DE4343900A1 - Semiconductor element used in thyristors - Google Patents
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Abstract
Description
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention is based on one Semiconductor component according to the preamble of Claim 1.
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-A1-40 11 509 bekannt ist. Dort ist ein bidirektionaler MOS-gesteuerter Thyristor hoher Sperrspannung angegeben, der auf jeder seiner beiden Hauptflächen mehrere elektrisch isoliert gelagerte Steuerelektroden zum Abschalten des Thyristors trägt. Dabei sind benachbarte Steuerelektroden durch Kurzschlußbrücken im Halbleiterkörper verbunden. Ein- und Abschalthilfen sind nicht vorgesehen.With the preamble of claim 1 takes Invention related to a prior art, as it from the DE-A1-40 11 509 is known. There is a bidirectional one MOS-controlled thyristor with high reverse voltage specified, the electrical on each of its two main surfaces isolated control electrodes for switching off the Carries thyristors. There are adjacent control electrodes connected by short-circuit bridges in the semiconductor body. A- and switch-off aids are not provided.
Insbesondere für Anwendungen von Thyristoren im Bereich Stromübertragung und -Verteilung werden Bauelemente mit möglichst großer Sperrfähigkeit und einfacher, leistungsarmer Ansteuerung gewünscht.Especially for applications of thyristors in the field Power transmission and distribution are components with blocking ability as large as possible and easier, Low-power control required.
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß dessen Zündempfindlichkeit verbessert und energetische Schaltverluste reduziert werden.The invention as defined in claim 1 solves the problem of a semiconductor device of the beginning mentioned kind to develop such that Ignition sensitivity improved and energetic Switching losses can be reduced.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein gleichzeitigeres Zünden von parallel- oder in Reihe geschalteten Halbleiterbauelementen bzw. Thyristoren möglich wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die vor dem Abkommutierungsvorgang im Halbleiterbauelement gespeicherte Ladung schneller abgeführt werden kann. Dadurch verringern sich die energetischen Abschaltverluste. Es wird ein Halbleiterbauelement mit einer Abschalthilfe zur Verfügung gestellt.An advantage of the invention is that a simultaneous ignition of parallel or in series switched semiconductor devices or thyristors becomes possible. Another advantage is that the before the commutation process in the semiconductor component stored charge can be discharged faster. This reduces the energetic switch-off losses. It becomes a semiconductor component with a shutdown aid made available.
Zur Erzeugung der MOS-Schaltelemente wird ein selbstjustierendes Verfahren verwendet, das eine verteilte Integration auf einem Bauelement mit 100 mm Durchmesser erst möglich macht.A is used to generate the MOS switching elements self-aligning method that uses a distributed Integration on a component with 100 mm diameter makes possible.
Die wechselseitige Abhängigkeit von Stoßstrom-, Durchlaß- und Rückstromverhalten läßt sich teilweise entkoppeln. Trotz einer hohen Ladungsträger-Lebensdauer, welche eine hohe Stoßstrombelastbarkeit und eine niedrige Durchlaßspannung gewährleistet, kann durch ein Einschalten der Emitterkurzschlüsse bei der Stromkommutierung die Rückstromladung wie auch die Freiwerdezeit erheblich reduziert werden. Dies bedeutet, daß ein solcher Thyristor noch auf einem Halbleiterkörper mit 100 mm (4′′) Durchmesser gefertigt und in ein Gehäuse mit 127 mm (5′′) Durchmesser eingebaut werden kann. Das stellt auch im Hinblick auf die Zuverlässigkeit einen großen Vorteil dar.The interdependence of surge current, forward and backflow behavior can be partially decoupled. Despite a long charge carrier life, which is a high surge current carrying capacity and a low one Forward voltage guaranteed by switching on of the emitter short circuits during current commutation Reverse charge as well as the free time considerably be reduced. This means that such a thyristor still on a semiconductor body with 100 mm (4 ′ ′) diameter manufactured and in a housing with a diameter of 127 mm (5 ′ ′) can be installed. That also poses with regard to the Reliability is a big advantage.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann durch die Verwendung eines beidseitig planaren Randabschlusses eine symmetrische Blockierfähigkeit erzielt werden. Dadurch kann die Dicke der p-Basisschicht und der Anode relativ klein gehalten werden, was eine sehr kleine Bauelementdicke und entsprechend kleine Leitungsverluste zur Folge hat.According to an advantageous embodiment of the invention by using a planar on both sides Edge closure achieved a symmetrical blocking ability become. This allows the thickness of the p-type base layer and the Anode can be kept relatively small, which is a very small one Component thickness and correspondingly small line losses has the consequence.
)Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei spielen erläutert. Es zeigen:) The invention is described below with reference to exemplary embodiments play explained. Show it:
Fig. 1 MOS-gesteuerte Emitterkurzschlüsse eines Halbleiterbauelements ausschnittsweise im Querschnitt, Fig. 1 MOS-controlled emitter short-circuits of a semiconductor device fragmentary cross-sectional
Fig. 2 ausschnittsweise eine kathodenseitige Struktur eines Halbleiterbauelementes und Fig. 2 a section of a cathode-side structure of a semiconductor device and
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf des Anodenstromes eines Thyristors beim Abschalten mit und ohne Abschalthilfe. Fig. 3 shows the time course of the anode current of a thyristor when switching off with and without switch-off aid.
Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch einen randseitigen Abschnitt eines scheibenförmigen abschaltbaren Halbleiterbauelementes, insbesondere eines MOS-gesteuerten Thyristors dar. Der Halbleiterkörper des Thyristors besteht im wesentlichen aus einer niedrigdotierten, n-leitenden n⁻- Basisschicht (3) aus Silizium; er weist eine kathodenseitige 1. Hauptfläche (12) und eine anodenseitige 2. Hauptfläche (13) auf. Auf der 1. Hauptfläche (12) sind elektrisch isoliert und gegenseitig beabstandet 3 kathodenseitige Steuerelektrodensegmente (GK1, GK2, GK3) einer kathodenseitigen Steuerelektrode aufgebracht und von einer Kathodenmetallisierung bzw. Kathode (K) nach außen umschlossen. Spiegelbildlich gegenüber den kathodenseitigen Steuerelektrodensegmenten (GK1, GK2, GK3) sind auf der 2. Hauptfläche (13) elektrisch isoliert und gegenseitig beabstandet 3 anodenseitige Steuerelektrodensegmente (GA1, GA2, GA3) einer anodenseitigen Steuerelektrode aufgebracht und von einer Anodenmetallisierung bzw. Anode (A) nach außen umschlossen. Eine die Steuerelektrodensegmente (GK1, GK2, GK3, GA1, GA2, GA3) umgebende Steuerelektrodenisolierung (11) kann z. B. aus Siliziumnitrid oder vorzugsweise aus SiO₂ bestehen. Zwischen den Steuerelektrodensegmenten (GK1, GK2, GK3, GA1, GA2, GA3) und auch randseitig von ihnen liegen die Kathode (K) und die Anode (A) direkt an der 1. Hauptfläche (12) bzw. an der 2. Hauptfläche (13) des Halbleiterkörpers auf. Fig. 1 shows a cross section through an edge portion of a disc-shaped switchable semiconductor component, in particular a MOS-controlled thyristor. The semiconductor body of the thyristor consists essentially of a low-doped, n-type n⁻ base layer ( 3 ) made of silicon; it has a cathode-side 1st main surface ( 12 ) and an anode-side 2nd main surface ( 13 ). On the first main surface ( 12 ), 3 cathode-side control electrode segments (G K1 , G K2 , G K3 ) of a cathode-side control electrode are electrically insulated and spaced from one another and surrounded by a cathode metallization or cathode (K) to the outside. As a mirror image of the control electrode segments on the cathode side (G K1 , G K2 , G K3 ), 3 anode-side control electrode segments (G A1 , G A2 , G A3 ) of an anode-side control electrode and an anode metallization are electrically insulated and spaced apart on the second main surface ( 13 ) or anode (A) enclosed to the outside. A control electrode insulation ( 11 ) surrounding the control electrode segments (G K1 , G K2 , G K3 , G A1 , G A2 , G A3 ) can e.g. B. consist of silicon nitride or preferably SiO₂. Between the control electrode segments (G K1 , G K2 , G K3 , G A1 , G A2 , G A3 ) and also on the edge thereof, the cathode (K) and the anode (A) lie directly on the 1st main surface ( 12 ) or on the 2nd main surface ( 13 ) of the semiconductor body.
Angrenzend an die 1. Hauptfläche (12) weist der Halbleiterkörper eine hochdotierte, p-leitende p⁺- Kurzschlußzone (5) auf, die unterhalb des linken Endes einer 1. kathodenseitigen Steuerelektrode (GK1) beginnt und sich bis unter das rechte Ende einer 2. kathodenseitigen Steuerelektrode (GK2) erstreckt. Diese p⁺-Kurzschlußzone (5) ist innerhalb des Halbleiterkörpers von einer schmalen, dünnwandigen n-leitenden n-Kurzschlußschicht (6) umgeben. 2 an die 1. Hauptfläche (12) angrenzende Gebiete der n- Kurzschlußschicht (6) sind mit (6a) bezeichnet; sie stellen n-Kanalgebiete bzw. Abschaltkanäle eines MOS-gesteuerten p- Kanal-Kurzschlußgebietes (GK1, K, 5, 6, GK2) dar. Die beiden Schichten (5, 6) bilden zusammen mit den kathodenseitigen Steuerelektrodensegmenten (GK1, GK2) und der Kathode (K) das p-Kanal-Kurzschlußgebiet (GK1, K, 5, 6, GK2).Adjacent to the 1st main surface ( 12 ), the semiconductor body has a highly doped, p-conducting p⁺ short-circuit zone ( 5 ), which begins below the left end of a 1st cathode-side control electrode (G K1 ) and extends to below the right end of one 2. cathode-side control electrode (G K2 ) extends. This p⁺ short-circuit zone ( 5 ) is surrounded within the semiconductor body by a narrow, thin-walled n-conducting n-short circuit layer ( 6 ). 2 regions of the n-short circuit layer ( 6 ) adjoining the first main surface ( 12 ) are designated by ( 6 a); they represent n-channel regions or switch-off channels of a MOS-controlled p-channel short-circuit region (G K1 , K, 5, 6, G K2 ). The two layers ( 5 , 6 ) together with the cathode-side control electrode segments (G K1 , G K2 ) and the cathode (K) the p-channel short-circuit area (G K1 , K, 5, 6, G K2 ).
