DE6608098U - Steuerbares halbleiterelement. - Google Patents

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri * Cie, Baden (Schweiz)

Steuerbares Halbleiterelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein steuerbares Halbleiterelement mit p-n-p-n Struktur, wobei zwei insbesondere ebene und parallele Elektroden je an eine der äusseren Zonen der Struktur angeschlossen sind.

Die p-n-p-n Halbleiterstruktur bildet bekanntlich die Grundlage für Siliziumstromtore (Thyristoren). Zwei gegeneinandergeschaltete p-n TJebergänge wirken dabei in j ο einer Spannungsrichtung sperrend. Ein Steuerstrom über den dritten p-n Uebergang lässt die Sperrung in einer ,^" Spannungsrichtung zusammenbrechen. Thyristoren weisen »eist eine Halbleiterscheibe auf, wobei die p-n-p-n Struktur aus schichtenförmigen Zonen von abwechselnden Leitungstyp Gesteht. Die Herstellung der Halbleiterscheibe beginnt «·Β· ait der Herstellung einer p-n-p Struktur durch Sindiffundieren von JLkzeptorsubstanz in eine Halbleiter-

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scheibe vom η Leitungsfcyp. Die eindiffundierten Zonen weisen dabei eine wesentlich höhere Dotierungsdichte auf. Darauf wird die vierte Zone z.B; durch Eindiffundieren oder Anlegieren hinzugefügt. Zur Verlängerung des Kriechweges an der Randzone wird die Halbleiterscheibe durch entsprechende Bearbeitung in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet. Im stromlosen Zustand wird der Potentialverlauf in der Halbleiterscheibe durch das Dotierungsprofil bestimmt. Daher verformen eich die Potentiallinien am Rand der niedrig dotierten Zone derart, dass sie sich gegen die Verjüngung des Kegelstumpfes zusanunendräageii

und dort den Kriechweg herabsetzen. Die Abschrägung des Kegelstumpfmantels ist also nur für einen Uebergang optimal. Bei den uekasixtes Thyristoren siad üfesräiea die Durchbruchspannung in Sperrichtung und. die Form der Charakteristik in Durchlassrichtung' beide nicht, voneinander unabhängig für einen bestimmten Zweck optimierbar.

Bs ist das Ziel der Erfindung, ein steuerbares Halbleiterelement mit p-n-p-n. Struktur zu. schaffen, bei dem diese Eaehteile nicht auftreten» und das mit anderen Halbleiterelement en in solcher Weise -verbunden werden kann, dass eine ireitgehende !Freiheit Sa der SeäÜsierung optimaler <Jharakteristiken. besteht«

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Das erfindungagemUese Halbleiterelement mit p-n-p-n

Struktur ist dadurch gekennzeichnet _t dass diese' äusseren

Zonen die anschliesäenden Blektrodenflächeri nur teilweise bedecken u«l. dass zwischen jeder Elektrode und der zu ihr

|_.m Ströspraa aer SirttKtur zuiiächstliegenden inneren Zone

II eine kurzschliessende elektrische Verbindung besteht, ii

co dass seine Charakteristik in einer Spannungsrichtung

einen Kurzschluss darstellt.

Die Erfindung wird anhand der Figuren beispielsweise erläutert. Die Dicken der einzelnen Leitungszonen sind dabei zur besseren U_ebersichtlichkeit übertrieben stark dargestellt.

;-.» 1 zeigt dae Prinzip der Struktur eines bekannte ι !Ttoristors. Die p-n-p Struktur der Zonen 1 bis 3_f welche man z.B. durch Diffusion von Akzeptor substanz in eine Scheite voia η Leitungsiyp hergestellt hat, wird durch. Anlegieren einer Zone 4 vom ή Leitungstyp zur p-n-p-n Struktur ergänzt,, an deren Stirnflächen die Anode 5 und |die Kathode 6 angebracht werden.

Die Steuerelektrode 1 ist an die innere Zone 3 vom ρ Leitungstyp augeschlossen.

