DE3942490C2 - Field effect controlled semiconductor device - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a field-effect-controlled semiconductor component according to the preamble of claim 1.
Ein derartiges Bauelement ist aus der DE 31 47 075 A1 bekannt.Such a component is from DE 31 47 075 A1 known.
Unter den feldeffektgesteuerten Leistungshalbleiterbauelementen sind insbesondere bipolar arbeitende MIS- (Metal Insulator Semicond uctor) gesteuerte Halbleiterbauelemente zu nennen. Hierunter fallen sowohl transistorartige Systeme unter der Bezeichnung IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) als auch thyristorartige Systeme unter der Bezeichnung MCT (MOS- Controlled-Thyristor).Among the field effect controlled power semiconductor devices are especially bipolar MIS (Metal Insulator Semicond uctor) controlled semiconductor devices to name. This includes both transistor-like systems under the name IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as well as thyristor-like systems under the designation MCT (MOS Controlled Thyristor).
Sowohl IGBT′s als auch MOS (Metal Oxide Semiconductor) gesteuerte Thyristoren sind z. B. in dem Artikel "Evolution of MOS Bipolar Semiconductor Technology" von B.J. Baliga, Proc. of IEEE, Vol. 76 Nr. 4, 1988, S. 409-418 beschrieben. Im folgenden wird die Funktionsweise der genannten Bauelemente anhand eines FET mit n-leitendem Kanal in einer Basiszone vom p-Typ beschrieben, woraus die prinzipielle Funktionsweise entsprechender Bauelemente mit p-leitendem Kanal in einer Basis vom n-Typ ebenfalls ersichtlich hervorgeht.Both IGBT's and MOS (Metal Oxide Semiconductor) controlled Thyristors are e.g. B. in the article "Evolution of MOS Bipolar Semiconductor Technology "by B.J. Baliga, Proc. Of IEEE, Vol. 76 No. 4, 1988, pp. 409-418 described. The following is the operation of the components mentioned using an FET with an n-type channel in a p-type base zone described, from which the principle of operation corresponding Components with a p-type channel in an n-type base, too clearly emerges.
Sowohl IGBT′s als auch MCT′s besitzen Vierschichtstruktur mit einer stark p-dotierten anodenseitigen Emitterzone, einer n-leitenden ersten Basiszone sowie einer p-leitenden zweiten Basiszone, die mit einer stark n-dotierten kathodenseitigen Emitterzone einen Feldeffekt-Transistor (FET) bilden.Both IGBT's and MCT's have a four-layer structure with a strong p-doped anode-side emitter zone, an n-type first base zone and a p-type second base zone, which is heavily n-doped Form a field effect transistor (FET) on the cathode-side emitter zone.
Beim n-Kanal IGBT sind die kathodenseitige Emitterzone und die zweite Basiszone, d. h die kathodenseitige Basiszone, durch einen gemeinsamen Anschluß kurzgeschlossen. With the n-channel IGBT, the cathode-side emitter zone and the second one Base zone, d. h the cathode-side base zone, by a common Connection shorted.
