DE3046134C2

DE3046134C2 - Optisch zündbarer Zweirichtungs-Thyristor

Info

Publication number: DE3046134C2
Application number: DE19803046134
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl.-Phys. Dr. 6053 Obertshausen Silber
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1980-12-06
Filing date: 1980-12-06
Publication date: 1982-11-04
Also published as: DE3046134A1

Description

2. Optisch zündbarer Zweirichtungs-Thyristor jo nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung aus einer die hochdotierten, benachbarten Emitterzonen (3,4; 7,8) verbindenden Metallisierung (9, 10) besteht, die mittels einer isolierenden Schicht (11, 12) von der zugehörigen Basiszone (2,6) mindestens teilweise getrennt ist.

Technisches Gebiet

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Die Erfindung bezieht sich auf einen optisch zündbaren Zweirichtungs-Thyristor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Es ist bereits ein Zweirichtungs-Photothyristor bekannt, bei dem der Halbleiterkörper aus zwei Thyristor-Teilsystemen besteht, die mittels einer V-förmigen Ätzung durch das gesamte Bauelement gebildet sind (DE-PS 25 25 329). Erreicht wird hierdurch eine Entkopplung der beiden Teilsysteme, so daß ein Überdiffundieren des Ladungsträgerplasmas nach Stromführung des einen Teilsystems in das andere Teilsystem unterbunden ist und damit beim Umschalten eine mögliche Störzündung durch diese Ladungsträger verhindert ist. Durch die beiden getrennten Teilsysteme ist damit eine gute Kommutierungs-du/dt-Festigkeit erzielt. Durch die V-förmige Ätzung werden pn-Übergänge von aufeinanderfolgenden Dotierungszonen freigelegt, auf die in geeigneter Weise ein auslösender Lichtstrahl fällt.

Der bekannte Zweirichtungs-Photothyristor ist besonders zur Erzielung großflächiger Leistungsbauelemente geeignet. Die erforderliche Trennätzunj; stellt eine technisch relativ aufwendige Maßnahme dar; ferner muß ein bestimmter Winkel der Ausnehmung gewährleistet sein, um eine ausreichende Sperrfähigkeit des Bauelementes zu gewährleisten. Durch die Ätzung geht Raum und Material verloren, so daß die bekannte Ausbildung nur für großflächige Leistungsbauelemente sinnvoll verwendbar isL

Es ist auch ein Zweirichtungs-Thyristor bekannt, bei welchem die Entkopplung der beiden Thyristor-Teilsysteme mittels eines die Zonenfolgen durchsetzenden Volumenabschnittes erfolgt, welcher einer Elektronenbestrahlung ausgesetzt worden ist (DE-OS 28 05 813). Durch diese lokale Elektronenbestrahlung wird zwischen den beiden Teilsystemen zwar ein Bereich hoher Plasmarekombination erzeugt, so daß die Systeme gut entkoppelt werden; die Bestrahlung führt jedoch zu einem erheblichen Flächenverlust und sie kann bei ungünstiger Führung in den beiden Teilsystemen Rekombinationsprozesse verursachen, welche die Lichtempfindlichkeit vermindern würden. Die bekannte Maßnahme setzt Bauelemente voraus, bei denen die beiden Teilsysteme relativ weit voneinander angeordnet sind. Ferner darf bei einem optisch zündbaren Zweirichtungs-Thyristor die Lichteinstrahlung nicht in den Volumenabschnitt erfolgen, da das in diesen eingestrahlte Licht durch die Rekombinationsschicht unwirksam ist; es muß daher entweder eine relativ große Fläche ausgeleuchtet werden, was einen Lichtverlust bedeutet, oder der Lichtweg muß aufgeteilt werden für die beiden Teilsysteme, so daß zwei Lichtquellen erforderlich sind.

Um bei derartigen Bauelementen im Fall der optischen Zündung eine hohe Lichtempfindlichkeit zu erzielen, sind in den schwach p-leitenden Basiszonen im Bereich der hochdotierten η-leitenden Zonen ausreichend große laterale Querwiderstände erforderlich.

Besteht die Forderung nach einem Bauelement sehr kleiner Abmessungen, so müssen entsprechend die lateralen Querwiderstände erhöht werden. Dies ist an sich zulässig, da mit einer Verkleinerung des Bauelementes die Störkapazitäten und damit auch die du/dt-Empfindlichkeit verringert wird. Eine Vergrößerung der lateralen Querwiderstände kann durch entsprechend niedrige Dotierung erreicht werden; da die Raumladungszone jedoch eine bestimmte Dotierung benötigt, ist für diese damit eine untere Grenze gesetzt, die eingehalten werden muß, da andernfalls keine Sperrfähigkeit des Bauelementes mehr erreicht wird.

Für das Bauelement ist damit eine bestimmte Größe gegeben, die nicht unterschritten werden kann.