Angrenzend an die 1. Hauptfläche (12) weist der Halbleiterkörper ferner eine hochdotierte, n-leitende n⁺- Kathodenemitterzone (1) auf, die unterhalb des linken Endes des 2. kathodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GK1) beginnt und sich bis unter das rechte Ende eines 3. kathodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GK3) erstreckt. Diese n⁺-Kathodenemitterzone (1) sowie die n- Kurzschlußschicht (6) sind von einem p-leitenden Gebiet (2) umgeben, das links unterhalb des linken Endes des 3. kathodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GK3) beginnt und sich bis unterhalb des rechten Endes der Kathode (K) erstreckt. Im p-leitenden Gebiet (2) bildet sich beim Zünden des GTO-Thyristors dicht unterhalb des 3. Steuerelektrodensegmentes (GK3) ein Zündkanal (2a) aus. An das p-leitende Gebiet (2) schließt sich in Richtung eines rechten Außenrandes (14) des Halbleiterkörpers eine weniger dicke, niedrigdotierte, p-leitende Kathodenrandschicht (7) an, die nicht ganz bis zum Außenrand (14) reicht.Adjacent to the 1st main surface ( 12 ), the semiconductor body also has a highly doped, n-conducting n + cathode emitter zone ( 1 ), which begins below the left end of the 2nd cathode-side control electrode segment (G K1 ) and extends to below the right end a 3rd cathode-side control electrode segment (G K3 ) extends. This n⁺-cathode emitter zone ( 1 ) and the n-short circuit layer ( 6 ) are surrounded by a p-type region ( 2 ), which begins on the left below the left end of the 3rd cathode-side control electrode segment (G K3 ) and extends to below the right End of the cathode (K) extends. In the p-type region (2) of the GTO thyristor is formed close to the ignition below the 3rd control electrode segment (G K3), a firing channel (2 a) of. The p-type region ( 2 ) is adjoined in the direction of a right outer edge ( 14 ) of the semiconductor body by a less thick, low-doped, p-type cathode edge layer ( 7 ) which does not extend all the way to the outer edge ( 14 ).
Angrenzend an die 2. Hauptfläche (13) weist der Halbleiterkörper eine hochdotierte, n-leitende n⁺- Kurzschlußzone (9) auf, die oberhalb des linken Endes eines 1. anodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GA1) beginnt und sich bis über das rechte Ende eines 2. anodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GA2) erstreckt. Diese n⁺- Kurzschlußzone (5) ist innerhalb des Halbleiterkörpers von einer schmalen, dünnwandigen p-leitenden p- Kurzschlußschicht (8) umgeben. 2 an die 2. Hauptfläche (13) angrenzende Gebiete der p-Kurzschlußschicht (8) sind mit (8a) bezeichnet; sie stellen Kanalgebiete bzw. Abschaltkanäle eines MOS-gesteuerten anodenseitigen Kurzschlußgebietes (GA1, A, 9, 8, GA2) dar.Adjacent to the 2nd main surface ( 13 ), the semiconductor body has a highly doped, n-conducting n⁺ short-circuit zone ( 9 ) which begins above the left end of a 1st anode-side control electrode segment (G A1 ) and extends over the right end of a 2. anode-side control electrode segment (G A2 ) extends. This n⁺ short-circuit zone ( 5 ) is surrounded within the semiconductor body by a narrow, thin-walled p-type p-short circuit layer ( 8 ). 2 regions of the p-short circuit layer ( 8 ) adjoining the second main surface ( 13 ) are designated by ( 8 a); they represent channel areas or switch-off channels of a MOS-controlled anode-side short-circuit area (G A1 , A, 9, 8, G A2 ).
Angrenzend an die 2. Hauptfläche (13) weist der Halbleiterkörper ferner eine hochdotierte, p-leitende p⁺- Anodenemitterzone (4) auf, die oberhalb des linken Endes des 2. anodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GA2) beginnt und sich bis über das rechte Ende eines 3. anodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GA3) erstreckt. Links davon beginnt ein weiteres n-Kanal-Kurzschlußgebiet. Oberhalb des rechten Endes der anodenseitigen Steuerelektrode (GA1) beginnt eine p⁺-Anodenemitterzone (4), die über das rechte Ende der Anode (A) hinausreicht. An dieses p-leitende Gebiet (4) schließt sich in Richtung des rechten Außenrandes (14) des Halbleiterkörpers eine weniger dicke, niedrigdotierte, p-leitende Kathodenrandschicht (10) an, die nicht ganz bis zum Außenrand (14) reicht.Adjacent to the 2nd main surface ( 13 ), the semiconductor body also has a highly doped, p-conducting p⁺ anode emitter zone ( 4 ) which begins above the left end of the 2nd anode-side control electrode segment (G A2 ) and extends over the right end a 3rd anode-side control electrode segment (G A3 ) extends. Another n-channel short-circuit area begins to the left. Above the right end of the anode-side control electrode (G A1 ) begins a p⁺ anode emitter zone ( 4 ) which extends beyond the right end of the anode (A). This p-conducting region ( 4 ) is adjoined in the direction of the right outer edge ( 14 ) of the semiconductor body by a less thick, low-doped, p-conducting cathode edge layer ( 10 ) which does not extend all the way to the outer edge ( 14 ).
