DE60029168T2 - Empfindlicher bidirektionaler statischer Schalter - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Ausbildung bidirektionaler Schalter mittlerer Leistung in monolithischer Form.
  • Die häufigsten statischen bidirektionalen Schalter sind die Triacs. Ein Triac entspricht der Vereinigung von zwei Thyristoren in antiparalleler Anordnung. Das Triac kann daher direkt an ein Wechselstromnetz angeschlossen werden, beispielsweise das allgemeine Stromnetz. Das Gate eines herkömmlichen Triac entspricht dem Kathodengate wenigstens eines der beiden Thyristoren, die das Triac bilden, und ist auf die an der Vorderseite des Triac gelegene Elektrode bezogen, d. h. die Seite, welche den Gate-Anschluss aufweist, während die andere Seite des Triac üblicherweise mit einem Kühlradiator und mit Masse verbunden ist.
  • Im folgenden werden näherhin bidirektionale Schalter des Typs in Betracht gezogen, der in der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0 817 277 beschrieben ist, dessen Triggerung durch Anlegen einer Spannung zwischen einer an der Vorderseite des Bauteils gelegenen Steuerelektrode und einer an der gegenüberliegenden Seite des Bauteils gelegenen Hauptelektrode gewährleistet wird.
  • 1 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild eines derartigen bidirektionalen Schalters. Eine Steuerelektrode G des bidirektionalen Schalters ist mit dem Emitter eines bipolaren Transistors T verbunden, dessen Kollektor mit den Anodengates des ersten und des zweiten Thyristors Th1 und Th2 verbunden ist, die zwischen zwei Anschlüssen A1 und A2 in antiparalleler Anordnung liegen. Der Anschluss A1 entspricht der Anode des Thyristors Th1 und der Kathode des Thyristors Th2. Der Anschluss A1 ist auch mit der Basis des Transistors T verbunden. Der Anschluss A2 entspricht der Anode des Thyristors Th2 und der Kathode des Thyristors Th1.
  • 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels in monolithischer Form des in Verbindung mit 1 beschriebenen bidirektionalen Schalters. Der Transistor T ist im linken Teil der Figur ausgebildet, der Thyristor Th1 in der Mitte und der Thyristor Th2 im rechten Teil.
  • Das Gebilde von 2 ist ausgehend von einem schwach dotierten Halbleitersubstrat 1 vom N-Typ ausgebildet. Die Anode des Thyristors Th1 entspricht einer an der Rück- bzw. Unterseite des Substrats 1 ausgebildeten Schicht 2 vom P-Typ. Seine Kathode entspricht einem an der Vorderseite in einem Kasten bzw. Graben 4 vom P-Typ ausgebildeten Bereich 3 vom N-Typ. Die Anode des Thyristors Th2 entspricht einem an der Vorderseite ausgebildeten Graben bzw. Kasten bzw. Wanne 5 vom P-Typ, seine Kathode entspricht einem auf der Rückseite in der Schicht 2 ausgebildeten Bereich 6 vom N-Typ. Der Umfang des Strukturgebildes wird von einem stark dotierten Bereich 7 vom P-Typ gebildet, der sich von der Vorderseite bis zur P-Typ-Schicht 2 erstreckt. In herkömmlicher Weise erhält man den Bereich 7 durch tiefe Diffusion, ausgehend von den beiden Oberflächen des Substrats. Die Hinter- bzw. Unterseite ist mit einer Metallisierung M1 überzogen, welche dem ersten Anschluss A1 des bidirektionalen Schalters entspricht. Die jeweiligen Oberseiten der Bereiche 3 und 5 sind mit einer zweiten Metallisierung M2 überzogen, welche dem zweiten Anschluss A2 des bidirektionalen Schalters entspricht. Ein Bereich 8 vom N-Typ ist an der Vorderseite in einem Kasten bzw. Graben 9 vom P-Typ ausgebildet, in Kontakt mit dem Umfangsbereich 7. Die Oberfläche des Bereichs 8 ist fest mit einer Metallisierung M3 verbunden, die mit dem Steueranschluss G des bidirektionalen Schalters verbunden ist. Über der Oberseite des Umfangsbereichs 7 kann eine Metallisierung M4 ausgebildet sein. Die Metallisierung M4 ist nicht mit einem äußeren Anschluss verbunden. Als mögliche Abwandlung kann der Kasten bzw. Graben 9 von dem Umfangsbereich 7 getrennt sein und elektrisch mit diesem über die Metallisierung M4 verbunden sein.
  • Die Arbeits- und Funktionsweise dieses bidirektionalen Schalters ist wie folgt.