Aus der DE-OS 26 45 513 ist ferner ein optisch zündbarer Zweirichtungs-Thyristor bekannt, bei welchem die Entkopplung der beiden Thyristor-Teilsysteme durch einen hinreichend ausgedehnten pnp-lsolierabschnitt erreicht wird, der zwischen beiden Teilsystemen vorgesehen ist, die damit relativ weit voneinander angeordnet sind. Die Lichteinstrahlung erfolgt mittels zweier Lichtquellen auf die Seitenflächen jedes Teilsystems.

Schließlich ist aus der DE-OS 24 61 190 ein optisch zündbarer Zweirichtungs-Thyristor bekannt, bei welchem die beiden Teilbereiche zur gegenseitigen Entkopplung durch einen elektrisch isolierenden n-leitenden Bereich voneinander getrennt sind.

Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optisch zündbaren Zweirichtungs-Thyristor der eingangs genannten Art, wie er aus der DE-OS 26 45 513 bekannt ist, so auszubilden, daß er bei einfacher Herstellbarkeit, hoher optischer Zündempfindlichkeit und gutem Kommutierungs-du/dt-Verhalten eine kleine

r Gesamtfläche aufweist, was bedeutet daß die beiden Thyristor-Teilsysteme sehr dicht benachbart liegen ' müssen.

Lösung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im ■ Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst

_μ Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind

dem Unteranspruch zu entnehmen.

Vorteil

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß ein sehr kleinflächiger Zweirichtungs-Thyristor ohne aufwendige Maßnahmen oder Maßnahmen, die einen zusätzlichen Platzbedarf benötigen, erzielt ist, welcher einfach mittels nur einer Lichtquelle zündbar ist und insbesondere für Betrieb mit Netzspannung bei Lastströmen von etwa 0,5 A geeignet ist und der aufgrund seiner Preiswürdigkeit beispielsweise auf dem Gebiet der Haushalts- und Unterhaltungselektronik bisherige aufwendigere Schaltelemente ersetzen kann.

Darstellung der Erfindung

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Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht der Halbleiterstruktur,

F i g. 2 eine perspektivische Darstellung der gleichen Halbleiterstruktur.

Die Halbleiterstruktur 1 besteht aus einer der Lichteinstrahlung / zugewendeten ersten schwach p-leitenden Zone 2, in die lokal eine hochdotierte n⁺-Zone 3 und eine hochdotierte p⁺-Zone 4 eindiffundiert sind; der p~-Zone 2 folgt eine schwach n-leitende Hauptbasiszone 5, an die sich eine der Zone 2 entsprechende schwach p-leitende Zone 6 anschließt, in die ebenfalls lokal eine hochdotierte η+-Zone 7 und eine hochdotierte ρ+-Zone 8 eindiffundiert sind. Der Bereich ·*ο A der Halbleiterstruktur 1 bildet das eine Thyristor-Teilsystem und der Bereich B das andere Thyristor-Teilsystem.

Die lokalen hochdotierten p⁺-Zonen 4, 8 wirken als Emitter und sind über Metallisierungen 9, 10 mit den « jeweils benachbarten η+ -Zonen 3, 7 verbunden. Die Metallisierungen 9, 10 zu den ρ+-Zonen 4, 8 bewirken, daß Emitter-Basis-Nebenwiderstände entstehen, welche einem einseitigen Emitterkurzschluß entsprechen. Zwischen der schwach p-leitenden Zone 6 und der ^5I) Metallisierung 10 ist eine Isolierschicht 11, beispielsweise SiO₂, vorgesehen; auch auf die schwach p-leitende Zone 2 ist eine Isolierschicht 12 aufgebracht, die über den n+- und p+-Zonen 3, 4 Ausschnitte 13,14 aufweist.

Die schwach p-leitenden Zonen 2, 6 sind in ihrem ohmschen Widerstand um die n⁺- und ρ+-Zonen 3, 4 bzw. 7, 8 derart bemessen, daß der gestrichelt angedeutete Widerstandspfad W relativ hochohmig ist. Es darf nämlich nicht ein niederohmiger lateraler Strompfad entstehen, der ebenfalls die Wirkung eines ^b0 Emitterkurzschlusses hat, so daß für den lateralen Abfluß der Ladungsträger in den Zonen 2, 6 ein so niedriger Gesamtwiderstand bestünde, daß eine wesentlich niedrigere Dotierung der Zonen 2, 6 zum Ausgleich notwendig wäre, was aber, wie in der Beschreibungsein- ^h5 leitung erwähnt, zum Verlust der Sperrfähigkeit des Bauelementes führen würde.