Bei dem Halbleiterkörper können sich nach links weitere gleichartige, nicht dargestellte Folgen von Kurzschluß- und Emittergebieten anschließen. Es versteht sich, daß statt Silizium auch ein anderes Halbleitermaterial verwendet werden kann.The semiconductor body can have more to the left Similar, not shown sequences of short-circuit and Connect emitter areas. It goes without saying that instead Silicon also uses another semiconductor material can be.
Durch Anlegen einer positiven Spannung an die elektrisch miteinander verbundenen kathodenseitigen Steuerelektrodensegmente (GK1, GK2, GK3) gegenüber der Spannung der Kathode (K) entsteht unterhalb deren Steuerelektrodenisolierung (11) eine negative Aufladung im Gebiet des Zündkanals (2a). Dadurch wird dieses Gebiet (2a) leitend, so daß zum Zünden des Thyristors Elektronen von der Kathode (K) durch die n⁺-Kathodenemitterzone (1), den Zündkanal (2a) und die n⁺-Basisschicht (3) zur p⁺- Anodenemitterzone (4) gelangen. Es werden somit zur Initialisierung der Zündung Elektronen von der Kathode (K) in die n⁻-Basisschicht (3) injiziert. Gleichzeitig wird das n-Kanalgebiet (6a) des p-Kanal-Kurzschlußgebietes (GK1, K, 5, 6, GK2) gesperrt, so daß dieses nicht aktiv werden kann. Dadurch wird eine sehr hohe Zündempfindlichkeit erreicht.By applying a positive voltage to the electrically connected cathode-side control electrode segments (G K1 , G K2 , G K3 ) with respect to the voltage of the cathode (K), a negative charge in the area of the ignition channel ( 2 a) is created below the control electrode insulation ( 11 ). This makes this area ( 2 a) conductive, so that to ignite the thyristor electrons from the cathode (K) through the n⁺-cathode emitter zone ( 1 ), the ignition channel ( 2 a) and the n⁺-base layer ( 3 ) to p ⁺- reach the anode emitter zone ( 4 ). Electrons are thus injected from the cathode (K) into the n⁻ base layer ( 3 ) to initialize the ignition. At the same time, the n-channel area ( 6 a) of the p-channel short-circuit area (G K1 , K, 5 , 6 , G K2 ) is blocked, so that it cannot become active. A very high ignition sensitivity is thereby achieved.
Die elektrisch miteinander verbundenen anodenseitigen Steuerelektrodensegmente (GA1, GA2, GA3) sind beim Zündvorgang negativ bezüglich des Anodenpotentials gepolt, damit der anodenseitige Abschaltkanal (8a) in der p- Kurzschlußschicht (8) des anodenseitigen Kurzschlußgebietes (GA1, A, 9, 8, GA2) sperrt und dieses unwirksam ist.The electrically connected anode-side control electrode segments (G A1 , G A2 , G A3 ) have a negative polarity with respect to the anode potential during the ignition process, so that the anode-side shutdown channel ( 8 a) in the p-type short-circuit layer ( 8 ) of the anode-side short-circuit area (G A1 , A, 9, 8, G A2 ) blocks and this is ineffective.
Stellt man die Schwellspannung der kathodenseitigen MOS- Kanäle (2a, 6a) so ein, daß bei einer Steuerelektrodenspannung von 0 V der Zündkanal (2a) geschlossen und die Kanalgebiete (6a) offen sind, so ergibt sich eine hohe Festigkeit der zeitlichen Spannungsänderung bzw. einer dU/dt-Festigkeit auch bei nicht angesteuerten kathodenseitigen Steuerelektrodensegmenten (GK1, GK2, GK3).If you set the threshold voltage of the cathode-side MOS channels ( 2 a, 6 a) in such a way that the ignition channel ( 2 a) is closed and the channel regions ( 6 a) are open at a control electrode voltage of 0 V, this results in a high strength of the voltage change over time or a dU / dt strength even in the case of uncontrolled cathode-side control electrode segments (G K1 , G K2 , G K3 ).
Im Einschaltzustand des Thyristors werden die kathodenseitigen Steuerelektrodensegmente (GK1, GK2, GK3) positiv im Verhältnis zur Kathode (K) und die anodenseitigen Steuerelektrodensegmente (GA1, GA2, GA3) negativ im Verhältnis zur Anode (A) gepolt. Das ergibt minimale Leitungsverluste.When the thyristor is switched on, the cathode-side control electrode segments (G K1 , G K2 , G K3 ) are polarized positively in relation to the cathode (K) and the anode-side control electrode segments (G A1 , G A2 , G A3 ) are negatively polarized in relation to the anode (A). This results in minimal line losses.
