DE2941021C2

DE2941021C2 - Halbleiterbauelement mit mindestens einer Emitter-Basis-Struktur

Info

Publication number: DE2941021C2
Application number: DE19792941021
Authority: DE
Inventors: Heinrich Dr.Rer.Nat. 6078 Neu-Isenburg Schlangenotto
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1979-10-10
Filing date: 1979-10-10
Publication date: 1985-07-04
Also published as: SE456464B; JPS5698864A; SE8006717L; DE2941021A1; JPH0434312B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit mindesten·, einer Emiiier-Bais-Siruktur nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es ist bekannt, daß für die Sperr-, Schalt- und Durchlaßeigenschaften von Thyristoren die Stromabhängigkeit der Stromverstärkungsfaktoren der Teiltransistoren von großer Bedeutung ist. Bei kleinen Strömen wie sie bei dt'/df-Belastung im Vorwärtssperrbereich als kapazitiver Strom und bei Wiederkehr der positiven Spannung nach Umkommutierung aus der Durchlaßphase infolge der noch vorhandenen Restladung auftreten soll die Summe der Stromverstärkungsfaktoren a_PSP + ß_NPV der Teiltransistoren wesentlich kleiner als 1 sein, damit der Thyristor durch diese Ströme nicht in den leitenden Zustand versetzt wird. Auch das Sperrvermögen vor allem in Vorwartsnchtung, ist bei gegebenen anderen Dimensionierungen um so größer, je kleiner die Stromverstärkungsfaktoren bei den auftretenden Sperrströmen sind. Bei den in der Durchlaßphase auftretenden größeren Stromdichten -oM die Summe a^_P + α_ν/,_% der an den ungesättigten Teiltransistoren definierten Stromverstärkungsfaktoren den Wert 1 dagegen möglichst weit überschreiten, damit die Durchlaßverluste klein sind Bei den durch negativen Steuerstrom ausschaltbaren GTO-Thyristoren bestimmt der α-Verlauf auch die hierfür spezifischen Ausschalteigenschaften, zi-sätzlich zum Zündverhalten, der d£//dr-Festigkeit, den Sperreigenschaften ^S und der Durchlaßspannung.

Die Stromverstärkungsfaktoren in Silizium-Bauelementen zeigen an sich schon bei kleinen Strömen einen Anstieg mit der Stromdichte, der jedoch bei so kleinen Stromdichten (10 * bis 10 ' A/cm²) erfolgt daß ein Thyristor mit diesem natürlichen Verlauf der Stromverstärkungsfaktoren bei weitem zu zündempfindlich ist (kleine diZ/dz-Festigkeit, große Freiwerdezeit, verkleinerte Sperrbelastbarkeit).

•to Es ist bekannt, daß der Anstieg von σ_/>ν. + _fl%,,_s in den gewünschten Bereich höherer Stromdichten verlegt werden kann (10 - bis 100 A/cm-), indem die Steuerbasis mit dem benachbarten Emitter in einem System von Shortungsstellen kurzgeschlossen wird. Tritt im Vorw^rtssperrzustand eine zeitliche Spannungserhöhung dU/üi auf, so kann der kapazitive Löcherstrom bis zu einer gewissen Grenze über die Shortungsstellen abfließen ohne daß der pn-Ubergang wischen Emitter- und Steuerbasis so weit vorwärts gepolt wird, daß der Thyristor zündet Auch eine Verkürzung der Freiwerdezeit wird durch die Shortung erreicht, da bei Wiederkehr der positiven Spannung nach Umkommutierung ein Teil der in der Struktur noch vorhandenen Löcher ebenfalls in die Shortungsstellen abfließen kann und somit nicht zum Wiederzünden beiträgt. Im Prinzip wird durch die Shortung der effektive Stromverstärkungsfaktor a_w,_N,„ des NPN-Teiltransistors bei kleinen Strömen praktisch gleich Null gemacht, wahrcnu <7_V,_%„, bei größeren Strömen schnell auf den ohne Shortung gegebenen Wen ansteigt (Solid State Electr Bd. 8. 1965. S. 655-671).

Die Shortung bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Ihre Wirksamkeit nimmt ab mit dem Flächenwiderstand der P-Basis, den man aus verschiedenen Gründen (N-Eir itterwirksamkeit. Ausräumen der Ladung beim Umkommutieren, Vorwärtssperrvermögen) vorzugsweise größer als 200 < J wählt. Zur Erreichung einer genügendenShortungswirksamkeitmußderAbstandderShortungspunktedaherkleingewähltwerden ζ B 500 ,m Da der in einem bestimmten Umkreis um die Shortungsstellen gelegene Teil des N-Emitters bei Durchlaßbelastung mehl oder nur sehr wenig zur Stromführung beiträgt, wird dadurch zunächst schon die Flächenausnutzung der Bauelemente reduziert. Ein wesentlicher Nachteil einer sehr dichten Shortung ist besonders, daß dadurch die Zundausbreitung beim Einschalten verlangsamt und behindert wird, derart, daß die gezündete llaYhe sich bei einer Frhöhung des Laststromes sprunghaft ausdehnt, wodurch sogenannte »springende- Kennlinien enlstehen hin anderer Nachteil besteht darm, daß beim Umkommutieren während der negativen Spannunusphase άμ P-Zonenbereiche unter den Shortungsstellen Löcher injizieren, so daß die Ausschaltverluste vergrößert werden und es bei sehr schnellem Umkommutieren durch Aurschmelzen eines Kanals in dem Halbleiterbereich unterdcn Shortungsstellen zur Zerstörung des Bauelements kommen kann (Forschungsbericht T76-24 Bundcsminislcrium f. Forschung und Technologie, Dez. 1976).

