DE2758616A1

DE2758616A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2758616A1
Application number: DE19772758616
Authority: DE
Inventors: Jacques Mayer Assour; Theresa Irene Bates; John Robert Bender; John Manning Savidge Neilson
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1977-01-07
Filing date: 1977-12-29
Publication date: 1978-07-13
Also published as: US4292646A; IT1088746B; SE433276B; CA1080858A; JPS5751983B2; JPS5387184A; FR2377096A1; FR2377096B1; GB1562046A; SE7714186L

Description

Drv-Ing. Reimar König · Dip>.-lng. Klaus Bergen

Cecilienallee 76 A Düsseldorf 3O Telefon 45ΞΟΟΘ Patentanwälte

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-

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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-

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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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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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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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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

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RCA 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-

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fläche (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 , daß

die 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 k_t dadurch gekennzeichnet , daß die erste Zone (20) und

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die 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) und

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dem Kathodenbereich (76) und der zweite Ballast-Widerstand (82) auch zwischen dem zweiten PN-Übergang (64) und dem Anodenbereich (78) liegt.

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