Wird der IGBT in Durchlaßrichtung gepolt und der Gate-Anschluß des Feldeffekt-Transistors mit positivem Potential angesteuert, bildet sich in der kathodenseitigen p-Basiszone ein leitfähiger Kanal aus, der die kathodenseitige n⁺-Emitterzone mit der anodenseitigen n-Basiszone, d. h. der ersten Basiszone, verbindet. Der dadurch hervorgerufene Elektronenstrom wirkt als Steuerstrom für den anodenseitigen pnp-Transistor. Der durch das Gate steuerbare Widerstand des n-Kanals bestimmt die Höhe des Steuerstromes und damit die Durchlaßspannung. Die Ausgangskennlinien gehen daher wie bei einem Bipolar- Transistor nach einem Anstieg in einen Stromsättigungsbereich über. Im Falle eines externen Kurzschlusses im Lastkreis nimmt daher der Laststrom nur geringfügig gemäß der ansteigenden Spannung zu. Zum Abschalten wird das Gate-Potential dem Kathoden-Potential gleichgesetzt, so daß der n-leitende Kanal des Feldeffekt-Transistors verschwindet und der Laststrom abgeschaltet wird.If the IGBT is polarized in the forward direction and the gate connection of the field effect transistor is driven with a positive potential, a conductive channel is formed in the cathode-side p-base zone, which connects the cathode-side n ⁺ emitter zone with the anode-side n-base zone, ie the first Base zone, connects. The resulting electron current acts as a control current for the anode-side pnp transistor. The resistance of the n-channel that can be controlled by the gate determines the level of the control current and thus the forward voltage. As with a bipolar transistor, the output characteristics therefore change to a current saturation range after an increase. In the event of an external short circuit in the load circuit, the load current increases only slightly according to the increasing voltage. For switching off, the gate potential is equated to the cathode potential, so that the n-channel of the field effect transistor disappears and the load current is switched off.
Beim MCT sind kathodenseitige Emitterzone sowie kathodenseitige, also zweite Basiszone im eingeschalteten Zustand nicht kurzgeschlossen, so daß der MCT sich wie ein Thyristor verhält. Die MCT-Kennlinien steigen deshalb wesentlich steiler an als diejenigen des IGBT, d. h. die Durchlaßverluste sind wesentlich geringer. Andererseits liegt beim MCT keine Stromsättigung vor, die das Bauelement im Kurzschlußfall vor unbegrenztem Stromanstieg bewahrt. Beim MCT wird im Abschaltfall über eine Gate-Spannung ein leitfähiger Kanal zwischen kathodenseitiger Basiszone und Kathodenanschluß erzeugt. Dadurch wird die Vorwärtspolung der kathodenseitigen Emitterzone bis auf den ohmschen Spannungsabfall in dem Kanal herabgesetzt, so daß die regenerative Aufsteuerung der beiden im Bauelement vorliegenden Teiltransistoren unterbrochen und das Bauelement abgeschaltet wird. Da sich der Widerstandswert des als Nebenschluß fungierenden Kanals jedoch nicht beliebig verkleinern läßt, kann der Thyristor nur bis zu einem bestimmten Grenzwert des Laststromes abgeschaltet werden. Der endliche Widerstand des Kanals bewirkt daher eine Einschränkung des sicheren Arbeitsbereichs (SOA) gegenüber dem eines IGBT. In the MCT, there are cathode-side emitter zones and cathode-side, i.e. second Base zone not short-circuited when switched on, so that the MCT behaves like a thyristor. The MCT characteristics therefore increase significantly steeper than those of the IGBT, i. H. the transmission losses are essential less. On the other hand, the MCT has no current saturation, which is Device protected from unlimited current rise in the event of a short circuit. At the In the event of a shutdown, MCT becomes a conductive channel via a gate voltage generated between the cathode-side base zone and the cathode connection. Thereby the forward polarity of the cathode-side emitter zone is reduced to ohmic voltage drop in the channel is reduced, so that the regenerative Control of the two sub-transistors present in the component interrupted and the component is switched off. Since the However, the resistance value of the channel acting as a shunt is not arbitrary can reduce the thyristor can only up to a certain limit of the load current are switched off. The channel's finite resistance therefore limits the safe working area (SOA) compared to that of an IGBT.