^b5 u^{inC Sl!lrkC Shorlun}8 ^{an den} Emitterrändern, die Tür eine Störzündung bei di//d/-BeIastung und bei Wicderkehr der positiven Spannung nach Kommutierung besonders kritisch sind, hat außerdem den Nachteil daß der zum Zünden erforderliche Steuerstrom zu stark heraufgesetzt wird. Aus diesen Gründen ist die Verdichtung der Shortung bei Thyristoren für eine Herabsetzung der Freiwerde-

zeit unter ein bestimmtes Maß und eine Erhöhung der di//df-Festigkeit über eine bestimmte Grenze kein geeignetes Mittel mehr.

Bei Thyristoren, die durch negativen Steuerstrom ausschaltbar sind (GTO's) oder deren Freiwerdezeit durch negativen Steuerstrom verkürzt werden kann (GATO-Thyristoren, gate assisted turn-off) ist eine Shortung der Steuerbasis mit dem benachbarten Emitter an sich schon zur Kontrolle des Stromverstärkungsfaktors ungeeignet, weil dadurch der negative Steuerstrom weitgehend unwirksam gemacht wird. Die Talsache, daß man den Stromverstärkungsfaktor σ_Ν/.\ über der Steuerbasis beim GTO-Thyristor nicht durch Shortung bei kleinen Stromdichten klein und erst bei höheren Stromdichten stark ansteigen lassen kann, wirkt sich auf die di.'/d/-Belaslbarkeit aowie auf den zulässigen Spannungsanstieg beim Ausschalten des Bauelementes nachteilig aus. und zwar insbesondere auf die Heißwerte dieser Größen. Weiter hat sie zur Folge, daß das Vorwärtssperrvermögen U₈₁, beim GTO-Thyristor kleiner ist als die maximale Rückwärtssperrspannung Up₁-. ■ Eine Shortung des P-Emitters mit derauf schwimmendem Potential befindlichen N-Basis zieht den Verlust des Rückwärtssperrvermögens nach sich.

Bei Thyristoren mit inversem Schichtaufbau (schwach dotierte P-Hauptbasiszone, N-Steuerbasiszone) ist der erwähnte, auf die Shortung zurückgehende Zerstörungsmechanismus schon bei relativ kleinen Ausschaltbelastungen wirksam. Unter anderem aus diesem Grunde hat sich der Thyristor mit inversem Schichtaufbau bisher in der Praxis nicht eingeführt, obwohl ein solcher Thyristor ohne Shortung gegenüber dem konventionellen Schichtaufbau den Vorteil eines schnelleren und verlustärmeren Ausschaltens aufweist (Forschungsbericht T76-24, Dez. 1976, Bundesministerium f. Forschung und Technologie).

Es ist auch bekannt, daß man die Freiwerdezeit reduzieren und die dt//d/-Belastbarkeit herp fsetzen kann, indem man durch Einbringen von Rekombinationszentren die Minoritaisirägeriebensdauer verkleinert. Eine Verringerung der Minoritatsträgerlebensdautr unter eine bestimmte Grenze hat jedoch den Nachteil hoher Durchlaßverluste. Ein Rekombinationszentrum, das schon durch die Variation der Lebensdauer den gewünschten Anstieg der Stromverstärkungsfaktoren bewirkt, ist bisher nicht bekannt.

Aus der DE-OS 24 61 207 ist ein Thyristor mit EmitterkurzschF'Ssen bekannt, der zwischen Emitter- und Basiszone eine zusätzliche, schwach dotierte Zone aufweist. Durch diese Zone soll ein einwandfreies und sicheres Abschalten des Thyristors ermöglicht werden. Der Druckschrift ist auch noch der Hinweis zu entnehmen, daß die Störsicherheit des Thyristors verbessert werden kann, indem die Dotierung und Breite der Zwischenzonc so gewählt werden, daß der Stromverstärkungsfaktor des entsprechenden Teiltransistors erst bei höheren Strömen ansteigt als bei konventioneller Bauweise. Diese Bemessung ist jedoch bei gleichzeitiger Shortung vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs definierte Halbleiterbauelement derart auszubilden, daß die Emitterwirksamkeit in Abhängigkeit von der Stromdichte gezielt herzustellen ist und damit ggf. eine Shortung nicht oder nur in beschränktem Umfang notwendig ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmaie des Anspruchs gelöst.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einem Thyristorbauelement bei Wegfall der Shortung die Zündausbreitung beim Einschalten schneller und nicht mehr sprunghaft erfolgt, so daß die Durchschaltgeschwindigkeit erhöht wird und »springende« Kennlinien nicht mehr auftreten. Infolfo Wegfalls der nicht stromführenden Bereiche um die Shortungsstellen ist das Bauelement bei gegebener Fläche mit einem höheren Durchlaßstrom belastbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß beim Umkommutieren während der negativen Spannungsphase nur der an die Shortungsstellen gebundene Transistormechanismus nicht mehr auftritt, so daß das Bauelement durch Vermeidung der Stromkanäle eine höhere Ausschaltverlustarbeit verträgt. Zusätzlich wirkt sich vorteilhaft aus, daß während dieser Betriebsphase durch Shortungssiellen keine Ladungsträger injiziert werden, so daß die Ausschaltverlustarbeit, die Rückstromspit/e und das Rückstromzeitintegral verkleinert werden. Die Heraulsetzung des Sperrvermögens durch die Zwisi-henzone verstärkt +5 den vorstenend beschriebenen Effekt infolge späteren Einsatzes der Lawinenbildung bei Erreichen der Sperrspannung der Emitter-Basis-Struktur. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei einem Halbleiterbauelement mit einer weitmaschigen Shortung dynamische Eigenschaften zu erzielen sind (diZ/df-Fesügkeit, Freiwerdezeit), die bei bekannten Thyristoren nur durch eine sehr dichte Shortung mit den erwähnten Nachteilen erreichbar sind Bei durch negativen Steuerstrom ausschaltbaren Thyristoren (GTO) und Thyristoren, deren Freiwerdezeit durch negativen Steuerstrom verkürzt werden kann (GATO), und bei denen sich eine kathodenseitige Shortung verbieten ist es nunmehr erst möglich, den Stromverstärkungsfaktor des steiierbasisseitigen Teiltransistors bei kleineren Stromdichten klein zu machen und in einem ι ^wünschten Stromdichtebereich stark ansteigen /u lassen Dadurch wird die d67d/-Belastbarkeit sowie der zulässige Spannungsanstieg beim Ausschalten dieser Bauelemente erhöht Durch die Abnahme der Summe der beiden Strom, ^rstärkunastaktoren mit abnehmendem Strom wird bei gegebenem Dur-hlaßspannungsabfäll auch die Ausschaltversiarkung erhöht. Auch rückt das Vorwärtsspem ermögen Jes GTO-Thyristors und des GATO-Thyristorsan das Rückwärtssperrverniögen heran und zeigt eine erhöhte Tempfraturstabilität. Die Erfindung ist au':h mit Vorteil auf Thyristoren mit inversem Schichtaufbau anwendbar Die genannten Vorteile ergeben sich ohne Shortung und ohne die Anwendung einer so hohen Rekombinationszentrendichte, daß überhöhte Darchlaliverluste entstehen.

