN-Übergang 64 einerseits
und der Kathoden-Zone 60 sowie dem Anodenbereich 78 andererseits liegt.
Eine erste Elektrode 84 kontaktiert den Halbleiterkörper 48 innerhalb der Grenzen der Kathoden-Zone 60 und des
Anoden-Bereichs 78. Eine zweite Elektrode 85 kontaktiert den Halbleiterkörper 48 innerhalb der Grenzen der Anoden-Zone
54 und des Kathoden-Bereichs 76. Eine dritte Elektrode 87 kontaktiert die beiden Abschnitte 70 und 72 der
Gate-Trigger-Zone 68.
Da gesteuerte Silizium-Gleichrichter und Doppelwegthyristoren
wie oben angegeben im wesentlichen nach den gleichen Prinzipien arbeiten, wird in der folgenden
Diskussion der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Bauelementes in erster Linie auf den gesteuerten Siliziumgleichrichter
Bezug genommen.
Ein idealer PN-Übergang weist eine an jedem Punkt seiner Fläche gleichmäßige Lawinen-Durchbruchspannung auf. Ein
solcher idealer PN-Übergang könnte Kipp- bzw. Durchbrucheeinschaltstöße
großer ainergie überstehen, weil der beim Durchbruch fließende Strom sich gleichmäßig über die
gesamte Fläche des PN-Übergangs verteilte. Das heißt also, daß kein einziger Punkt auf dem PN-Übergang eine
Temperatur erreichte, die eine Beschädigung des Kristalls hervorriefe, bevor der ganze PN-Übergang diese Temperatur
erreicht.
Wie bekannt, sind jedoch in der Praxis PN-Übergänge weit von dem Ideal entfernt und enthalten Ungleich-
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Mo
förmigkeiten sowie Änderungen von Punkt zu Punkt längs
der Fläche. Ein solcher PN-Übergang 86 ist schematisch in Fig. 3 durch mehrere Zener-Dioden 88 symbolisiert,
die parallel geschaltet sind und verschiedene in der Zeichnung angegebene Durchbruchspannungen aufweisen.
Wenn also ein Bauelement, z.B. 10 oder 46 gemäß Fig. 1 bzw. 2, mit einem praktisch realisierbaren PN-Übergang
beispielsweise einer hochenergetischen Einschaltspannung oder irgendeiner anderen momentanen Spannung ausgesetzt
wird, beginnt die Stelle des PN-Übergangs 86 mit der niedrigsten Durchbruchspannung leitend zu werden, bevor
irgendeine andere Stelle leitet. Der resultierende Strom ist daher stark lokalisiert und erzeugt beträchtliche
Wärme. Diese Wärme kann den PN-Übergang 86 beschädigen oder zerstören.
Die Struktur des erfindungsgemäßen, schematisch bei in Fig. 4 symbolisierten PN-Übergangs weist zusätzlich
zu den Dioden 88 auf der P-leitenden Seite des PN-Übergangs 90 einen Bereich mit vergleichsweise hohem Widerstand
auf. Effektiv stellt dieser Bereich mit hohem Widerstand in Reihe mit den den PN-Übergang symbolisierenden
Dioden 88 geschaltete Widerstände 92 dar. Wenn nun also an einer bestimmten Stelle, d.h. an einer
bestimmten Diode 88 nach Fig. 4 der PN-Übergang 90 durchbricht, trifft der daraufhin fließende Strom auf
einen hohen Widerstand.Dieser hohe Widerstand beschränkt den Durchbruchsstrom und ermöglicht so, daß der Rest
des PN-Übergangs 90, d.h. die übrigen Dioden 88 gemäß Fig. 4, ebenfalls durchbrechen. Der Rest des PN-Übergangs
90 erreicht also die Durchbruchspannung und nimmt einen proportionalen Betrag der vorübergehenden
Durchbruchsenergie auf.
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11-
Erfindungsgemäß wird die Funktion dieses Widerstands
durch den ersten und den zweiten Ballast-Widerstand 23 bzw. 36 erfüllt. Da diese ersten und zweiten Widerstände
23 und 36 nur entlang der Teile des ersten und zweiten PN-Ubergangs 22 bzw. 26 angeordnet sind, die an
die zweite und erste Oberfläche 16 bzw. 14 angrenzen und nicht im Inneren des Halbleiterkörpers 12, wo die
Träger leiten, bleiben die normalen Betriebsströme des Bauelements durch die erfindungsgemäßen Ballast-Widerstände
unbeeinflußt. Die ersten und zweiten Ballast-Widerstände 80 und 82 des Bauelementes 46 gemäß Fig. 2 arbeiten
in gleicher Weise.