Fig. 2 zeigt den schematischen Aufbau eines erfindungsgefflässen HaXbleit er element es. Der p-n üebergang zwischen den Zonen _&-2 erstreckt sich auch liier über die ganze Fläche der Halbleiter_ehei_e. Dieser .ebergang dient der

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Sperrfunktion in Vorwärtsrichtung. Die äusseren Zonen 3 und 4 schliesaen ebenfalls an die Elektroden 5 bzw« 6 an, bedecken sie aber nur teilweise. Dadurch bleibt die Minoritäteninjektion in Vorwärtsrichtung für die p-n Uebergänge zwischen den Zonen 3 und 1, bzw. 2 und 4_f im wesentlichen erhalten, ihre Sperrwirkung ist jedoch dadurch aufgehoben, dass zwischen jeder Elektrode 5 bzw. 6 und der zu ihr im Strompfad der Struktur zunächstliegsnden inneren Zone 1 bzw. 2 ein Kurzschluss besteht. Die innere Zone 2 vom ρ leitungstyp weist eine höhere Dotierungsdichte auf als die Zone 1 vom η Leitungstyp. Die Randfläche 8 der Halbleiterscheibe ist derart als Kegelstumpfmantel ausgebildet, dass die höher dotierte Zone 2 der Basis zugewandt ist. Dadurch wird erreicht, dass der Kriechweg auf der Randflaohe an der Stelle des p-n Uebergänges zwischen den Zonen 1 und 2 im Sperrbereich erhöht wird. Die Steigerung der Kegelstumpffläche ist dabei in der Gröseenordnung von 10 12 _f sodass die frei« Oberfläche der Zone 2 genügend gross wird,, um eine Steuerelektrode 7 anzubringen»

Zur Herstellung eines Halbleiterelementes genäse Fig. 2 können verschiedene an sich bekannte Verfahren verwendet werden.

Ein bevorzugtes Verfahren beginnt damit, dass z.B. auf eine monokristalline Siliziumscheibe vom η Leitungstyp durch Diffusion von Akzeptorsubstanz aus der Oasphase eine höher dotierte ρ Zone gebildet wird» welche danach von einer Stirnfläche der Scheibe wieder abgetragen wird*

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Die weiteren Verfahreneschritte ?ui Jormung der äusseren. Zonen und der anschlieesenden Elektroden werden anhand yon Pig. 3 erläutert«

P4.e freie Stirnfläche jeder inneren Zone 1, 2 wird mit einer Metallscheibe 9» 10 bedeckt, die eine passende Do^ierungssubstanz enthält, und die über ihr"e Fläche verteilte Lochnng^n 11 aufweist. Durch anschliessendes An-Ieg4.eren der Metallacheibe 9_t 10 bildet sich unter ihr in bekannter Weise die äussere Zone 5» 4, während as Stelle der Lochungen 11 die innere Zone 1, 2 weiter frei an der Oberfläche liegt. Vor Anlötung der Elektroden wird eine Metallschicht 12, 13 aufgedampft, die deh Kurzschiass zwischen den inneren Zonen 1, 2 und den Elektroden 5 s herstellt« Schliesslich wird die Kegelstumpfform hergestellt und die Steuerelektrode 7 angeschweisst.

· 4 gibt den prinzipiellen Unterschied der Charakteristik eines Thyristors A und der des erfindungsgemässen Halbleiterelementes B wieder. Man sieht, dass A und B in Vorwärtsrichtung übereinstimmen» während B in Rückwärtsrichtung einen Kurzschluss darstellt.

Diese Eigenschaft des erfindungsgemässen Halbleiterelementes wird vort^ilig benutzt, um es mit einem anderen untsr snt= sprechender Polung derart zu e^ner Säule zu verbinden, dass die Charakteristik .jedes Halbleiterelementes die Charakteristik der Säule in einer ßpannungsrichtung bestimmt.