Darstellung der Erfindung

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

Fig. 1 einen Teilquerschnitt einer Thyristorstruktur mit dem zugehörigen Verlauf der Dotierungskonzentrationen und der Minoritatsträgcrkonzentrationen bei Belastung im Vorwärtssperrbereich,

Fig. 2 in einem Diagramm das Verhältnis der Minoritälsträgerkonzentration in der Zwischenzone schwacher Dotierung zur Minoritätsträgerkonzentration in der Basiszone an der Emitterseite als Funktion der ersteren Minoritätsträgerkonzentration,

Fig. 3 ein Diagramm, in welchem die Abnahme des Elektronenstroms in Richtung vom Emitter zum Kollektorübergang bei einer kleinen und einer hohen Stromdichte dargestellt ist,

Fig. 4 ein Diagramm mit dem Vorlauf der Emitterwirksamkeiten bei einem bekannten geshorteten Emitter und einem Halbleiterbauelement mit der zwischen Emitter- und Basiszone angeordneten schwach dotierten Zwischenzone ohne Shortung,

Fig. 5 ein Diagramm mit den Emitterwirksamkeiten bei einem bekannten geshorteten Emitter, einem HaIbleiterbauelement mit und ohne ShDrtung,

F i g. 6 einen Teilquerschnitt einer Thyristorstruktur mit PN" N-Basis und der Zwischenzone schwacher Dotierung zwischen kathoden- und anoc enseitigem Emitter und den jeweils benachbarten Basiszonen,

Fi g.7 einen Teilquerschnitt einei Thyristorstruktur mit mesaförmiger Ausbildung dergateseitigen und äußeren Randzone,
Fig. 8 einen Teilquerschnitt einer planaren Thyristorstruktur, |

Fig 9 einen Teilquerschnitt einer Transistorstruktur mit der Zwischenzone schwacher Dotierung zwischen I

Emitter und Basiszone und K

Fig 10 ein Diagramm zum Stromverstärkungsfaktor des Transistors.

"Wie aus Fig. ia ersichtlich, besteht die Thyristurstrukiui au:> einet N'-Emitterzone 1 einer P-Steuerbasis- j

zone 2, einer zwischen den Zonen 1 und 2 angeordneten I-Zone 3 mit wesentlich schwächerer Dotierungskon- |

zentrationen, einer N-Hauptbasiszcne 4 und einer P-Emitterzone 5. Die äußeren Zonen 1 und 5 sind mit einem *

metallischen Kathoden- und Anodenkontakt 6, 7 versehen. Im Gegensatz zu den üblichen Thyristoren sind !

Kurzschlüsse der N'-Emitterzone I mit der P-Steuerbasiszone 2 (Shortungsstellen) nicht vorhanden. j

Wie aus dem Verlauf der Dotierungskonzentration in Fig. Ib ersichtlich, ist die Dotierungskonzentration j

/V₁, · (3i der I-Zone 3 klein gegen di·; Dotierungskonzentration N₄- (2) und N₀* (\) der benachbarten P-Steuer- )

basis- und N'-Emitterzonen. Die schwach dotierte I-Zone 3 ist als η-leitend angenommen, sie kann jedoch auch i.

p-leitend sein. Wesentlich ist nur, daß die Zonen 2,3 und 1 eine unsymmetrische PSN-Struktur darstellen. Die L

Zonen 1,2,4 und 5 weisen an sich b skannte Verteilungen der Doties vngskonzentration auf. Die Dotierungskon- f'

zentration /V₄-(2) der P-Steuerbasiszone 2 reicht in die Größenordnung 10^lf7cm' bis 10"/cm³. L

Die vorstehen^; und nachfolgend in Klammern nachgestellten Ziffern verweisen auf die entsprechenden ^