Als Konstruktionsgrundlage für die Bestimmung der Leitfähigkeit der Ballast-Widerstände der Bauelemente 10
und 46 sollte beachtet werden, daß die Verlustleistung eines Widerstandsmaterials pro Volumeneinheit umgekehrt
proportional zum spezifischen Widerstand des Materials ist. Um daher die Energiedichte im Bauelement 10 während
eines Durchbruchs herabzusetzen, sollte die Leitfähigkeit des Materials der Ballast-Widerstände so klein
wie möglich sein. Die Leitfähigkeit eines halbleitenden Materials hängt in erster Linie von dessen Ladungsträgerkonzentration
ab. Bei der Auswahl der Konzentration der leitenden Ladungsträger in den ersten und zweiten
Ballast-Widerständen 23 und 36 des Bauelementes 10 sollte ferner der Temperaturkoeffizient des Widerstandes
des Materials berücksichtigt werden. Vorzugsweise ist dieser Temperaturkoeffizient des Widerstandes in den
Ballast-Widerständen 23 und 36 oder in den ersten und zweiten Zonen 20 bzw. 24 nicht negativ. Diese Bedingung
ist wünschenswert, weil ein negativer Temperaturkoeffizient dazu führ-fe, daß der Widerstand des Materials im
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~Λ>ί~
heißesten Bereich am niedrigsten wäre mit dem Ergebnis,
daß noch mehr Strom durch diese spezielle Stelle flosse und sie noch heißer würde. Dieser Effekt kann als thermisches
Durchgehen oder Kippen bezeichnet werden. Wenn dagegen der Temperaturkoeffizient des Widerstandes der
Ballast-Widerstände 23 und 36 positiv ist, d.h. wenn der Widerstand mit steigender Temperatur zunimmt, wird ein
Strom, der durch einen solchen Bereich fließt, verteilt bzw. zerstreut. Unter dieser Bedingung ist die Möglichkeit
eines thermischen Durchgehens im wesentlichen vollkommen ausgeschlossen.
Unabhängig von der Polarität des Einschaltsignals brechen daher der erste und zweite PN-Übergang 22 und
26 effektiv gleichförmig durch.
Ein drittes Konstruktionsmerkmal ist die Länge L der Ballast-Widerstände 23 und 36, am Beispiel des Bauelements
10. Der effektive Widerstand der Ballastwiderstände 23 und 36 ist proportional zu deren Länge L.
Eine größere Länge L führt daher zu einem effektiveren Schutz. Eine Vergrößerung der Länge L bedeutet aber,
daß die gesamte Größe des Bauelements zunimmt, was jedoch aus bekannten Gründen, unerwünscht ist. Es ist
bestimmt worden, daß die Masse des durch die Ballast-Widerstände 23 und 36 des Bauelementes 10 effektiv
hervorgerufenen Serienwiderstandes in dem die Durchbruchstelle unmittelbar umgebenden Bereich liegt und
daß der durch diese Stelle ließende Strom sich von dort aus ausbreitet. Weiterhin führt ein Vergrößern
der Länge L auf einen Betrag, der ein Vielfaches größer als der Bereich der Durchbruchstelle ist,
nur zu einer geringen Zunahme des Widerstandes. Sin
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Ί9
optimaler Betrag für die Länge L der Ballast-Widerstände 23 und 36 liegt daher in der Größenordnung zwischen etwa
dem zwei- und fünffachen Betrag der Abmessung einer typischen Durchbruchsstelle. Ferner dürften die Dimensionen
der meisten Defekte von PN-Übergängen eine Ausdehnung
aufweisen, die in derselben Größenordnung liegt wie die Tiefe des PN-Übergangs. Eine brauchbare Länge L für die
Ballast-Widerstände 23 und 36 liegt daher in der Größenordnung zwischen dem zwei- und fünffachen Betrag der
Tiefe des PN-Ubergangs. Wenn also die Länge L und die
Parameter der Konzentration der leitenden Ladungsträger der Ballastwiderstände 23 und 36 entsprechend angepaßt
werden, ist das Thyristor-Bauelement 10 gegen einen Durchbruch bzw. gegen von einem Durchbruch verursachte
Schäden geschützt. Diese Betrachtungen sind ebenso auf das Triac-Bauelement 46 anwendbar.
Die erfindungsgemäße Struktur führt zu einem Durchbruchsschutz für Thyristor-Bauelemente, der mit den üblichen
Betriebsmerkmalen des Thyristors vereinbar ist. Eine solche Bauelement-Struktur kann in Schaltkreisen benutzt
werden, in denen irgendeine Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung des Bauelements infolge von vorübergehenden
Belastungszuständen besteht, z.B. in Motor-Steuerschaltungen .