Bei dem aus der eingangs genannten, gattungsbildenden DE 31 47 075 A1 bekannten Halbleiterbauelement wird die kathodenseitige Emitterzone durch einen MOSFET-Kanal unter dem Steuerelektrodenkontakt mit der ersten Basiszone verbunden. Eine unter einer Isolierschicht angeordnete N⁺-Zone, die sich zwischen zwei im Abstand voneinander angeordneten Steuerelektroden erstreckt, grenzt an zwei im Abstand voneinander angeordnete zweite Basiszonen an. Die N⁺-Zone dient zur Verbesserung der Ausbreitung des aus dem MOSFET-Kanal austretenden Elektronenstroms, der als Basisstrom eine aus der anodenseitigen Emitterzone und der ersten und zweiten Basiszone gebildete bipolare Transistorstruktur ansteuert.In the semiconductor component known from the generic DE 31 47 075 A1 mentioned at the outset, the cathode-side emitter zone is connected to the first base zone by a MOSFET channel under the control electrode contact. An N ⁺ zone arranged under an insulating layer, which extends between two control electrodes arranged at a distance from one another, adjoins two second base zones arranged at a distance from one another. The N ⁺ zone serves to improve the propagation of the electron current emerging from the MOSFET channel, which, as the base current, drives a bipolar transistor structure formed from the anode-side emitter zone and the first and second base zones.
Aus der DE 38 16 667 A1 ist ein bidirektionales feldeffektgesteuertes Halbleiterbauelement mit isoliertem Gate bekannt. Das Halbleiterbauelement weist eine inhärente Dreischichtenstruktur auf, eine inhärente Vierschichtenstruktur und eine inhärente Fünfschichtenstruktur, wobei der stromleitende Zustand dieser Strukturen mittels eines einzelnen isolierten Gates steuerbar ist. In Sperrichtung ist eine MOS-Gate gesteuerte fünfschicht- Struktur vorgesehen, welche eine hohe Stromleitung bei geringer Antriebsspannungen ergibt. Dieses Bauelement weist eine komplizierte Struktur mit mehreren sich überlappenden Bereichen auf, welche natürlich auch entsprechend fehleranfällig ist.DE 38 16 667 A1 describes a bidirectional field effect-controlled Insulated gate semiconductor device known. The semiconductor device has an inherent three-layer structure, an inherent Four-layer structure and an inherent five-layer structure, the current-conducting state of these structures by means of a single insulated gate is controllable. In the reverse direction, a MOS gate controlled five-layer Structure provided, which has a high power line at low Drive voltages result. This device has a complicated structure with several overlapping areas, which of course also is accordingly prone to errors.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein feldeffektgesteuertes Halbleiter- Bauelement der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, daß das günstige Durchlaßverhalten eines MOS-Controlled-Thyristors (MCT) sich mit der Kurzschlußfestigkeit eines Insulated-Gate-Transistor (IGT) verbindet bei gleichzeitig erweitertem sicheren Arbeitsbereich (SOA).The invention has for its object to provide a field effect controlled semiconductor Develop the component of the type described above such that favorable conduction behavior of a MOS controlled thyristor (MCT) with the Short-circuit strength of an insulated gate transistor (IGT) connects at at the same time extended safe working area (SOA).
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die gesamte Halbleiteroberfläche der kathodenseitigen Emitterzone durch die zweite Basiszone von der ersten Basiszone getrennt ist, daß mindestens eine Hilfsemitterzone in der zweiten Basiszone unterhalb der Isolierschicht und von der ersten Basiszone getrennt vorgesehen ist und daß jede Hilfsemitterzone den gleichen Leitungstyp wie die kathodenseitige Emitterzone aufweist und zusammen mit der kathodenseitigen Emitterzone, der zweiten Basiszone, der Isolierschicht und der Steuerelektrode einen Feldeffekttransistor bildet.The object is achieved in that the entire Semiconductor surface of the cathode-side emitter zone through the second Base zone is separated from the first base zone that at least one Auxiliary emitter zone in the second base zone below the insulating layer and from the first base zone is provided separately and that each auxiliary emitter zone has the same conductivity type as the cathode-side emitter zone and together with the cathode-side emitter zone, the second base zone, the Insulating layer and the control electrode forms a field effect transistor.