Zonen. ij

In F i g. Ib sind weiter die Minoritäts- und Majoritätsträgerkonzentrationen in den Zonen üer vorwärtsgepol- p

ten Thyristorstruktur für den Fall eingetragen, daß die beiden Teiltransistoren des Thyristors sich im ungesättig- j

ten Zustand befinden Es ist angenommen, daß die Minoritätsträgerkonzentrationen p(3) in der I-Zone 3 ;_f

wesentlich größer ist als die Dotierungskonzentration N₀* (3 >, so daß die Minoritätsträgerkonzentration ρ (3) nur ii

wenig kleiner ist als die Majoritätsträgerkonzentration n(3) = ρ (I) + N₀* (3) der Zone 3. Die Minoritätsträger- ί

kop.ientrationen .*!{2) in der P-Basitzone 2 und ρ(I) in der N*-Emitter7one 1 sind klein gegen die Dotierungs- f*

konzentrationen .V₄ (2) bzw. N₁,' (I). Die Werte von N₄- (2) und n(2) in der Zone 2 am Rand zur I-Zone 3 hin |>

sind mit V₁ _R (2) bzw n_R{2) bezeichnet. Dargestellt sind auch die Minoritäts- und Majoritätsträgerkonzentra- If,

tionen n(4),/j(4i und die Dotierungskonzentration N₀* (4) in der N-Hauptbasiszone 4 sowie die Minoritäts- und S

Majoritätsträgerkonzentrationen ni5), p(5) in der P-Emitterzone 5. ^*

Aus der F ig. 2 ist ersichtlich, wie das Verhältnis der Minoriiätsträgerkonzentration ρ (3) in der I-Zone 3 zu der !·

Minoritäts;ragerkonzentration n_R (2) in der P-Basiszone 2 am emitterseitigen Rand zur I-Zone 3 von der Minori- !

tätsträgerkonzentration pO) abhängt. Der dargestellte Verlauf ergibt sich unter Benutzung der Gleichung i:

\

/>'3> ₌ .V_{1 Λ}(2) + /_ί;ί(2) ₍₁₎ S;

n„\2\ N_n O) + ρ (3) I

die unter der Voraussetzung gilt, daß das Produkt np an den Dotierungsübergängen konstant ist. Wie ersichtlich, |

ist bei überall schwacher Injektion die Minoritätsträgerkonzentration ρ (3) in der I-Zone 3 um das Dotierungs- |

verhältnis V, ,,[I)ZN₁,- (3)an demN*I-Emitter-P-Basis-Übergang, dasz. B. gleich 350 ist, größer als die Minori- |

tätsträgerkonzentration n_R (2j in der P-Zone 2 am Rande zur I-Zone hin. Vom Bereich überall schwacher Injek- |

tion über den Bereich hoher Injektion in der I-Zone 3 bis zum Bereich hoher Injektion in der I-Zone 3 und der P-Zone 2 nimmt p(3)/n_Ä (2) von N₄ - _K (2)1N₀* (3) über N_4R(2)/p(3) bis auf 1 ab. Aus der Figur geht auch hervor, daß die stärkste Abnahme in dem Bereich hoher Injektion in der I-Zone 3, aber noch schwacher Injektion in der P-Zone 2 erfolgt Ein analoger Verlauf gilt für das Verhältnis der Minoritätsträgerkonzentration /?{3) zur Minoritätsträgerkonzentration p_Rl\) in der N^-Zone 1 am Rande zur I-Zone3 hin.

Daraus, daß die Dotierungskonzentration Ν_υ* (3) in der I-Zone 3 klein ist gegen die Dotierungskonzentrationen N, (2), N_n ■ (1) der benachbarten Zonen, folgt also, daß das Verhältnis der Minoritätsträgerkonzentration in ι 60 der I-Zone 3 zu den Minoritätsträgerkonzentrationen in den benachbarten Zonen 1 und 2 bei kleinen Strömen

j groß ist und mit steigendem Strom abnimmt.

Durch die Minoritätsträgerkonzentration n_R (2) ist der vom N*I-Emitter i, 3 in die P-Zone 2 injizierte Elektronenstrom j„_R (2) bestimmt. Aus den Minoritätsträgerkonzentrationen p(3) und n_R (2) ergeben sich durch Division mit der Mjnoritätsträgerleben«;dauer und Integration die Rekombinationsstromdichten j_r (3) undy,(l) der Zonen 3 und 1 Die Gesamtstromdichte ; isigleich derSumme von/.» (2),./. (3) und/,ίΐ). Ausder Abnahmedes Verhältnisses/j(3)/n_Ä (2) (Fig. 2) folgt auch eine Abnahme des Verhältnisses des Rekombinationsstromsy_r(3) in der i-Zone 3 zum Injektionsstrom j„_R (2) mit steigender Injektion.
Die Verhaltnisse werden anhand der Fig. 3 näher erläutert, in welcher die Abnahme der Elektronensirom-

dichte von der N'-Emitle.rzonc 1 bis zur Kollektorsperrschicht /.wischen P-Sleuerbasiszone 2 und N-IIauplhiisis/onc 4 (.v = 0) dargestellt ist. Bei einer großen Stromdichte j, (100 A/cnr) nimmt der Elcktronenslrom./,,? bis zur Kollektorspcrrschicht (.v = 0) nur relativ wenig ab; insbesondere ist die Abnahme des l-lektroncnslromes ,/„ über der 1-Zonc 3 um den Rekombinationsstrom./,..> (3) gering. Bei der Stromdichte 10 Vcnr ist die Abnahme des EIcktroncnstromes um den Rekombinationsstrom./,ι (3) über der I-Zonc 3 jedoch so groß, daß der in die ^-Steuerbasiszone 2 injizierte Elektronenstrom j_nH (2) und der an der Kollektorspcrrschicht bei .v = 0 ankommende Elektronenstrom./,,! klein gegen die Gesamtstromdiche/i ist.
Di.iJus folgt, daß die Emitterwirksamkeit des aus den Zonen 1 und 3 gebildeten N'!-Emitters