  • Ist der Anschluss A2 negativ relativ bezüglich dem Anschluss A1, so ist es der Thyristor Th1, der leitend sein kann. Legt man an den Anschluss G eine hinreichend negative Spannung relativ bezüglich der Metallisierung M1 an, ist der Basis-Emitter-Übergang des Transistors T in Durchlassrichtung vorgespannt und dieser Transistor wird leitend. Es fließt daher ein in 2 gestrichelt dargestellter vertikaler Strom ic von der Metallisierung M1 über den in Durchlassrichtung vorgespannten PN-Übergang zwischen der Schicht 2 und dem Substrat 1 und sodann in die Bereiche 1, 9 und 8 entsprechend dem Transistor T. Es kommt daher zu einer Erzeugung von Ladungsträgern auf dem Niveau des Übergangs zwischen dem Substrat 1 und dem Graben bzw. Kasten 9 nahe dem PN-Übergang zwischen dem Substrat 1 und dem Graben bzw. Kasten 4, und der Thyristor Th1 wird in den leitenden Zustand versetzt. Man kann es auch so betrachten, dass man eine Triggerung eines vertikalen Hilfsthyristors NPNP bewirkt hat, welcher die Bereiche 8-9-1-2 umfasst, dessen Bereich 9 den Kathodengate-Bereich darstellt.
  • Ebenso wird in dem Fall, wenn der Anschluss A2 positiv relativ bezüglich dem Anschluss A1 ist, durch Anlegen einer negativen Spannung an den Anschluss G der Transistor T leitend gemacht. Die benachbart dem Übergang zwischen dem Substrat 1 und der Schicht 2 vorliegenden Ladungsträger haben den Übergang des Thyristors Th2 in den leitenden Zustand zur Folge, was durch die schematische Draufsicht von 4 noch besser verständlich wird, in welcher man erkennt, dass der dem Transistor T entsprechende Bereich benachbart einem Bereich jedes der Thyristoren Th1 und Th2 ist.
  • Die Erfahrung zeigt, dass dieser Typ eines bidirektionalen Schalters eine nicht-optimale Steuerempfindlichkeit besitzt, d. h. insbesondere, dass der zum Triggern des Thyristors Th1 erforderliche Strom mehrere hundert mA beträgt.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer neuen Realisierung in monolithischer Form eines bidirektionalen Schalters des oben erwähnten Typs, der eine höhere Steuerempfindlichkeit des Thyristors Th1 aufweist.
  • Zur Erreichung dieses Ziels sieht die vorliegende Erfindung einen monolithischen bidirektionalen Schalter gemäß Anspruch 1 vor.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zusätzliche Bereich aus einem Halbleitermaterial vom ersten Leitfähigkeitstyp besteht.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Dicke des zusätzlichen Bereichs kleiner als die der Rückseitenschicht des zweiten vertikalen Hauptthyristors ist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zusätzliche Bereich aus einem Siliziumoxid besteht.
  • Diese sowie weitere Ziele, Gegenstände, Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden nichteinschränkenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele im einzelnen auseinandergesetzt, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren; in diesen zeigen:
  • 1 ein elektrisches Schaltbild eines herkömmlichen bidirektionalen Schalters,
  • 2 in schematischer Schnittansicht eine herkömmliche Ausführungsform des bidirektionalen Schalters von 1,
  • 3 in schematischer Schnittansicht eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung für den bidirektionalen Schalter aus 1 sowie
  • 4 in Draufsicht ein Beispiel des bidirektionalen Schalters aus 3.
  • Aus Gründen der Klarheit und Übersichtlichkeit sind in den verschiedenen Zeichnungsfiguren gleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Außerdem sind, wie dies bei der Darstellung integrierter Schaltungen üblich ist, die 2, 3 und 4 nicht maßstabsgerecht.
  • 3 zeigt in schematischer Schnittansicht eine Ausführungsform eines monolithischen bidirektionalen Schalters gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Struktur der verschiedenen in dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildeten Zonen stimmt mit der in 2 dargestellten überein. Der Unterschied zwischen den beiden Figuren besteht darin, dass an der Rückseite zwischen der Schicht 2 und der Metallisierung M1 ein Bereich 10 mit einer Isolierfunktion vorgesehen ist, im wesentlichen unterhalb dem erwähnten vertikalen Hilfsthyristor. Dies geht auch aus 4 hervor, in welcher der Umriss des Bereichs 10 durch eine gestrichelte Linie im unteren linken Bereich der Figur gezeichnet ist. Die in 4 nicht dargestellte Schicht 6 nimmt die gesamte Unterseite ein mit Ausnahme der unterhalb dem Kasten 4 vom P-Typ gelegenen Zone und der durch den Bereich 10 eingenommenen Oberfläche.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Bereich 10 aus einem dotierten Halbleitermaterial vom N-Typ.
  • Die Arbeits- und Wirkungsweise des bidirektionalen Schalters bleibt im wesentlichen ähnlich der zuvor in Verbindung mit 2 beschriebenen. Jedoch ist der Basisstrom ib des Transistors T, der von der Metallisierung M1 zu dem Bereich 8 führt, nunmehr durch das Vorhandensein des Bereichs 10 abgelenkt, gemäß dem Verlauf ib in 3.