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung ist die mindestens eine Hilfsemitterzone von der ersten Basiszone getrennt. Unter dem oder den Hilfsemittern wird eine Vierschichtthyristorstruktur gebildet, deren Kathodenstrom durch den MOSFET gesteuert wird. Infolge der Vierschichtstruktur ist der Durchlaßwiderstand in eingeschaltetem Zustand kleiner als bei den bekannten Anordnungen. Deshalb ist eine höhere Strombelastung pro Flächeneinheit möglich. Das Sperrvermögen der erfindungsgemäßen Anordnung ist im ausgeschalteten Zustand vergrößert, da der sperrende p-n-Übergang zwischen den Basiszonen nahezu ungekrümmt ist. Demgegenüber weist das aus der DE 31 47 075 A1 bekannte Bauelement sogar eine geringere Sperrfähigkeit als ein üblicher IGBT auf, da der sperrende p-n- Übergang von zwei hoch dotierten Zonen umgeben ist. Eine zweckmäßige Ausführungsform besteht darin, daß der gesamte Kathodenkontakt von der zweiten Basiszone durch die kathodenseitige Emitterzone derart getrennt ist, daß die zweite Basiszone mit der kathodenseitigen Emitterzone eine Diodenstruktur bildet und daß der Bereich der zweiten Basiszone unterhalb der kathodenseitigen Emitterzone stärker dotiert ist als der restliche Bereich der zweiten Basiszone. In the arrangement described above, the at least one Auxiliary emitter zone separated from the first base zone. Under the or the Auxiliary emitters are formed with a four-layer thyristor structure Cathode current is controlled by the MOSFET. As a result of Four-layer structure is the forward resistance when switched on smaller than in the known arrangements. That is why a higher one Current load per unit area possible. The blocking capacity of the The arrangement according to the invention is enlarged when switched off, since the blocking p-n transition between the base zones is almost non-curved. In contrast, the component known from DE 31 47 075 A1 even has has a lower blocking capacity than a conventional IGBT because the blocking p-n- Transition is surrounded by two highly doped zones. A convenient embodiment is that the entire Cathode contact from the second base zone through the cathode side Emitter zone is separated so that the second base zone with the cathode-side emitter zone forms a diode structure and that the area the second base zone below the cathode-side emitter zone stronger is doped as the remaining area of the second base zone.
Im Durchlaßfall erhöht die integrierte Diode und der integrierte Hilfsemitter die Ladungsträgerkonzentration im Basisbereich auf der Kathodenseite. Demzufolge ist der Innenwiderstand des Bauelements wesentlich niedriger als beim IGBT und vergleichbar mit dem eines MCT, was zu entsprechend geringen Durchlaßverlusten führt.In the case of transmission, the integrated diode and the integrated auxiliary emitter increase the charge carrier concentration in the base area on the cathode side. As a result, the internal resistance of the component is significantly lower than with the IGBT and comparable to that of an MCT, which is correspondingly low Passage losses leads.
Gleichzeitig wird jedoch erreicht, daß der Strom im Falle eines externen Kurzschlusses nicht unbegrenzt anwachsen kann, sondern einem IGBT entsprechend einen Sättigungswert erreicht.At the same time, however, it is achieved that the current in the case of an external Short circuit cannot grow indefinitely, but an IGBT correspondingly reached a saturation value.
Weitere Vorteile betreffen den sicheren Arbeitsbereich (SOA):
Im Vergleich zu einem MCT ist ein höherer Strom abschaltbar, da der
Hauptstrom direkt durch den Feldeffekttransistor fließt und durch dessen Gate
steuerbar ist. Eine zusätzliche Vergrößerung des SOA-Bereiches wird durch die
Wahl des pn-Übergangs von der ersten zur zweiten Basiszone als ebener pn-
Übergang erzielt, wodurch Feldliniendichtekonzentrationen und damit die
Gefahr von Feldstärkeüberhöhungen, wie sie an gekrümmten Flächen auftreten,
vermieden werden. Der sichere Arbeitsbereich (SOA) ist somit entsprechend der
Erhöhung der Spannungsverträglichkeit des parallel verlaufenden pn-Übergangs
von der ersten zur zweiten Basiszone auch gegenüber dem sicheren
Arbeitsbereich (SOA) eines IGBT erweitert.Further advantages concern the safe working area (SOA):
In comparison to an MCT, a higher current can be switched off, since the main current flows directly through the field effect transistor and can be controlled through its gate. An additional enlargement of the SOA area is achieved by the choice of the pn transition from the first to the second base zone as a flat pn transition, whereby field line density concentrations and thus the risk of field strength increases, as they occur on curved surfaces, are avoided. The safe working area (SOA) is thus also expanded compared to the safe working area (SOA) of an IGBT in accordance with the increase in the voltage tolerance of the parallel pn junction from the first to the second base zone.
