DE3134074C2 - Halbleiterbauelement zum Steuern großer Ströme - Google Patents

Halbleiterbauelement zum Steuern großer Ströme

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Abstract

Ein Mehrfachemitter-Halbleiterbauelement, d.h. ein Halbleiterbauelement mit einer Anordnung, bei der eine Mehrzahl Emitterzonen (16) von einer Gatezone (17) unterteilt und umgeben sind. In dem Halbleiterbauelement hat ein Teil (27), das zum Anlegen eines externen Steuersignals an eine Gateelektrode (17) dient, die Form einer geschlossenen Schleife, und die Mehrzahl Emitterzonen (16) ist zu beiden Seiten der Schleife (27) angeordnet. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, daß auch dann, wenn die Anzahl Emitterzonen erheblich vergrößert wird, an die einzelnen Emitterzonen (16) ein gleichförmiges Steuersignal angelegt werden kann, wodurch eine Verschlechterung der Abschaltcharakteristiken vermieden wird.

Description

dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Verbindungsglied (27) die Form wenigstens einer geschlossenen Schleife aufweist und einen längs der geschlossenen Schleife gemessenen Widerstand besitzt, der niedriger ist als ein längs eines anderen Teils der zweiten Elektrode (17) gemessener Widerstand, wobei die ersten Halbleiterzonen (15) längs der Innen- und der Außenseite der geschlossenen Schleife des elektrischen Verbindungsgliedes (27) angeordnet sind.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die ersten Halbleiterzonen jeweils als Streifen ausgebildet und bezüglich des Zentrums der einen Hauptfläche radial angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Verbindungsglied (27) kreisringförmig ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die ersten Halbleiterzonen jeweils als Streifen ausgebildet und bezüglich des Zentrums der einen Hauptfiäche radial angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Verbindungsglied mehrere konzentrische Kreisringe (271, 272) aufweist und daß die ersten Halbleiterzonen (15) auf der Innen- und der Außenseite jedes Kreisringes (271, 272) angeordnet sind.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement zürn Steuern großer Ströme der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art, wie es z. B. aus der DE-OS 21 03 146 bekannt ist Bei diesem bekannten Halbleiterbauelement das einen Abschaltthyristor darstellt, und bei dem die ersten Elektroden und die zugehörigen ersten Halbleiterzonen jeweils als Streifen ausgebildet und bezüglich des Zentrums der einen Hauptfläche radial angeordnet sind, weist der die Mehrzahl der als Kathoden verwendeten ersten Elektroden verbindende Leiter zur Erhöhung der Strombelastbarkeit die Form einer geschlossenen kreisringförmigen Schleife auf.
Die Strombelastbarkeit von Abschaltthyristoren wird durch die Anordnung einer großen Zahl von ersten Halbleiterzonen vergrößert. Durch eine geeignete An-Ordnung von Steuerelektrode und ersten Halbleiterzonen zueinander wird erreicht, daß das Abschaltsignal auf alle ersten Halbleiterzonen möglichst gleichmäßig wirkt
So ist aus der DE-OS 21 31 747 ein Abschaltthyristor bekannt, bei dem die Steuerelektrode mehrere geschlossene Schleifen aufweist und die ersten Halbleiterzonen längs der Innen- und Außenseiten der geschlossenen Schleifen liegen, während eine vergleichbare Anordnung mit einer abgewandelten Steuerelektrode aus der DE-OS 28 47 853 bekannt ist.
Aus der DE-OS 27 18 781 ist es bekannt, bei einem Thyristor einv;n Leiter mit Hilfe von Lötmittel als elektrischem Verbindungsglied mit der Steuerelektrode zu verbinden.
Dadurch, daß bei Halbleiterelementen wie Abschaltthyristoren die Steuerelektrode, die üblicherweise durch Aufdampfen mit einer geringen Dicke von ca. 5—10 μπι gebildet ist, einen Widerstandswert aufweist, der längs der Hauptfläche des Substrats ansteigt, tritt in der Steuerelektrode ein Spannungsabfall in Richtung des Stromflusses durch die Steuerelektrode längs der Hauptfläche des Substrats auf, wenn das Abschaltsignal, das relativ zur Kathode negativ ist, an den zur Steuerelektrode führenden zweiten Leiter angelegt wird.