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L e
e r s e ι t c
Claims (8)
- 2 7 r) 8 61RCA Corporation, 30'd^iäs&felier "Plaza, New York. N.Y. 10020 (V.St.A.)Patentansprüche;Halbleiterbauelement mit einem ursprünglich den einen Leitungstyp aufweisenden Halbleiterkörper mit einer einer ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche und mit einer an der zweiten Oberfläche anliegenden, begrenzten Anoden-Zone des anderen Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet , daß eine einen beträchtlich höheren spezifischen Widerstand als die Anodenzone (18) aufweisende, erste Zone (20) des zweiten Leitungstyps die Anodenzone (18) umgibt und an der Grenze zum Halbleiterkörper (12) einen ersten PN-Überganf, 22 bildet, daß ein erster Ballast-Widerstand (23) durch den an die zweite Oberfläche (16) angrenzenden Teil der ersten Zone (20) zwischen dem ersten PN-Übergang 22 und der Anodenzone (18) gebildet ist, daß angrenzend an die erste Oberfläche (14) eine sich in den Halbleiterkörper (20) hineinerstreckende und an der Grenze zu letzterem einen zweiten PN-Übergang (26) bildende Gate-Zone (24) des zweiten Leitungstyps und eine vollkommen innerhalb der Gate-Zone (24) liegende, eine höhere Ladungstr&gerkonzentration als der Halbleiterkörper (12) aufweisende, begrenzte Kathodenzone (30) des ersten Leitungstyps vorgesehen sind, daß ein zweiter Ballastwiderstand (36) innerhalb der Gate-Zone (24), angrenzend an die erste Ober-0 9 8 ? 8 / 0 7.03 ORIGINAL INSPECTED- Vf-- 71ba R 1fläche (14) sowie zwischen der Kathodenzone (30) und dem PN-Übergang (26) gebildet ist, und daß der Halbleiterkörper (12) innerhalb der Grenzen der Kathodenzone (30) mit Hilfe einer ersten Elektrode (42) und innerhalb der Grenzen der Anodenzone (18) mit Hilfe einer zweiten Elektrode (40) elektrisch kontaktiert ist.
- 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , d a d u rc h gekennzeichn et , daß innerhalb der Gate-Zone (24) eine von der Kathodenzone (30) umgebene, eine höhere Ladungsträgerkonzentration als die Gate-Zone (24) aufweisende Gate-Trigger-Zone (38) vorgesehen ist.
- 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daßdie erste Zone (20) eine Oberflächenträgerkonzentration in der Größenordnung von etwa 10 ' Atomen/cm aufweist und sich von der zweiten Oberfläche (16) aus bis zu einer Tiefe von etwa 40 Mikrometer in den Halbleiterkörper (12) hineinerstreckt.
- 4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , dall der Abstand (L) zwischen der Anodenzone (18) und dem ersten PN-Übergang (22) an der zweiten Oberfläche (16) etwa dem Zwei- bis Fünffachen der Tiefe der ersten Zone (20) entspricht.
- 5· Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis kt dadurch gekennzeichnet , daß die erste Zone (20) und?8/0703die Gate-Zone (24) die gleiche Konzentration von Ladungsträgern und die gleiche Tiefe aufweisen, und daß der Abstand zwischen der Kathoden-Zone (30) und dem zweiten PN-Übergang (26) an der ersten Oberfläche (14) etwa dem Zwei- bis Fünffachen der Tiefe der Gate-Zone (24) entspricht.
- 6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß angrenzend an die Anodenzone (54) und die zweite Oberfläche (52) ein im übrigen von der ersten Zone (56) umgebener Kathoden-Bereich (76) des ersten Leitungstyps vorgesehen ist, daß angrenzend an die Kathoden-Zone (60) und die erste Oberfläche (50) ein im übrigen von der Gate-Zone (58) umgebener Anoden-Bereich (78) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist und daß die erste Elektrode (84) auch den Anodenbereich (78) und die zweite Elektrode (85)auch den Kathodenbereich (76) elektrisch kontaktiert (Fig. 2).
- 7. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß innerhalb der Gate-Zone (58) eine einen ersten Abschnitt (70) des ersten Leitungstyps und einen zweiten Abschnitt (72) des zweiten Leitungstyps enthaltende Gate-Trigger-Zone (68) vorgesehen ist.
- 8. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Ballast-Widerstand (80) auch zwischen dem ersten PN-Übergang (62) undB09828/070 3- Λ/ξ -4·dem Kathodenbereich (76) und der zweite Ballast-Widerstand (82) auch zwischen dem zweiten PN-Übergang (64) und dem Anodenbereich (78) liegt.809878/0703
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