Nach einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Basiszone einen an die erste Basiszone angrenzenden Teil auf, der nach Dotierungskonzentration und Dicke zur Aufnahme der Sperrspannung bemessen ist, wobei die erste Basiszone höher dotiert ist als das Teil der zweiten Basiszone.According to a particularly expedient embodiment of the invention, the second base zone has a part adjacent to the first base zone, which follows Dimension the doping concentration and thickness to absorb the reverse voltage is, wherein the first base zone is doped higher than the part of the second Base zone.
Bei dieser Ausgestaltung ist der sichere Arbeitsbereich (SOA) zusätzlich erweitert, da die negative Ladung der Dotierungsatome in der Raumladungszone der Teilzone die Ladung der von der Anode herstammenden freien Ladungsträger teilweise kompensiert. Dadurch wird eine kritische Überhöhung der Feldstärke, wie sie bei IGBTs und MCTs beim Abschalten auftritt, reduziert oder sogar gänzlich vermieden.With this configuration, the safe working area (SOA) is additional expanded because the negative charge of the doping atoms in the Space charge zone of the subzone the charge of those originating from the anode free charge partially compensated. This makes it a critical one Excessive field strength, as with IGBTs and MCTs when switching off occurs, reduced or even completely avoided.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelements, da die erforderlichen Schichten mit Hilfe einer entsprechenden Maske auf einfache Weise und mit üblichen Methoden integriert werden können. The production of the invention has proven to be particularly advantageous Component because the necessary layers with the help of an appropriate Mask can be easily integrated using standard methods.
Es ist gemäß der Erfindung also ein Bauelement realisiert, das auf einfache und wirtschaftliche Weise herzustellen ist und das die jeweilig günstigen Eigenschaften eines MCT mit denen eines IGT vereinigt und die jeweils negativen Eigenschaften weitgehend ausschließt.According to the invention, a component is thus implemented that is simple and economical way to manufacture and that the most favorable Properties of an MCT combined with those of an IGT and the respective largely excludes negative properties.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are described below with reference to the Drawings explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine herkömmliche IGBT-Struktur (Insulated Gate Bipolar Transistor); Fig. 1 shows a conventional IGBT structure (Insulated Gate Bipolar Transistor);
Fig. 2 eine Struktur mit integriertem Hilfsemitter; Fig. 2 is a structure with integrated auxiliary emitter;
Fig. 3 eine Struktur mit integrierter Diode, integriertem Hilfsemitter und besonders ausgestalteter zweiter Basiszone und Fig. 3 is a structure with integrated diode, integrated auxiliary emitter and particularly Enriched second base region and
Fig. 4 ein Diagramm, in dem zwei Stromspannungskennlinien des Feld effekttransistor-gesteuerten Halbleiterbauelementes nach der Erfindung in Durchlaßrichtung dargestellt sind. Fig. 4 is a diagram in which two current-voltage characteristics of the field effect transistor-controlled semiconductor device according to the invention are shown in the forward direction.