Aufgrund dieses Spannungsabfalls ist die Potentialverteilung in der Steuerelektrode derart, daß relativ zur Kathode die Potentialdifferenz nahe dem zweiten Leiter groß und in weitem Abstand davon gering ist. Infolgedessen weisen die bekannten Abschaltthyristoren den Nachteil auf, daß das Abschaltsignal in einem nahe dem zweiten Leiter fließenden Hauptstrom stark und in einem Hauptstromflußbereich fern von diesem Leiter schwach ist, was in unregelmäßigen Abschaltvorgängen in den jeweiligen Bereichen resultiert.
Durch die ungleichmäßigen Abschaltvorgänge wird der Laststrom in dem verzögerten Abschaltbereich während des Abschaltvorgangs des Abschaltthyristors konzentriert. Infolgedessen wird der maximale Laststrom, der für ein Abschalten des Abschaltthyristors ohne Durchbruch (maximaler abschaltbarer Strom) zulässig ist, im Vergleich zu gleichmäßigen Abschaltvorgängen in den einzelnen Hauptstromflußbereichen verringert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein HaIbleiterbauelement zum Steuern großer Ströme der eingangs genannten Art hinsichtlich seiner Strombelastbarkeit weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Form des Verbindungsglieds, dessen Widerstand und die Anordnung der ersten Hälbleiterzonen wird erreicht, daß die Unterschiede im
Spannungsabfall zwischen den Haibleiterzonen und dem zur Steuerelektrode führenden zweiten Leiter beim Ein- oder Ausschalten äußerst gering gehalten werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 im Schnitt eine Perspektivansicht eines Abschaltthyristors;
F i g. 2 eine größere Teilschnittansicht des Abschaltthyristors nach F i g. 1;
F i g. 3 eine Draufsicht auf eine Oberfläche eines mit einer Mehrzahl von ersten Elektroden ausgebildeten Substrats, das in dem Abschaltthyristor nach F i g. 1 vor- 15 bündig.
det von dem kreisringförmigen Verbindungsglied 27.
Das Verbindungsglied 27 ist Teil einer Verbundelektrodenplatte 2, die außerdem noch als einen die Kathoden 16 elektrisch miteinander verbindenden ersten Leiter eine Kathodenplatte 26 umfaßt.
Die Kathodenplatte 26 besteht z. B. aus Molybdän mit einer Dicke von ca. 3 mm. Eine Hauptflärhe 211 dieser Scheibe ist ausgeschnitten zur Bildung einer ringförmigen Nut 261, in der das Verbindungsglied 27 aus Molybdän aufgenommen wird. Das Verbindungsglied 27 ist gegenüber der Kathodenplatte 26 durch einen Isolator 201, z. B. aus Glas, isoliert und von diesem in seiner Lage gehalten. Die freie Oberfläche des Verbindungsglieds 27 ist mit der einen Hauptfläche 211 der Kathodenplatte 26
handen ist;
F ■ g. 4 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Abschaltthyristors, wobei der e^ste Leiter teilweise entfernt ist
Unter Bezugnahme auf die F i g. 1 —3 wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelementes in Form eines Abschaltthyristors erläutert.
Das Halbleiterbauelement weist ein Halbleitersub-Das Verbindungsglied 27 hat eine Breite von ca. 1 mm und eine Dicke von ca. 1 mm, und sein elektrischer Widerstand, gemessen längs seiner Ringbahn, ist sehr klein, er beträgt 0,001 Ω oder weniger. Nach Fig. 1 befindet sich das Verbindungsglied 27 in Kontakt mit einem zweiten Leiter als Zuleitung 270 mit einem niedrigen Widerstand zur Bildung eines elektrischen Anschlusses zur Zuführung von Steuersignalen. Die Zuleitung 270 gelangt mit dem Verbindungsglied 27 bei dem erläuter-
strat 1 auf, das als erste bis vierte Halbleiterzonen eine
Mehrzahl von n-leitfähigen Emitterzonen 15, eine p-leit- 25 ten Ausführungsbeispiel an einer Stelle in Kontakt, aber fähige Basis 14, eine n-leitfähige Basis 13 und einen p- der Kontakt kann auch an mehreren Stellen erfolgen, leitfähigen Emitter 12 umfaßt. Eine Mehrzahl von ersten
Elektroden 16 als Kathoden stehen auf der einen Hauptfläche des Substrats 1 in Ohmschem Kontakt mit den
n-leitfähigen Emitterzonen 15. Eine zweite Elektrode ais
Steuerelektrode befindet sich in Ohmschem Kontakt
mit einer freien Fläche der p-Ieitfähigen Basis 14 auf
derselben Hauptfläche, während eine dritte Elektrode
30
als Anode 18 auf der anderen Hauptfläche des Substra-Eine Kontaktgabe an mehreren Stellen wird sogar bevorzugt, um den Steuerelektrodenwiderstand zu verringern.