(2)

JnR (2)

(2)+7,(3)+7,11)

(2)

π (2) π (3;

(3)

wobei w die Dicke der Zone 3, r die Minoritätsträgerlebensdauer und /; = ρ + AV die Majoritätsträgerkonzentration in der I-Zone 3 bedeuten, während h (2), h(\) Injektionsparameter der P-Basiszone 2 und der N⁺-Emitterzone 1 sind, die so definiert sind, daß der Injektionsstrom j„_R (2) in die P-Basiszone 2 durch

j„_K (2) = q h (2) N_{A K} (2) n_R (2) = q h (2) ρ (3) /; (3)

(4)

und der Injektionsstrom in die N*-Zone 1 analog gegeben ist (q Elementarladung). Bezüglich der Injektionsparameter wird auf die Zeitschrift »Sol. State Electr., Bd. 22, 1979, S. 293-301«, verwiesen. Für eine homogen dotierte P-Basiszone 2 ist

I^s- ^{(2) coth} -T-L„ L_n

(5)

Yu =

fi(2)N_D.{3)

V₀. (3)

bis maximal zu dem Wert Λ (2)

y- =

h (2)

der ohne I-Zone 3 die Emitterwirksamkeit darstellt.
Als Funktion der Gesamtstromdichtey ist die Emitterwirksamkeit des N⁺I-Emitters gegeben durch

VI/4 + 2J/JU2- 1/2 ,

Y = Yo + — (>"<» - Yo) -

νΊ/4 + 277/,,2+ 1/2

Bei der Stromdichte

Whl\h (2) + h (I)])²

(6)

(7)

(8)

(9)

h 12) = Wh(I) = 5 x 1O¹³CmVs

zugrunde gelegt, wobei der h (2)-Wert einem Flächenwiderstand der P-Zone 2 von 500 Ii entspricht, der in die Verläufe C und D eingeht. Weiter gilt die Darstellung für folgende Bemessungsgrößen:

in dem technisch besonders interessanten Stromdichtebereich 10~² A/cm² <j< 10² A/cm² mit der Stromdichte stark ansteigt. Dieser Anstieg erfolgt durch die relative Abnahme des Rekombinationsstroms7'_r(3) in der I-Zone 3.

Setzt man für eine annähernde Beschreibung die Injektion in der P-Basiszone 2 als schwach voraus, so ist die Emitterwirksamkeit des N*I-Emitters 1, 3 gegeben durch

30

wobei N₄ , D_n, L₁, Dotierungskonzentration, Elektronendiffusionskoeffizient und Elektronendiffusionslänge in der P-Basiszone 2 bedeuten und w deren Dicke bezeichnet.

Gleichung 3 steüt die EmiüerwirksamkeU y des N*l-F.mjtters als Funktion der Majoritätsträgerkonzentration η in der I-Zone 3 dar. γ steigt mit zunehmendem /i (3) an, und zwar von dem unteren Grenzwert

40

45

50

ist γ = (y„ + y„)/2. In der Umgebung dieser Stromdichte ist der Anstieg der Emitterwirksamkeit am stärksten. Die in Fig.4 dargestellte Emitterwirksamkeit y als Funktion der Stromdichte./ ergibt sich für die Verläufe A und B aus Gleichung 8. Die Verläufe C und D gelten für einen geshorteten Emitter nach dem Stand der Technik, wobei C die maximale Emitterwirksamkeit ys/,_max an den von den Shortungsstellen am weitesten entfernt liegenden Punkten und der Verlauf D die über die Fläche gemittelte Emitterwirksamkeit y_s/, darstellt Bei allen Strukturen wurde für die Injektionsparameter

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Verlauf/):

iv/τ = 1000 cm/s

Dotierungskonzentration /V₀+(3) = 5 X 10¹⁴/cm³

Verlauf B:

H'/r = 3000 cm/s

Dotierungskonzentration Ν_υ*{2ι) = 1 X 1O¹⁴ZCm³

Verläufe C und D:
lü Abstand der Shortungsstellen 2A= 500 am

Ein Verhältnis iv/r von 1000 cm/s bei Verlauf/i kann mit einer Dicke w von etwa 1 bis 5 -im und einer Minoritätsträgerlebensdauer von 0,1 ;js bis 0,5 \±s eingestellt werden. Bei Verlauf B wählt man beispielsweise eine Dicke irvon 1 _:itn bis 10 im bei einer Minoritätsträgerlebensdauer von 0,033 ^s bis 0,33 us, um auf ein Verhältnis w/t von 3000 cm/s zu kommen.