  • Der Hauptstrom des vertikalen Hilfsthyristors wird ebenfalls abgelenkt, wie die Pfeile ic zeigen. Man erkennt, dass man durch Änderung der Abmessungen des Bereichs 10 den Verlauf des Stroms ic benachbart den Zonen, wo er am wirksamsten die Triggerung des Thyristors Th1 hervorrufen kann, d. h. nahe der Grenze des Grabens bzw. Kastens 4, begünstigt.
  • Die von der Anmelderin durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass der Triggerstrom des Thyristors Th1 minimiert wird, wenn der Bereich 10 sich bis zur Ausrichtung mit dem Kasten bzw. Graben 4 vom P-Typ erstreckt, in welchem der die Kathode des Thyristors Th1 bildende Bereich 3 vom N-Typ ausgebildet ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung muss die Dicke des Bereichs 10 hinreichend dünn sein, um anfänglich die Triggerung des Transistors T durch den Stromfluss ib von der Schicht 2 zum Bereich 8 über den Umfangsbereich 7 zu ermöglichen. Tatsächlich hat, wenn der Bereich 10 zu dick ist, die verbleibende Dicke der Schicht 2 zwischen diesem Bereich 10 und dem Substrat 1 die Existenz eines zu hohen Widerstands zur Folge, der sich dem Stromfluss des Basisstroms ib widersetzt.
  • In der Praxis soll die Dicke des Bereichs 10 kleiner als die der Schicht 6 sein. Tatsächlich bildet die Schicht 6 die Kathode des Thyristors Th2 und ihre Dicke wird durch die charakteristischen Eigenschaften, insbesondere den Triggerstrom allein dieses Thyristors, festgelegt. Die Dicke der Schicht 6 hat beispielsweise einen Wert in der Größenordnung von 10 bis 15 μm, während die Dicke des Bereichs 10 so klein wie möglich gemacht wird.
  • Gemäß einer abgewandelten Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht der Bereich 10 aus einem Isoliermaterial, vorzugsweise aus Siliziumoxid (SiO2).
  • Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung verschiedenen Abwandlungen und Änderungen zugänglich, welche sich für den Fachmann in den durch die Ansprüche definierten Grenzen ergeben. Insbesondere eignet sich, innerhalb dieser Grenzen, die vorliegende Erfindung für jede monolithische Ausführung des bidirektionalen Schaltergebildes oder eines Netzes von bidirektionalen Schaltern ähnlich dem in 1 dargestellten. Außerdem könnten sämtliche Leitfähigkeitstypen umgekehrt werden, wobei dann die Vorspannpolaritäten in entsprechender Weise geändert würden.

Claims (4)

  1. Monolithischer bidirektionaler Schalter in Ausbildung in einem Halbleitersubstrat (1) eines ersten Leitfähgkeitstyps, mit einer Vorder- bzw. Oberseite und einer Rück- bzw. Unterseite, der Schalter umfassend: einen ersten vertikalen Hauptthyristor (Th1) mit einer Schicht (2) vom zweiten Leitfähigkeitstyp an der Rückseite und einer Schicht (3) vom ersten Leitfähigkeitstyp an der Vorderseite, einen zweiten vertikalen Hauptthyristor (Th2) mit einer Schicht (6) vom ersten Leitfähigkeitstyp an der Rückseite und einer Schicht (5) vom zweiten Leitfähigkeitstyp an der Vorderseite, einen vertikalen Hilfsthyristor, welcher eine mit der Rückseitenschicht des ersten Thyristors gemeinsame Schicht (2) vom zweiten Leitfähigkeitstyp an der Rückseite aufweist, einen Umfangsbereich (7) vom zweiten Leitfähigkeitstyp in Kontakt mit der Rückseitenschicht des Hilfsthyristors und mit einer auf der Vorderseite des Substrats (1) gelegenen Zwischenschicht (9) dieses Thyristors vom zweiten Leitfähigkeitstyp, eine die Rückseitenschichten (2, 6) des ersten und des zweiten Thyristors miteinander verbindende erste Metallisierung (M1) auf der Rückseite, eine die Vorderseitenschichten (3, 5) des ersten und des zweiten Thyristors mit-einander verbindende zweite Metallisierung (M2) auf der Vorderseite, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter einen zusätzlichen Bereich (10) mit der Funktion der Isolierung zwischen der Rückseitenschicht des Hilfsthyristors und der ersten Metallisierung (M1) umfasst.
  2. Bidirektionaler Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Bereich (10) aus einem Halb leitermaterial vom ersten Leitfähigkeitstyp besteht.
  3. Bidirektionaler Schalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des zusätzlichen Bereichs (10) kleiner als die der Rückseitenschicht (6) des zweiten vertikalen Hauptthyristors (Th2) ist.
  4. Bidirektionaler Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Bereich (10) aus einem Siliziumoxyd besteht.
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