Das erläuterte Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft hinsichtlich des Anlegens der Ein- oder Ausschaltspannung an die einzelnen Kathoden 16 mit geringen Verlusten und hoher Gleichmäßigkeit, weil die externe Zuleitung 270 mit dem kreisförmigen Abschnitt 170 der Steu-
tes 1 durch eine Lotschicht 19 mit dem p-leitfähigen 35 erelektrode 17 über das ringförmige Verbindungsglied Emitter 12 in Ohmschem Kontakt steht. 27 gekoppelt ist und die einzelnen Kathoden 16 von dem
Die leitfähigen Emitterzonen 15 sind als Streifen aus- Abschnitt 170 geringe und gleiche Abstände aufweisen, gebildet und von der Steuerelektrode 17 umgeben. Ein Wenn z. B. der gesamte durch die Steuerelektrode auf-Laminarbereich aus vier pnpn-Schichten bildet einen genommene Steuerstrom 300—500 A während des Ab-Hauptstromflußbereich, und ein angrenzender Lami- 40 schaltvorgangs ist, ist es möglich, die Differenz des narbereich aus drei pnp-Schichten bildet einen Steuer- Spannungsabfalls zwischen jeder Kathode 16 und der bereich.
. Jede einzelne n-leitfähige Emitterzone 15 hat Rechteckform mit einer Breite von ca. 0,2 mm und einer Länge von ca. 5 mm und springt von der Oberfläche der benachbarten p-leitfähigen Basis 14 um ca. 30 μίτι vor, so daß eine Mesaforir gebildet ist. Jede Kathode 16 ist ein aufgedampfter Al-Film mit einer Dicke von ca. ΙΟμίτι, der mit der Mesaoberfläche in Ohmschem Kontakt
liegt. Es sind insgesamt mehr als 150 n-leitfähige Emit- 50 gleichmäßigem SteuerbetrierT zu erwarten ist, infolge terzonen 15 vorgesehen und radial auf der einen Haupt- ungleichmäßigen Steuerbetriebs auf ca. 400A verrinfläche des scheibenförmigen Substrats 1 so angeordnet, gert werden. Das vorstehend erläuterte Ausführungsdaß sie zwei konzentrische Bereiche bilden. beispiel weist zwar eine dem Stand der Technik ähnliche
Die die n-leitfähigen Emitterzonen 15 umgebende Anordnung der ersten Halbleiterzonen auf, es werden Steuerelektrode 17 ist ein aufgedampfter Al-Film mit 55 jedoch dabei die vorgenannten Nachteile vollständig einer Dicke von ca. ΙΟμηι. Die p-leitfähige Basis 14 beseitigt.
Zuleitung 270 auf 10 mV oder weniger zu halten. Somit ist es möglich, den Nachteil des konventionellen Abschaltthyristors auszuschalten, daß in bestimmten ersten Halbleiterzonen ein verzögertes Abschalten während des Abschaltvorgangs erfolgt, wodurch Hauptstrom in diesen Zonen konzentriert wird.
Tatsächlich hat sich gezeigt, daß Ströme von ca. 800 A, deren Unterbrechung bzw. Abschaltung bei
springt teilweise vor und bildet eine Mesaform 140, die mit den n-leitfähigen Emitterzonen 15 bündig ist, und die Steuerelektrode 17 setzt sich zu der Oberfläche der Mesa 140 der p-leitfähigen Basis 14 fort. Ein geschlossenes kreisringförmiges Verbindungsglied 27 ist auf einen kreisförmigen Abschnitt 170 der Steuerelektrode 17 gedrückt und steht in Kontakt damit.