In Fig. 1 ist die Struktur eines üblichen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) dargestellt, mit einer stark p-dotierten, anodenseitigen Emitterschicht 1, einer ersten Basiszone 2, 3, bestehend aus einer n-dotierten Zone 2 und einer im Vergleich zur n-Zone 2 schwächer n-dotierten Zone 3, einer zweiten Basiszone 4, 5, bestehend aus einer stark p-dotierten Zone 4 und einer im Vergleich zur p-Zone 4 schwächer p-dotierten Zone 5 und einer stark n-dotierten kathodenseitigen Emitterzone 6. Der IGBT ist mit einem Anodenanschluß 11, einem Kathodenanschluß 10 und einem Gate-Anschluß 9 versehen. Das Gate ist durch eine Isolatorschicht 8 von dem Bauelement isoliert, so daß die Zonen 3, 5, 6, 8 und 9 einen Feldeffekt-Transistor (MIS- FET) bilden. Der Kathodenanschluß 10 bildet einen ohmschen Kontakt sowohl mit der Emitterzone 6, als auch mit der hochdotierten Basiszone 4.In Fig. 1, the structure of a conventional IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is shown, doped p-type with a strong, anodal emitter layer 1, a first base region 2, 3, consisting doped n-type from a zone 2 and n a in comparison Zone 2 weaker n-doped zone 3 , a second base zone 4 , 5 , consisting of a heavily p-doped zone 4 and a weaker p-doped zone 5 compared to the p-zone 4 and a heavily n-doped cathode-side emitter zone 6 . The IGBT is provided with an anode connection 11 , a cathode connection 10 and a gate connection 9 . The gate is insulated from the component by an insulator layer 8 , so that zones 3 , 5 , 6 , 8 and 9 form a field effect transistor (MIS-FET). The cathode connection 10 forms an ohmic contact both with the emitter zone 6 and with the highly doped base zone 4 .
In Fig. 2 ist ein FET-gesteuertes Bauelement mit integriertem Hilfsemitter 7 gemäß der Erfindung dargestellt.In FIG. 2, a FET-controlled device with an integrated auxiliary emitter 7 is shown according to the invention.
Der Hilfsemitter 7 - eine stark n-dotierte Schicht - verfügt über keinen externen elektrischen Kontakt, sondern erhält leitende Verbindung zum Kathodenanschluß 10, sobald die MOS-Stufe eingeschaltet wird und der MOS- Kanal sich bildet. The auxiliary emitter 7 - a heavily n-doped layer - has no external electrical contact, but receives a conductive connection to the cathode connection 10 as soon as the MOS stage is switched on and the MOS channel is formed.
Die im Ansteuerungsfall vom p-Emitter 1 injizierten Löcher fließen über die anoden- und kathodenseitigen Basiszonen 3, 4, 5 zum Kathodenanschluß 10. Durch diese Erhöhung der Löcherkonzentration sowie durch die Potentialanbindung des Hilfsemitters 7 an den Potentialwert des Kathodenanschlusses 10, hervorgerufen durch die Ausbildung des niederohmigen Kanals, wird der pn-Übergang zwischen Hilfsemitter 7 und kathodenseitiger Basiszone 5 in Flußrichtung gepolt. Dadurch wird eine Verringerung dem Innenwiderstandes gegenüber dem eines IGBT erzielt. Aufgrund des durch die Höhe der angelegten Gate-Spannung steuerbaren Kanalwiderstandes läßt sich die Menge der vom Hilfsemitter 7 injizierten Elektronen so einstellen, daß oberhalb eines bestimmten Laststromwertes die Ladungsträgerüberschwemmung nicht mehr zum Führen des Stroms ausreicht und das Bauelement Spannung aufzunehmen beginnt. Dieser Stromsättigungseffekt führt zu einem Kurzschlußverhalten, das dem eines IGBT entspricht. Zum Abschalten wird der Gate-Anschluß auf Kathodenpotential gebracht und der Elektronenzufluß von der Kathode her unterbunden. Damit wird die Ladungsträgerinjektion des Hilfsemitters sofort beendet, so daß es auch bei höheren Stromdichten nicht zu einer lokalen Aufrechterhaltung der Thyristorfunktion - wie im Falle des MCT′s - kommen kann. Das bedeutet, daß die Abschaltfähigkeit des Bauelements in jedem Falle sicher gewährleistet ist.The holes injected by the p-emitter 1 in the control case flow via the anode and cathode side base zones 3 , 4 , 5 to the cathode connection 10 . This increase in the hole concentration and the potential connection of the auxiliary emitter 7 to the potential value of the cathode connection 10 , caused by the formation of the low-resistance channel, poles the pn junction between the auxiliary emitter 7 and the cathode-side base zone 5 in the flow direction. This results in a reduction in the internal resistance compared to that of an IGBT. Due to the channel resistance that can be controlled by the level of the applied gate voltage, the amount of electrons injected by the auxiliary emitter 7 can be adjusted such that the charge carrier flooding is no longer sufficient to carry the current above a certain load current value and the component begins to take up voltage. This current saturation effect leads to a short-circuit behavior which corresponds to that of an IGBT. To switch off, the gate connection is brought to cathode potential and the inflow of electrons from the cathode is prevented. So that the charge carrier injection of the auxiliary emitter is ended immediately, so that it cannot come to a local maintenance of the thyristor function - as in the case of the MCT's - even at higher current densities. This means that the disconnectability of the component is guaranteed in any case.