Zum Abschalten bzw. Abkommutieren des Thyristors werden die kathodenseitigen Steuerelektrodensegmente (GK1, GK2, GK3) negativ gepolt, so daß die Kanalgebiete (6a) leitend werden und die Plasmakonzentration an der Kathode (K) gesenkt wird. Löcherladungsträger gelangen von der p⁺- Anodenemitterzone (4) durch die n⁻-Basisschicht (3), das p- leitende Gebiet (2), die Kanalgebiete (6a) und die p⁺- Kurzschlußzone (5) zur Kathode (K).To switch off or commutate the thyristor, the cathode-side control electrode segments (G K1 , G K2 , G K3 ) are negatively polarized, so that the channel regions ( 6 a) become conductive and the plasma concentration at the cathode (K) is reduced. Hole charge carriers pass from the p⁺ anode emitter zone ( 4 ) through the n⁻ base layer ( 3 ), the p-type region ( 2 ), the channel regions ( 6 a) and the p⁺ short-circuit zone ( 5 ) to the cathode (K) .
Die anodenseitigen Steuerelektrodensegmente (GA1, GA2, GA3) werden positiv gepolt. Damit werden die anodenseitigen Abschaltkanäle (8a) leitend, so daß die Plasmakonzentration an der Anode (A) erheblich gesenkt wird. Elektronen gelangen von der Kathode (K) durch das p-leitende Gebiet (2), die n⁻-Basisschicht (3), die anodenseitigen Abschaltkanäle (8a) und die anodenseitige n⁺-Kurzschlußzone (9) zur Anode (A). Als Folge davon besitzt der Thyristor beim Stromnulldurchgang nur noch eine vergleichsweise geringe Speicherladung. Die energetischen Schaltverluste und die Freiwerdezeit der Ladungsträger sind entsprechend minimal.The anode-side control electrode segments (G A1 , G A2 , G A3 ) are polarized positively. The anode-side shutdown channels ( 8 a) thus become conductive, so that the plasma concentration at the anode (A) is considerably reduced. Electrons pass from the cathode (K) through the p-type region ( 2 ), the n⁻ base layer ( 3 ), the anode-side cut-off channels ( 8 a) and the anode-side n⁺ short-circuit zone ( 9 ) to the anode (A). As a result, the thyristor has only a comparatively low storage charge when the current passes through zero. The energetic switching losses and the release time of the charge carriers are correspondingly minimal.
Durch die Verwendung der MOS-Steuerung des Thyristors und auf Grund dessen langsamer Schaltgeschwindigkeit wird nur eine sehr geringe Steuerladung von etwa 4,8 µAs für einen Halbleiterkörper mit einer Hauptfläche (12, 13) von 60 cm² benötigt.By using the MOS control of the thyristor and because of its slow switching speed, only a very small control charge of about 4.8 µAs is required for a semiconductor body with a main area ( 12 , 13 ) of 60 cm².
Ein Anwender des Thyristors muß für die anodenseitigen Steuerelektrodensegmente (GA1, GA2, GA3) ein Steuersignal zur Verfügung stellen, das über eine Potentialstufe von etwa 10 kV elektrisch isoliert ist. Da die Steuerelektrodensegmente (GK1, GK2, GK3, GA1, GA2, GA3) mit kleinen Strömen umgeladen werden können, ist deren optische Ansteuerung möglich. A user of the thyristor must provide a control signal for the anode-side control electrode segments (G A1 , G A2 , G A3 ), which is electrically isolated via a potential stage of approximately 10 kV. Since the control electrode segments (G K1 , G K2 , G K3 , G A1 , G A2 , G A3 ) can be reloaded with small currents, their optical control is possible.
Es versteht sich, daß Halbleiterkörper anodenseitig ohne MOS-gesteuerte Kurzschlußgebiete (GA1, A, 9, 8, GA2) betrieben werden können, wobei dann angrenzend an die 2. Hauptfläche (13) eine p⁺-Anodenemitterzone (4′) vorgesehen ist, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet. Diese Ausführung eignet sich für geringere Sperrspannungen.It goes without saying that semiconductor bodies can be operated on the anode side without MOS-controlled short-circuit regions (G A1 , A, 9, 8, G A2 ), a p⁺ anode emitter zone ( 4 ') then being provided adjacent to the second main surface ( 13 ) is, as indicated by dashed lines in Fig. 1. This version is suitable for lower reverse voltages.
Fig. 2 zeigt ausschnittsweise einen Querschnitt durch einen kathodenseitigen Teil eines Halbleiterkörpers, bei dem Einschalt- und Randbereich nicht dargestellt sind. Die MOS- gesteuerten p-Kanal-Kurzschlußgebiete (GK K, 5, 6′, 6a) weisen eine andere Struktur auf als die p-Kanal- Kurzschlußgebiete (GK1, K, 5, 6, GK2) von Fig. 1. Unterhalb von Steuerelektrodensegmenten (GK) ist eine Oxidschicht (15) aus SiO₂ vorgesehen, die sich bis zu benachbarten p⁺- Kurzschlußzonen (5) erstreckt. Unterhalb des jeweiligen Steuerelektrodensegmentes (GK) befindet sich ein n leitendes Kanalgebiet (6a), das geringer n-dotiert ist als das übrige Gebiet einer angrenzenden n⁺-Kurzschlußschicht (6′), welche die p⁺-Kurzschlußzone (5) teilweise umgibt und auf der gegenüberliegenden Seite des Kanalgebietes (6a) mit der Kathode (K) in direktem Kontakt steht. Fig. 2 shows part of a cross section through a cathode-side portion of a semiconductor body, are not shown in the turn-on and the edge region. The MOS-controlled p-channel short-circuit regions (G K K, 5, 6 ', 6a) have a different structure than the p-channel short-circuit regions (G K1 , K, 5, 6, G K2 ) from FIG. 1 Below control electrode segments (G K ) an oxide layer ( 15 ) made of SiO₂ is provided, which extends to adjacent p⁺ short-circuit zones ( 5 ). Below the respective control electrode segment (G K ) is an n conductive channel region ( 6 a), which is less n-doped than the rest of an adjacent n⁺ short-circuit layer ( 6 '), which partially covers the p⁺ short-circuit zone ( 5 ) surrounds and is in direct contact with the cathode (K) on the opposite side of the channel area ( 6 a).