Nachstehend wird die Wirkungsweise des Zweirichtungs-Thyristors näher erläutert

Wegen der schwachen Dotierung tier Basiszonen 2,6 und der gegenüberliegend eindotierten lokal begrenzten n+- und ρ+-Emitterzonen 3, 8 bzw. 7, 4 wird im elektrisch leitenden Zustand der Strom jeweils in einem besonders stark begrenzten Bereich zwischen zwei zusammengehörigen n⁺- und p+-Zonen 3, 8 bzw. 7, 4 geführt und das injizierte Elektron-Loch-Plasma befindet sich entsprechend der schematischen Darstellung nach F i g. 2 überwiegend in dem Bereich zwischen den punktgestrichelten Linien. Wäre stattdessen die gesamte Basiszone 2 bzw. 6 an den Oberflächen hoch p-dotiert so wäre die Plasmaverteilung auf der den n+-Emitterzonen 3, 7 entgegengesetzten Seite jeweils soweit verbreitert (durch Punktierung in der Fig.2 angedeutet), daß schon eine geringere seitliche Ausdiffusion der Ladungsträger im Kommutierungsfall zu einer Störzündung des benachbarten Teilsystems B führen würde. Die geometrisch stärker eingeschränkte Plasmaverteilung ist damit vorteilhaft zur Erzielung einer ausreichend großen Kommutierungs-du/dt-Festigkeit trotz nahe beieinander liegender Thyristor-Teilsysteme A, B.

Diese Eigenschaft wird noch durch die »einseitige« Wirkung des Emitter-Basiskurzschlusses verstärkt, der durch den lateralen Strompfad unterhalb der η+-Emitterzone 3 bzw. 7 zur p+-Emitterzone 4 bzw. 8 gebildet wird. Wird die Metallisierung direkt ganzflächig auf die Basiszone 2 bzw. 6 aufgebracht so wird die einseitige Wirkung des Emitterkurzschlusses allerdings aufgehoben; daher sind isolierende Zwischenschichten 11, 12 von Vorteil, zumal auch der laterale Querwiderstand zwischen den n+- und ρ+-Zonen 3, 4 bzw. 7, 8 noch erhöht wird, wodurch die Lichtempfindlichkeit verbessert wird.

Das Bauelement kann vorteilhaft in folgender Weise hergestellt werden.

Als Ausgangsmaterial dienen schwach n-dotierte Scheiben aus einkristallinem Silizium, deren Dotierungshöhe und Gesamtdicke nach bekannten Beziehungen aus der angestrebten Sperrspannungsfestigkeit folgt In diese Scheibe werden die relativ schwach p-dotierten Basiszonen 2, 6 eindiffundiert, wobei diese schwache Dotierung beispielsweise durch eine Vorbelegung und anschließende Eindiffusion erreicht wird. Bei einem Bauelement nach der F i g. 2 und lateralen Abmessungen von etwa 1 mm liegen die spezifischen Flächen widerstände vorteilhaft bei wenigen 1000
/ D; unterhalb der η+-Emitterzonen 3,7 soll der dünnere Bereich der p-Basiszonen 2, 6 den Flächenwiderstand 5000/D nicht wesentlich überschreiten. Die Oberflächenkonzentration der p-Basiszonen 2, 6 wird vorteilhaft unter 5lO¹⁷At/cm³ gewählt Die n+- und ρ+-Zonen 3, 7 und 4, 8 werden beispielsweise durch maskierte Phosphor- und Bordiffusion eingebracht Sie könnten unterschiedlich tief sein, jedoch soll die Dicke der lichtdurchstrahlten oberen η+-Emitterzone 3 etwa 10 μηι nicht überschreiten. Die Schicht, welche die aufgedampften Metallisierungen 9, 10 von den p-Basiszonen 2, 6 isoliert, kann durch das Maskierungsoxid oder anderweitig aufgebrachte Isoliersubstanzen (andere durch CVD-Verfahren abgeschiedene Oxide oder Nitride) gebildet werden. Die obere Metallisierung 9 ist nur als Brücke zwischen den n ⁺ - und ρ+ -Zonen 3, 4 ausgeführt, um eine Lichteinstrahlung in diese Oberfläche zu ermöglichen. Diese und die untere ganzflächige Metallisierung 10 bilden die Hauptanschlüsse des Bauelementes.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Optisch zündbarer Zweirichtungs-Thyristor, bestehend aus einem Halbleiterkörper, in dem zwei 5 Thyristor-Teilsysteme durch zwei antiparallel angeordnete Folgen von Halbleiterzonen gebildet werden, wobei jeweils benachbarte Zonen jeder Folge vom entgegengesetzten Leitungstyp sind und zwischen zwei beiden Teilsystemen gemeinsamen Basiszonen des einen Leitungstyps eine schwach dotierte gemeinsame Hauptbasiszone des entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

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a) die Basiszonen (2,6) sind schwach dotiert,

b) in jeder schwach dotierten Basiszone (2, 6) ist lokal eine hochdotierte Emitterzone entgegengesetzten Leitungstyps (3, 7) und benachbart eine hochdotierte Emitterzone gleichen Leitungstyps (4,8) angeordnet, wobei sich Emitterzonen jeweils entgegengesetzten Leitungstyps (3,8; 4,7), die in verschiedenen Basiszonen (2,6) liegen, durch die Basiszonen (2, 6) und die Hauptbasiszone (5) getrennt gegenüberstehen,

c) die hochdotierten benachbarten Emitterzonen (3, 4; 7, 8) sind elektrisch miteinander verbunden.