Durch die unterhalb der Isolationsschicht 8 ganzflächige Ausführung der kathodenseitigen Basiszone 5 wird unter Sperrbelastung eine höhere Durchbruchspannung und damit ein größerer sicherer Arbeitsbereich (SOA) erreicht als bei einem gekrümmten Verlauf des pn-Übergangs (z. B. IGBT).Due to the full-surface design of the cathode-side base zone 5 below the insulation layer 8, a higher breakdown voltage and thus a larger safe working area (SOA) is achieved under blocking load than with a curved course of the pn junction (e.g. IGBT).
Ein stark gekrümmter pn-Übergang, wie in Fig. 1 dargestellt, bewirkt, daß die elektrischen Feldlinien 12 am pn-Übergang inhomogen von der n- zur p-Zone verlaufen. Die dadurch erzeugte Erhöhung der Feldlinienkonzentration an den Stellen der Krümmung kleineren Radius führt schnell zu einer Überschreitung der kritischen Feldstärke, so daß es zu Stoßionisationen (Lawinendurchbruch) und damit zur Zerstörung des Bauelements kommen kann.A strongly curved pn junction, as shown in FIG. 1, causes the electric field lines 12 at the pn junction to run inhomogeneously from the n to the p zone. The resulting increase in the field line concentration at the points of curvature with a smaller radius quickly leads to the critical field strength being exceeded, so that impact ionizations (avalanche breakdown) and thus destruction of the component can occur.
Eine weitere Vergrößerung des sicheren Arbeitsbereichs (SOA) gegenüber der in Fig. 2 beschriebenen Struktur ergibt sich durch Ersetzung der schwach n- dotierten Teilzone 3 der ersten Basiszone 2, 3 durch eine schwach p-dotierte Zone 3, wie in Fig. 3 dargestellt. In diesem Fall liegt der blockierende pn- Übergang im Schaltbetrieb zwischen den Zonen 2 und 3. A further enlargement of the safe working area (SOA) compared to the structure described in FIG. 2 results from the replacement of the weakly n-doped partial zone 3 of the first base zone 2 , 3 by a weakly p-doped zone 3 , as shown in FIG. 3. In this case, the blocking pn junction in switching operation is between zones 2 and 3 .
Er weist gegenüber der in Fig. 2 dargestellten Struktur noch weniger Krüm mungen und damit eine noch höhere Durchbruchsspannung auf. Darüber hinaus wird die Ausbildung einer dynamischen Feldstärkeüberhöhung beim Abschalt vorgang verhindert, indem die durch die von der Anodenemitterschicht 1 inji zierten Löcher verursachte lokale Raumladungserhöhung durch die negative Ladung der ionisierten Akzeptoren teilweise kompensiert wird. Im Herstellungs verfahren wird in diesem Fall als Grund- oder Ausgangsmaterial der Silicium scheibe nicht n-, sondern p-leitendes Material gewählt.Compared to the structure shown in FIG. 2, it has fewer curvatures and thus an even higher breakdown voltage. In addition, the formation of a dynamic field strength increase during the switch-off process is prevented by the local space charge increase caused by the holes injected by the anode emitter layer 1 is partially compensated for by the negative charge of the ionized acceptors. In the manufacturing process, the silicon wafer is chosen as the base or starting material, not n- but p-type material.