Die Steuerelektrodenisolierung (11) umschließt jeweils 2 benachbarte Steuerelektrodensegmente (GK) sowie die Oxidschicht (15); sie reicht lateral bis zu benachbarten p⁺-Kurzschlußzonen (5) und ist von benachbarten Kathodensegmenten (K) beabstandet. Jedes Kathodensegment (K) steht mit einer p⁺-Kurzschlußzone (5) in direktem Kontakt. Untereinander sind die Kathodensegmente (K) elektrisch verbunden (nicht dargestellt). Die p-Kanal- Kurzschlußgebiete (GK K, 5, 6′ 6a) sind innerhalb des Halbleiterkörpers von dem p-leitende Gebiet (2) umgeben. Der Mittenabstand (a) benachbarter p⁺-Kurzschlußzonen (5) liegt im Bereich von 20 µm-40 µm. The control electrode insulation ( 11 ) encloses 2 adjacent control electrode segments (G K ) and the oxide layer ( 15 ); it extends laterally to adjacent p⁺ short-circuit zones ( 5 ) and is spaced from adjacent cathode segments (K). Each cathode segment (K) is in direct contact with a p⁺ short-circuit zone ( 5 ). The cathode segments (K) are electrically connected to one another (not shown). The p-channel short-circuit areas (G K K, 5, 6 '6a) are surrounded within the semiconductor body by the p-type region ( 2 ). The center distance (a) of adjacent p⁺ short-circuit zones ( 5 ) is in the range of 20 µm-40 µm.
Fig. 3 zeigt den Verlauf eines Anodenstromes (iA) des Thyristors beim Abschalten in Abhängigkeit von der Zeit (t). Eine Kurve (17) zeigt den Verlauf des Anodenstromes (iA) bei abgeschaltetem und eine Kurve (16) bei eingeschaltetem p-Kanal-Kurzschlußgebiet (GK1, K, 5, 6, GK2). Wie daraus ersichtlich ist, verringert sich bei eingeschaltetem p-Kanal-Kurzschlußgebiet (GK1, K, 5, 6, GK2) die Abschalt-Verlustleistung und die Sperrzeit des Thyristors. Fig. 3 shows the course of an anode current (i A ) of the thyristor when switching off as a function of time (t). A curve ( 17 ) shows the profile of the anode current (i A ) when the p-channel short-circuit region is switched off and a curve ( 16 ) when it is switched on (G K1 , K, 5, 6, G K2 ). As can be seen from this, the turn-off power loss and the blocking time of the thyristor are reduced when the p-channel short-circuit region (G K1 , K, 5, 6, G K2 ) is switched on.
BezugszeichenlisteReference list
1 n⁺-Kathodenemitterzone
2 kathodenseitiges p-leitendes Gebiet
2a Zündkanal in 2
3 niedrigdotierte n⁻-Basisschicht
4, 4′ p⁺-Anodenemitterzonen
5 kathodenseitige p⁺-Kurzschlußzone
6 kathodenseitige n-Kurzschlußschicht
6′ kathodenseitige n⁺-Kurzschlußschicht
6a kathodenseitiges Kanalgebiet, Abschaltkanal in 6
7 kathodenseitige niedrigdotierte Kathodenrandschicht
8 anodenseitige p-Kurzschlußzone
8a anodenseitiges Kanalgebiet, Abschaltkanal in 8
9 anodenseitige n⁺-Kurzschlußzone
10 anodenseitige niedrigdotierte Anodenrandschicht
11 elektrische Isolierung, Steuerelektrodenisolierung
12 1. Hauptfläche
13 2. Hauptfläche
14 Außenrand des Halbleiterkörpers
15 Oxidschicht
16 Abschaltverlauf von iA mit eingeschaltetem Kurzschluß
17 Abschaltverlauf von iA mit ausgeschaltetem Kurzschluß
a Mittenabstand benachbarter p⁺-Kurzschlußzonen 5
A Anode, Anodenmetallisierung
GK; GA1, GA2, GA3 anodenseitige Steuerelektrodensegmente
GK1, GK2, GK3 kathodenseitige Steuerelektrodensegmente
iA Anodenstrom
K Kathode, Kathodenmetallisierung
t Zeit 1 n⁺ cathode emitter zone
2 cathode-side p-type area
2 a ignition channel in 2
3 lightly doped n⁻ base layer
4 , 4 ′ p⁺ anode emitter zones
5 p⁺ short-circuit zone on the cathode side
6 n-short-circuit layer on the cathode side
6 ' cathode-side n⁺ short-circuit layer
6 a cathode-side channel area, switch-off channel in 6
7 cathode-side low doped cathode layer
8 anode-side p short-circuit zone
8 a anode-side channel area, switch-off channel in 8
9 anode-side n⁺ short-circuit zone
10 anode-side low-doped anode surface layer
11 electrical insulation, control electrode insulation
12 1. Main area
13 2nd main area
14 outer edge of the semiconductor body
15 oxide layer
16 Switch-off curve of i A with short circuit switched on
17 Switch-off curve of i A with short circuit switched off
a Center distance between adjacent p⁺ short-circuit zones 5
A anode, anode metallization
G K ; G A1 , G A2 , G A3 anode-side control electrode segments