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Die Charakteristik der Säule ist daher für jede Spannungsricntung für sich in weiten Grenzen frei wählbar»

Die Fig. 5 und 6 zeigen die Verbindung von zwei erfindungsgemäasen Halbleiterelementen 14 und 15 und die zugehörige Charakteristik. Die Durchbruchspannungen TJ, , Up sind frei wählbar.

Das erfindungsgemässe Halbleiterelement 14 kann Jedoch auch, wie in Fig. 7 gezeigt, mit einer Halbleiterdiode 17 verbunden werden. Auch hier sind, wie die zugehörige Charakteristik (Fig. 8) zeigt, die Durchbruchspannungen frei wählbar.

Diese Säulen gemäss Fig. 5 und 7 können wie ein einzelnes Halbleiterelement kontaktiert werden.

Die Verbindung del? Halbleiterelemente Ik und 15 bzw. Ik und 17 erfolgt zweckmässigerweise durch eine Lotschicht 16.

Claims (1)

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   'ANSPRÜSCHS

   1· Steuerbares Halbleiterelement mit einer p-n-p-n Struktur, wobei zwei insbesondere ebene und parallele Elektroden

   je an eine der äusseren Zonen der Struktur angeschlossen

   sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese äusseren Zonen (3,4) die anschliessenden Elektrodenflächen nur teilweise bedecken und dass zwischen jeder Elektrode (5,6) und der zu ihr im Strompfad der Struktur zunächstliegenden inneren Zone (1,2) eine kurzschliessende elektrische Verbindung besteht, scdass seine Charakteristik in einer Spannungsrichtung einen Kurzschluss darstellt.

   2. Steuerbares Halbleiterelement gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die p-n-p-n Struktur aus einer Halbleiterscheibe besteht, an deren Stirnflächen die Elektroden (5,6) anschliessen, wobei jede dieser Stirnflächen an eine äussere Zone (3»4) und an die su ihr im Strompfad der Struktur zunächstliegende innere Zone (1,2) angrenzt.

   3. Steuerbares Halbleiterelement gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die inneren Zonen (1,2) verschiedene Dotierungsdichten aufweisen und dass die Randfläche der Halbleiterscheibe die Form eines Kegelstumpfmantels (8) aufweist, dessen Basis der höher dotierten Zone (2) zugewandt ist·

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   4· Steuerbares Halbleiterelement gemäss Anspruch 3$ dadurch

   gekennzeichnet_f dass die höher dotierte innere Zone (2) I an ihrer kegelstumpfförmigen Handfläche mit einer Steuer«

   I elektrode (7) versehen ist.

   i 5ο Steuerbares Halbleiterelement gemäss Anspruch 1, dadurch

   t gekennzeichnet« dass die kuraschliessende elektrische

   I Verbindung durch eine aufgedampfte Metallschicht (12,13)

   gebildet wird.

   I 6. Verwendung von steuerbaren Halbleiterelementen gemäss

   S Anspruch 1 in einer Anordnung, dadurch gekennzeichnet,

   S dass ein Halbleiterelement (14) gemäss Anspruch 1 mit

   I einem beliebigen zweiten Halbleiterelement (15, 17) mit

   f, ebenen und parallelen Elektroden unter entsprechender

   ij Polung derart zu einer Säule verbunden ist, dass die

   j Charakteristik jedes der Halbleiterelemente die Charak-

   . ■ teristik der Säule in einer Spannungsrichtung bestimmt.

   7. Verwendung von steuerbaren Halbleiterelementen in einer

   Anordnung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, «lass zwei Halbleiterelemente (14, 15) gemäss Anspruch 1

   zu einer .Säule verbunden sind.

   β. Verwendung von steuerbaren Halblöiterelementen in einer Anordnung gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleiterelement (l4) gemäss Anspruch 1 mit einer Halbleiterdiode (17) zu einer SSuIe verbunden ist.

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   9. Verwendung von steuerbaren Halbleiterelementen in einer Anordnung gemäse Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, das» die Verbindung der Halbleiterelemente zu einer Säule durch Verlötung (16) hergestellt ist.

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