Wie ersichtlich, nimmt die Emitterwirksamkeit y der N*IP-Struktur (Verläufe, A, B) in dem technisch für Thyristoren interessanten Stromdichtebereich von 10~² bis 100 A/cm² stark zu. Bei einer Thyristorstruktur nach Fig. i ist somii ohne Shortung eine hohedc/Vdr-Fesiigkeu und kieine Freiwerde^eii bei kleinem Duichiaßspäfinungsabfall erreichbar. Wie die Beispiele A und B zeigen, kann der Bereich des starken Anstiegs der Emitterwirksamkeit γ durch die Auslegung der Zone 3 nach Wunsch gewählt werden. In dem Beispiel B ist γ für kleine Ströme nahezu gleich Null, wodurch bei einer Thyristorstruktur nach F i g. 1 zusätzlich der Vorteil erreicht wird, daß das Vorwärtssperrvermögen gleich dem Sperrvermögen in Rückwärtsrichtung ist. Bei der Bewertung des langsameren Anstiegs von y eines nichtgeshorteten gegenüber einem geshorteten Emitter ist zu berücksichtigen, daß bei diesem für eine Zündung die maximale Emitterwirksamkeit an den von den Shortungspunkten am weitesten entfernten Stellen maßgebend ist (Verlaufe, Fig. 4), während es Tür die Schnelligkeit des Durchzündens und Tür die Durchlaßspannung mehr auf die über die Elementfläche gemittelte Emitterwirksamkeit (Verlauf D, Fig. 4) ankommt, die wesentlich kleiner als die maximale Emitterwirksamkeit (Abstand P₁ -P_n, Fig. 4) ist. Bei einer homogenen Aufzündung der Struktur entfällt dieser Unterschied.

Während die Injektionsparameter h (2) und Λ (1) im allgemeinen so einzustellen sind, daß y„, nahe an 1 herankommt (Gleichung 7), sind iv/r und Dotierungskonzentration N_n* (3) der Zone 3 so auszulegen, daß y_u (Gleichung 6) wesentlich kleiner als y„ ist und der Anstieg von y in dem gewünschten Stromdichtebereich erfolgt. Um vorgegebene Werte für y₀, y~ undy,_/2 zu bekommen, ist wft und N_n* (3) nach folgenden Gleichungen zu wählen:

_H./r = (l - -&Λ ] "^{(2) + /l(1)} Jiä- (10)

V J l 2

Yc - Y₀ Il (2j

Besonders wichtig is., dabei der Fall y₀ < y„. Das Verhältnis w/τ ist dann nach Gleichung 10 durch die Stromdichte j_u2 des stärksten Anstiegs y bestimmt, /V₀* (3) ist nach Gleichung 11 proportional y₀ ^und wA. Soll y₀ < 1/2 }■„ sein, so muß nach den Gleichungen 6 und 7
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ir/(riV(3))>A(2) + Λ(1)

Der Wert y„ = h (2) / [h (2) + /; (1)] kann praktisch bis zum Übergang von schwacher zu hoher Injektion in der P-Basiszone 2 [n(3j «Mi «(2)] nicht ganz erreicht werden. Da die Variation von ρ(3)/n_R (2) und der darauf zurückgehende Anstieg von y beim Übergang zu hoher Injektion in der P-Basiszone 2 schwach wird (Fig. 2), ist jedoch im allgemeinen zu fordern, daß y bei η (3) = N_A - _R (2) in Gleichung 3 wenigstens die Größenordnung von Y„ erreicht, da sonst die Zwischenzone 3 den Stromverstärkungsfaktor bei hohen Strömen zu sehr reduziert. Verlangt man

_yJ2,

so folgt aus Gleichung 3 die Bedingung
h/t <[h(2) + Ιι(\)}Ν_Α-_κ{2).

Insgesamt soll die Auslegung der Zone 3 demnach die Bedingung
[A (2) + A(I) /V₀₊(3) η·Λ<[Α (2) + k (I)] N_A-_R(2)

erfüllen.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich also, daß durch Einstellung der Dotierungskonzentration N_n* (3y, der Dicke iv und der Minoritätsträgerlebensdauer r der schwach dotierten Zone 3 erreicht ist, daß der

von όάτ Emitterzone 1 injizierte Elektronen- oder Löcherstrom bei kleinen Stromdichteny, zu einem wesentlichen Teil Uri O)] durch Rekombination in der schwach dotierten Zone 3 verschwindet und bei großen Stromdichten J₁ weniger verändert die schwach dotierte Zone 3 und die anschließende Basiszone 2 durchfließt (Fig. 3). "

Die als I-Zone ausgebildete Zwischenzonc kann bei Thyristoren auch zusammen mit der an sich bekannten Shortung verwendet werden. Durch diese Kombination ist ein weiterer Freiheitsgrad in der Kontrollier'arkeit von Stromverstärkungsfaktoren gegeben. Durch eine relativ weitmaschige Shortung lassen sich so in Verbindung mit der 1-Zone 3 Schalteigenschaften (diZ/df-Belastbarkeit, Freiwerdezeit) erzielen, die ohne die Zone 3 nur mit einer sehr viel dichteren Shortung und den damit verbundenen Nachteilen erreicht werden können. Dies wird nachstehend anhand der F i g. 5 erläutert, in der für drei Beispiele die Emitterwirksamkeii als Funktion der Stromdichte dargestellt ist; wie bei den in Fig. 4 zugrundegelegten Strukturen sind für die Injektionsparameter der P-Basiszone 2 und der N*-Emitterzone 1 die Werte

//(2) = 10/i(l) = 5 x 10 "cm'/s

15 und für den Flächenwiderstand der P-Basiszone 2 ein Wert von 500 ii gewählt.

Der Verlauf E gilt für ein Halbleiterbauelement ohne Shortung, wobei für die 1-Zone 3 das Verhältnis der Dicke zur Minoritätsträgerlebensdauer w/t = 2000 cm/s und die Dotierungskonzentration

/V₀* (3) ■- ! x 10'Vcm¹

gesetzt wurde. Wie ersichtlich, ist die Emitterwirksamkeit γ Tür kleine Ströme = 0,2 und steigt ab etwa 1 A/cm² stark an.