G K1 , G K2 , G K3 control electrode segments on the cathode side
i A anode current
K cathode, cathode metallization
t time
Claims (9)
- a) mit einem scheibenförmigen Halbleiterkörper,
- b) der auf einer 1. Hauptfläche (12) mindestens eine Kathodenmetallisierung oder Kathode (K) und
- c) auf einer dieser gegenüberliegenden 2. Hauptfläche (13) mindestens eine Anodenmetallisierung oder Anode (A) aufweist,
- d) mit mindestens 2 elektrisch isoliert und lateral zueinander versetzt auf der 1. Hauptfläche (12) und isoliert von der Kathode (K) angeordneten Steuerelektrodensegmenten (GK1, GK2, GK3) einer kathodenseitigen Steuerelektrode,
- e) wobei der Halbleiterkörper eine niedrigdotierte, n leitende n⁻-Basisschicht (3) aufweist,
- f) ferner angrenzend an die 1. Hauptfläche (12) mindestens eine hochdotierte, n-leitend n⁺-Kathoden emitterzone (1), die wenigstens abschnittsweise mit der Kathode (K) in direktem Kontakt steht und
- g) über ein p-leitendes Gebiet (2) mit der n⁻- Basisschicht (3) in Verbindung steht,
- h) wobei angrenzend an die 2. Hauptfläche (13) mindestens eine hochdotierte, p-leitende p⁺- Anodenemitterzone (4) vorgesehen ist, die wenigstens abschnittsweise mit der Anode (A) in direktem Kontakt steht,
- i) mit mindestens einem kathodenseitigen MOS- gesteuerten p-Kanal-Kurzschlußgebiet (GK1, K, 5, 6, GK2; GK K, 5, 6′, 6a) im Halbleiterkörper, angrenzend an dessen 1. Hauptfläche (12), das sich lateral von einem Teil eines 1. kathodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GK1) bis zu einem Teil eines benachbarten 2. kathodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GK2) erstreckt, und
- j) eine p-leitende p⁺-Kurzschlußzone (5) aufweist, die wenigstens abschnittsweise mit der Kathode (K) in direktem Kontakt steht und im Halbleiterkörper von mindestens einer n-leitenden n-Kurzschlußschicht (6) umgeben ist, welche an der 1. Hauptfläche (12) gegenüber von diesen 1. und 2. Steuerelektrodensegmenten (GK1, GK2) endet, dadurch gekennzeichnet,
- k) daß die n⁺-Kathodenemitterzone (1) von der n- Kurzschlußschicht (6) des mindestens einen MOS- gesteuerten p-Kanal-Kurzschlußgebietes (GK1, K, 5, 6, GK2; GK K, 5, 6′, 6a) durch das p-leitende Gebiet (2) getrennt ist.
- a) with a disk-shaped semiconductor body,
- b) at least one cathode metallization or cathode (K) on a first main surface ( 12 ) and
- c) has at least one anode metallization or anode (A) on a second main surface ( 13 ) opposite this,
- d) with at least 2 control electrode segments (G K1 , G K2 , G K3 ) of a control electrode on the cathode side that are electrically insulated and laterally offset from one another on the first main surface ( 12 ) and insulated from the cathode (K),
- e) the semiconductor body having a low-doped, n conductive n⁻ base layer ( 3 ),
- f) further adjacent to the 1st main surface ( 12 ) at least one highly doped, n-type n⁺-cathode emitter zone ( 1 ) which is at least in sections in direct contact with the cathode (K) and
- g) is connected to the n⁻ base layer ( 3 ) via a p-type region ( 2 ),
- h) at least one highly doped, p-type p⁺ anode emitter zone ( 4 ) is provided adjacent to the second main surface ( 13 ) and is in direct contact with the anode (A) at least in sections,
- i) with at least one cathode-side MOS-controlled p-channel short-circuit region (G K1 , K, 5, 6, G K2 ; G K K, 5, 6 ', 6a) in the semiconductor body, adjacent to its 1st main surface ( 12 ) , which extends laterally from part of a 1st cathode-side control electrode segment (G K1 ) to part of an adjacent 2nd cathode-side control electrode segment (G K2 ), and
- j) has a p-type p⁺ short-circuit zone ( 5 ) which is at least partially in direct contact with the cathode (K) and is surrounded in the semiconductor body by at least one n-type n-short circuit layer ( 6 ) which is connected to the first Main surface ( 12 ) opposite to these 1st and 2nd control electrode segments (G K1 , G K2 ) ends, characterized in that
- k) that the n⁺ cathode emitter zone ( 1 ) from the n short circuit layer ( 6 ) of the at least one MOS-controlled p-channel short circuit region (G K1 , K, 5, 6, G K2 ; G K K, 5, 6 ', 6a) is separated by the p-type region ( 2 ).