In Fig. 3 ist außerdem der gesamte Kathodenkontakt (10) von der zweiten Basiszone (4) durch die kathodenseitige Emitterzone (6) derart getrennt, daß die zweite Basiszone mit der kathodenseitigen Emitterzone eine Diodenstruktur bildet, wobei der Bereich der zweiten Basiszone unterhalb der kathodenseitigen Emitterzone stärker dotiert ist als der restliche Bereich der zweiten Basiszone.In FIG. 3, also the entire cathode contact (10) is separated from said second base region (4) through the cathode-side emitter zone (6) such that the second base region forms a diode structure with the cathode-side emitter zone, the area of the second base region below the cathode-side Emitter zone is more heavily doped than the remaining area of the second base zone.
Das Zusammenwirken von integrierter Diode 4, 5, 6 und Hilfsemitter 7 bewirkt die sehr schnelle und starke Überschwemmung des Bauelements mit freien Ladungsträgern und führt im Ansteuerungsfall zu einer drastischen Verringerung des Innenwiderstands.The interaction of the integrated diode 4 , 5 , 6 and auxiliary emitter 7 causes the component to be flooded very quickly and strongly with free charge carriers and leads to a drastic reduction in the internal resistance in the event of activation.
Beim Abschalten des Bauelements, in dem das Gate mit der Kathode verbunden wird und so eine Potentialanbindung stattfindet, wird der MOS-Kanal hoch ohmig, so daß sich das Potential der n⁺-Hilfsemitterzone der Umgebung an paßt, keine weiteren Elektronen injiziert werden können und die Emitterwir kung somit aufgehoben ist. Gleichzeitig wird die Flußpolung des Dioden-pn- Übergangs 4, 6 sehr schnell abgebaut. Die als schwach p-dotierte ausgelegte Teilbasiszone 3 und der daraus entstehende von Zone 2 nach Zone 3 planar verlaufende pn-Übergang gewährleistet eine besonders hohe Durchbruchsspan nung.When the component in which the gate is connected to the cathode is switched off and a potential connection takes place, the MOS channel becomes highly resistive, so that the potential of the n⁺ auxiliary emitter zone adjusts to the environment, no further electrons can be injected and the emitter effect is thus eliminated. At the same time, the flux polarity of the diode-pn junction 4 , 6 is broken down very quickly. The sub-base zone 3 , which is designed as weakly p-doped, and the resulting pn junction, which runs from zone 2 to zone 3 , ensures a particularly high breakdown voltage.
Fig. 4 veranschaulicht die Kennliniencharakteristik des MOS-gesteuerten Bauelements gemäß der Erfindung. Demnach verlaufen die Stromspannungskenn linien 13, 14 zunächst analog denen eines MCT, die je nach angelegter Gate- Spannung einen sehr starken Anstieg 15, 16 aufweisen, um dann in einen Sättigungsbereich 17, 18 überzugehen, wie es typischerweise einer Transistorstruktur entspricht. Die extrem steilen Kennlinienteile 15, 16 veranschaulichen den niedrigen Innenwiderstand, die Sättigungsbereiche 17, 18 weisen auf die wirksame Strombegrenzung hin. Fig. 4 shows the characteristic curve of the MOS-gated device of the invention is illustrated in accordance. Accordingly, the current-voltage characteristic lines 13 , 14 initially run analogously to those of an MCT, which, depending on the gate voltage applied, have a very strong increase 15 , 16 , in order then to pass into a saturation region 17 , 18 , as is typically the case with a transistor structure. The extremely steep characteristic curve parts 15 , 16 illustrate the low internal resistance, the saturation areas 17 , 18 indicate the effective current limitation.
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