Um ein möglichst hohes Sperrvermögen einer Thyristorstruktur nach Fig. 1 zu erhalten, ist es erforderlich, den Stromverstärkungsfaktoren des steuerbasisseitigen Teiltransistors für kleine Ströme (Sperrströme) bis nahe Null zu verringern. Dies wird bei einem Thyristor durch eine weitmaschige Shortung erreicht, wie aus dem Verlauf /-'hervorgeht, dem ein Abstand der Shortungsstellen von 2 mm zugrunde gelegt ist. Die Stromdichtegrenze j = 5 x 10 ² A/cnr\ unterhalb der « praktisch verschwindet, ist für eine Stabilisierung der Sperreigenschaften groß genug. Die Stromdichte, bei der die Emitterwirksamkeit im Falle F Werte (« 0,5) erreicht, die zu einer Zündung des Thyristors führen, da üie Summe der Stromverstärkungsfaktoren den Wert 1 überschreitet, liegt dagegen um etwa zwei Zehnerpotenzen höher. Daher wird trotz der geringen Shortung eine hohe dt//d/-Festigkeit und eine kleine Freiwerdezeit erreicht. Demgegenüber ergibt sich aus dem Verlauf G ohne die I-Zone 3, daß die Zündbedingung bei wesentlich kleineren Stromdichien (« 0,2 A/cm²) erreicht wird. Ein zu ^ähnlicher Verlauf ist auch ohne Shortung erreichbar, wie der Verlauf B in Fig. 4 zeigt. Die in Fig.5 zugrundegelegte Dotierungskonzentration N_n- (3) ist jedoch technisch einfacher einstellbar.

Bei dem vorstehend erläuterten Anstieg der Emitterwirksamkeit y und damit des Stromverstärkungsfaktors wurde die Minoritätsträgerlebendsdauer in der I-Zone 3 und der P-Basiszone 2, d. h.- w/i und h (2), als konstant vorausgesetzt. Ein steilerer Anstieg des Stromverstärkungsfaktors ist erreichbar durch einen Anstieg der Minoritätsträgerlebensdauer in der I-Zone 3 und der P-Basiszone 2 mit der Injektion. Die durch Rekombination an Zentren mit tiefen Energieniveaus in der Bandlücke bestimmte Minoritätsträgerlebcnsdauer steigt in vielen Fällen mit der Minoritätsträgerkonzentration an, wobei der Hauptanstieg der Lebensdauer typischerweise in einem Bereich der Minoritiitsträ^rkonzentnitiQn erfo!°t der nach oben bis etwa den Faktor 3 über die Dotierungskonzentration [/V₀+ (3), /Vj - (2)] hinausreicht. Ein Anstieg der Minoritätsträgerlebensdauer in der I-Zone 3 erfolgt daher schon bei sehr kleinen Stromdichten und führt zu einem steileren Anstieg der Emitterwirksarn's ?it als Funktion vony bei kleineren Werten von y. Ein Anstieg der Lebensdauer in der P-Basiszone 2 erfolgt erst bei höheren Stromdichten. Dieser hat zwar über eine Verkleinerung von h (2) (Gleichung 5) eine Verkleinerung des anstiegs von y (J) im Bereich oberer y-Werte zur Folge; jedoch steigt der Stroinverstärkungsfaktor

a.\+ip\ =ß{2) y\*ip (12)

infolge Vergrößerung des TansportfaktorsjS (2) stärker an als bei konstanter Minoritätsträgerlebensdauer. Während der Einfluß einer Lebensdauervariation in der P-Basiszone 2 in typischen Fällen, in den β (2) nahe an I herankommt, nur gering ist, kann der Anstieg des Stromverstärkungsfaktors c_v ⁺//'s durch einen Anstieg der Minoritätsträgerlebcnsdauer in der I-Zone 3 merklich steiler gemacht werden.

Wie aus der Fig. 6 ersichtlich, kann bei Thyristoren mit PN"N-Basisstrukturen (PIN-Thyristoren) die I-Zone 3' auch zwischen P-Emitterzone 5 und der im allgemeinen aufschwimmendem Potential befindlichen NN -Basiszonen 4,4' oder wie dargestellt in beiden Teiltransistoren angeordnet sein. Durch die zweite P-Zone 3' kann das Vorwärts- und Rückwärtssperrvermögen bis auf das der entsprechenden Gleichrichterstruktur erhöht und der Temperaturbereich, in welchem volles Sperrvermögen gewährleistet ist. über 125° C hinaus ausgedehnt werden. Bei dieser Struktur ist auch eine weitmaschige Shortung der N" -Emitterzone 1 vorgesehen. Mit K ist der Kathodenanschluß und mit A der Anodenanschluß bezeichnet.

Wie aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich, kann die Ausbildung der Zone 3 am Emitterrand zum Gate G und zum äußeren Rand 5 hin mesaförmig oder planar sein. Das Gate G befindet sich bei der mesaförmigen Ausbildung nach Fig. 7 in Höhe der Grenzfläche zwischen P-Basiszone 2 und I-Zone 3, bei der planarer. Ausbildung nach Fig. 8 in Höhe der N⁺-Emitteroberfläche. Die Zonenfolge im Inneren stimmt mit der in Fig. la überein.

Der für Störzündungen besonders anfällige Thyristorbereich in Gatenähe kann zusätzlich störunanfäüiger gemacht werden, indem nach Fig. 7 die I-Zone 3 am gateseitigen Rand bis zu einer bestimmten Breite 8 nicht mit der N*-Emitterzone 1 bedeckt wird.