- a) daß mehrere MOS-gesteuerte p-Kanal-Kurzschlußgebiete (GK1, K, 5, 6, GK2; GK K, 5, 6′, 6a) vorgesehen und im Bereich des Halbleiterkörpers nur durch das p leitende Gebiet (2) voneinander getrennt sind,
- b) daß die n-Kurzschlußschicht (6) im Bereich der Steuerelektrodensegmente (GK1, GK2; GK) ein n- Kanalgebiet (6a) aufweist, welches eine niedrigere n-Dotierung hat als in ihrem übrigen Gebiet und
- c) daß die n-Kurzschlußschicht (6) im Bereich zwischen benachbarten p-Kanal-Kurzschlußgebieten (GK1, K, 5, 6, GK2; GK K, 5, 6′, 6a) mit der Kathode (K) in direktem Kontakt steht.
- a) that several MOS-controlled p-channel short-circuit regions (G K1 , K, 5, 6, G K2 ; G K K, 5, 6 ', 6a) are provided and in the region of the semiconductor body only through the p conductive region ( 2nd ) are separated from each other,
- b) that the n-short circuit layer ( 6 ) in the area of the control electrode segments (G K1 , G K2 ; G K ) has an n-channel region ( 6 a) which has a lower n-doping than in its remaining region and
- c) that the n-short circuit layer ( 6 ) in the area between adjacent p-channel short-circuit areas (G K1 , K, 5, 6, G K2 ; G K K, 5, 6 ', 6a) with the cathode (K) in direct contact.
- a) daß auf der 2. Hauptfläche (13) mindestens 2 elektrisch isolierte und lateral zueinander versetzte sowie von der Anode (A) isolierte Steuerelektrodensegmente (GA1, GA2, GA3) einer anodenseitigen Steuerelektrode vorgesehen sind,
- b) daß mindestens ein anodenseitiges n-Kanal- Kurzschlußgebiet (GA1, A, 9, 8, GA2) im Halbleiterkörper, angrenzend an dessen 2. Hauptfläche (13) vorgesehen ist, das sich lateral von einem Teil eines 1. anodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GA1) bis zu einem Teil eines benachbarten 2. kathodenseitigen Steuerelektrodensegmentes (GA2) erstreckt und
- c) eine n-leitende n⁺-Kurzschlußzone (9) aufweist, die wenigstens abschnittsweise mit der Anode (A) in direktem Kontakt steht und im Halbleiterkörper von mindestens einer p-leitenden p-Kurzschlußschicht (8) umgeben ist, welche an der 2. Hauptfläche (13) gegenüber von 1. und 2. Steuerelektrodensegmenten (GA1, GA2) endet, und
- d) daß die p⁺-Anodenemitterzone (4) von der p- Kurzschlußschicht (8) des mindestens einen MOS- gesteuerten anodenseitigen Kurzschlußgebietes (GA1, A, 9, 8, GA2) durch die n⁻-Basisschicht (3) getrennt ist.
- a) that on the second main surface ( 13 ) at least 2 electrically insulated and laterally offset to one another and insulated from the anode (A) are provided control electrode segments (G A1 , G A2 , G A3 ) of an anode-side control electrode,
- b) that at least one anode-side n-channel short-circuit region (G A1 , A, 9, 8, G A2 ) is provided in the semiconductor body, adjacent to its second main surface ( 13 ), which is laterally from part of a first anode-side control electrode segment (G A1 ) extends to part of an adjacent 2nd cathode-side control electrode segment (G A2 ) and
- c) has an n-type n⁺ short-circuit zone ( 9 ) which is at least partially in direct contact with the anode (A) and is surrounded in the semiconductor body by at least one p-type p-type short-circuit layer ( 8 ) which is connected to the second Main surface ( 13 ) opposite 1st and 2nd control electrode segments (G A1 , G A2 ) ends, and
- d) that the p⁺ anode emitter zone ( 4 ) from the p short circuit layer ( 8 ) of the at least one MOS-controlled anode-side short circuit area (G A1 , A, 9, 8, G A2 ) separated by the n⁻ base layer ( 3 ) is.
- a) daß die Kathodenrandschicht (7) und/oder die Anodenrandschicht (10) eine geringere Tiefe von der jeweiligen 1. oder 2. Hauptfläche (12, 13) aufweisen als die angrenzenden p-leitenden Gebiete (2, 4) und
- b) randseitig nicht bis zu einem seitlichen Außenrand (14) des Halbleiterkörpers reichen.
- a) that the cathode edge layer ( 7 ) and / or the anode edge layer ( 10 ) have a smaller depth from the respective 1st or 2nd main surface ( 12 , 13 ) than the adjacent p-conducting regions ( 2 , 4 ) and
- b) do not reach the edge up to a lateral outer edge ( 14 ) of the semiconductor body.
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