Nach F i g. 3 verläuft die Mesa 140 der p-leitfähigen Basis 14 in Kreisform zwischen konzentrischen Zonen der doppelkonzentrischen Anordnung radialer n-leitfähiger Emitterzonen 15, und sämtliche n-leitfähigen Emitterzonen 15 sind im wesentlichen gleichbeabstan-Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der F i g. 4 betrifft hochleistungsfähige Halbleiterbauelemente. Nach F i g. 4 weist ein Halbleitersubstrat 1 insgesamt hundert
n-leitfähige Emitterzonen mit Kathoden 16 auf, die radial so angeordnet sind, daß sie innerhalb von vier konzentrischen Bereichen eingeschlossen sind, und das Halbleitersubstrat 1 trägt eine Verbundelektrodenplatte 2. Zur Verdeutlichung der Anordnung der n-leitfähigen Emitterzonen mit den Kathoden 16 auf der einen Hauptfläche des Substrats ist in Fig.4 die Verbundelektrodenplatte 2 teilweise entfernt. Ein erstes kreisringförmiges Verbindungsglied 271 liegt zwischen der
inneren ersten und zweiten konzentrischen Zone der vier konzentrischen Zonen der Anordnung radialer n-Ieitfähiger Emitterzonen mit Kathoden 16. Ein zweites kreisringförmiges Verbindungsglied 272 liegt zwischen der dritten und der vierten konzentrischen Zone. Das erste und das zweite Verbindungsglied 271 und 272 sind durch eine Zuleitung 270 elektrisch miteinander verbunden. Die Zuleitung 270 verläuft außerhalb der Verbundelektrodenplatte 2.
Durch diese Anordnung wird eine Beeinträchtigung der Abschaltleistung auch bei dem Hochleistungs-Abschaltthyristor mit mehreren hundert oder mehr n-leitfähigen Emitterzonen vermieden.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele erläutert. Zum Beispiel kann statt Molybdän für das Verbindungsglied und die Kathode auch irgendein anderes hochleitfähiges Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der angenähert demjenigen des Halbleitersubstrats entspricht, verwendet werden, z. B. Wolfram (W) oder ein Verbundmaterial, bei dem in einer Cu-Matrix Kohlenstoffasern eingebettet sind.
Außerdem ist es nicht immer erforderlich, die Kathodenplatte und das Verbindungsglied in der Verbundelektrodenplatte vorzusehen; diese Teile können auch voneinander getrennt sein. In diesem Fall werden sie unter Zwischenschaltung eines Isolators oder in einem vorbestimmten Abstand voneinander montiert. Ein kreisringförmiges Verbindungsglied eignet sich zwar ' "für Halbleitersubstrate in Form einer Kreisscheibe, aber es kann auch andere Formen aufweisen. Das Verbindungsglied und die Steuerelektrode können durch verschiedene Teile gebildet werden, oder sie können aus demselben Teil bestehen. Wenn z. B. der vorspringende Abschnitt 170 der Steuerelektrode 17 dicker als die übrige Steuerelektrode 17 ausgelegt ist, kann das Verbindungsglied 27 entfallen. In diesem Fall wirkt der Abschnitt 170 praktisch als Verbindungsglied.
Die Erfindung ist außer bei Abschaltthyristoren auch [ bei anderen Halbleiterbauelementen mit engen Mu-
stern, wie z. B. bei Leistungstransistoren, statischen Induktions- oder Feldeffektthyristoren anwendbar.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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55
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Claims (1)

Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement zum Steuern großer Ströme mit
— einem Halbleitersubstrat mit zwei entgegengesetzten Hauptflächen, das zwischen den Hauptflächen eine Mehrzahl von ersten Halbleiterzonen eines ersten Leitfähigkeitstyps, die zu einer Hauptfläche des Substrats hin exponiert sind, und eine zweite Halbleiterzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der dem ersten Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt ist, angrenzend an die ersten Halbleiterzonen und zu der einen Hauptfläche hin exponiert aufweist, so daß die e-sten Halbleiierzonen jeweils voneinander getrennt und von der zweiten Halbleiterzone in der einen Hauptfläche umgeben sind, und das zu der anderen Hauptfläche hin noch mindestens eine weitere Halbleiterzone aufweist,
— einer Mehrzahl von ersten Elektroden, die direkt auf den ersten Halbleiterzonen angeordnet sind,
— einer zweiten Elektrode als Steuerelektrode, die direkt auf der zweiten Halbleiterzone angeordnet ist,
— einer dritten Elektrode, die auf der anderen Hauptfläche angeordnet ist,
— einem ersten Leiter, der die ersten Elektroden elektrisch miteinander verbindet,
— einem zweiten Leiter, der von der zweiten Elektrode ausgeht, und
— einem elektrischen Verbindungsglied, das die zweite Elektrode mit dem zweiten Leiter verbindet,
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