Die N" IP- und PIN-Strukturen 2,3,1 und 5,3', 4 sind auch als Emitter-Basis-Slrukturen bei GTO-Th> stören anwendbar.

Durch Auslegung der I-Zone 3 kann zunächst der Strom, bei dem die Summe der beiden Stromverstärkungsfaktoren den Wert 1 überschreitet (Zündempfindlichkeit, di//di-Festigkeit, Einraststrom) günstig gewählt werden. Dadurch, daß im Gegensatz zum GTO-Thyristor nach dem Stand der Technik die Summe der Strom verstärkungsfaktoren ε jnmehr unterhalb dieses Stromwertes bis auf nahezu Null abfallen kann (siehe F i g. 4), wird das Sperrvermögen vor allem bei erhöhten Temperaturen verbessert. Das hat auch eine erhöhte di//d/-Belastbarkeit und eine höhere zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Abschalten bei erhöhter Temperatur zur Folge. Durch den Abfall der σ-Summe im Durchlaß mit abnehmendem Strom oder infolge Absenkung der ίο Ladungsträgerkonzentration durch negativen Gatestrom wird eine höhere Ausschaltverstärkung

erreicht.

Die Fig. 9 zeigt eine Transistorstruktur für Schalteranwendungen, bei der zwischen N*-Emitterzone 1 und

P-Basisznne 2 die schwach dotierte I-Zone 3 angeordnet ist. Der P-Basiszone 2 folgen eine N-Zone 4 und eine N"-Zone 9. Mit Eist der Emitteranschluß, mit Cder Kollektoranschlaß und mit B der Basisanschluß bezeichnet.

Der Stromverstärkungsfaktor dieser Transistorausbildung ist bei kleinen Strömen klein und steigt noch im Bereich kleinererStröme, in dem die Schalteigenschaften unkritisch sind, aufden bei höheren Strömen (> 1 A/ cm^:) eingestellten Stromverstärkungsfaktor an. Dies ist in den Fig. 10a und 10b für den Stromverstärkungsfaktor h,, in Emitierschaltung dargestellt. Die Fig. 10b zeigt den Anstieg des Stromverstärkungsfaktors im Bereich kleiner Ströme für ein Halbleiterbauelement remäß der Erfindung (Verlauf/i), wie auch für einen Transistor nach dem Stand der Technik (Verlauf B). Die Schnittpunkte der Verläufe A und B mit der ft_f£-Achse sind in beiden Figuren mit C und D bezeichnet.

Bei dem Transistor nach dem Stand der Technik hat der hohe Stromverstärkungsfaktor bei kleinen Strömen eine Verkleinerung des Sperrvermögens U_Ei zwischen Emitter und Kollektor unter die maximale Sperrschaltung L'_Bi zwischen Basis und Kollektor zur Folge, wobei U_n oft bis um den Faktor 2 kleiner ist als U_Bl . Wegen des kleinen Stromverstärkungsfaktors bei kleinen Stromdichten (Verlaufs ) wird bei dem Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung das Sperrvermögen U_El zwischen Emitter und Kollektor bis nahe an das Sperrvermögen U_Bl der Basis-Kollektor-Diode heraufgesetzt und eine bessere Stabilität erreicht.

Es ist bekannt, daß bei üblichen, als Schalter verwendeten Transistoren ein ähnlicher Effekt dadurch erreicht wird, daß Emitter und Basis durch einen äußeren oder integrierten Widerstand verbunden werden. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement hat demgegenüber den Vorteil, daß das Sperrvermögen zwischen Emilter- und Basisanschluß nicht verloren, sondern noch erhöht wird und daß wegen des Fehlens eines Parallelwidcrs'andes die erforderliche Steuerleistung geringer ist.

Die N* IP- und N*IN-Strukturen 1,3,2 und 5, 3', 4 sind mit Hilfe der Epitaxie herstellbar. Besonders eignen sich dazu Verfahren der Tieftemperaturepitaxie, da dann die Minoritätsträgerlebensdauer in der I-Zone 3 klein eingestellt werden kann, ohne die Lebensdauer in den P- und N-Basiszonen 2, 4 wesentlich herabzusetzen.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Halbleiterbauelement mit mindestens einer Emitter-Basis-Struktur, deren Emitterwirksamkeit bei kleinen Stromdichten klein ist und in einem gewünschten höheren Stromdichtebereich stark ansteigt, wobei zwischen der Emitterzone und basiszone der Emitter-Basis-Struktur eine Zone angeordnet ist, deren Dotierungskonzentration klein ist gegen die Dotierungskonzentration der benachbarten Emitter- und Basiszonen da durch ge kennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration N_D* (3) die Dicke w und die Minoritatsträgerlebensdauer τ der schwach dotierten Zwischenzone (3) nach vorgegebenen Werten der Emitterwirlrsamkeit Y₀ und y„ für kleine bzw. große Ströme und nach der Stromdichte./,^ gewähit sind, bei welcher die Emit-

terwirksamkeit den steilsten Anstieg haben soll, wobei das Verhältnis der Dicke w zur Minoritatsträgerfebensdauer r der schwach dotierten Zwischenzone (3) mindestens gleich dem Produkt aus der Summe der l'njektionsparameter h (2) und h (1) der benachbarten Zonen (1,2) und der Dotierungskonzentration N₀* (Ί) der schwach dotierten Zwischenzone (3) ist, jedoch kleiner als das Produkt aus der Summe der Injektionsparameter h (2) und A (1) der benachbarten Zonen (1,2) und der maximalen Dotierungskonzentration N₁ „(2)

der benachbarten Basiszone (2).