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Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterbauteile zum
Schutz gegen Überspannungen, bei denen es sich um
Halbleiterbauteile handelt, die leitend werden, sobald die
Spannung an ihren Anschlüssen einen vorgegebenen Schwellwert
übersteigt.
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Im besonderen geht es im vorliegenden Fall um Bauteile vom
Thyristor-Typ ohne Gate (für einen in einer Richtung
wirkenden Schutz) oder vom Triac-Typ ohne Gate (für einen in
zwei Richtungen wirksamen Schutz), d. h. um Strukturen mit
vier Halbleiterschichten von abwechselndem Leitfähigkeitstyp
NPNP. In diesen gatelosen Bauteilen erfolgt der Übergang in
den Leitungszustand durch einen lokalen Lawinendurchbruch
des pn-Übergangs zwischen den mittleren Schichten des
Schichtaufbaus, wobei diese Lawine allgemein zunächst in einer
lokalen Zone entsteht und sich sodann auf das gesamte
Volumen des Bauteils ausdehnt.
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Wie in Fig. 1A gezeigt, besteht ein derartiges Bauteil im
wesentlichen aus einer übereinanderschichtung von
Halbleiterschichten von jeweils abwechselndem Leitfähigkeitstyp,
d. h. daß zwischen einer ersten Hauptoberfläche und einer
zweiten Hauptoberfläche eine Kathodenschicht N1 vom N-Typ,
eine Gate-Schicht P1 vom P-Typ, eine zentrale oder
Mittel-Schicht
N2 vom N-Typ und eine Anodenschicht P2 vom P-Typ
aufeinanderfolgen. Die Kathoden- und die Anodenschicht sind
jeweils mit Metallisierungen M1 und M2 überzogen. Im
allgemeinen weist das Gebilde unter der Kathodenmetallisierung
verteilte "Kurzschluß"-Löcher CC auf, d. h. Löcher, durch
welche hindurch die Gate-Schicht P1 durch die
Kathodenschicht N1 hindurch bis zur Kathodenmetallisierung
heraufreicht. Diese Kurzschluß-Löcher werden manchmal als
Kurzschluß-Emitter bezeichnet.
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Die Figg. 1B und 1C zeigen in Draufsicht Beispiele des
Bauteils aus Fig. 1A ohne die Metallisierung M1, um die
Kurzschlüsse CC sichtbar zu machen. Diese Figuren zeigen zwei
herkömmliche Anordnungen von Kurzschluß-Löchern nach dem
Stande der Technik, nämlich in einer Rechteck- bzw.
Quadratanordnung bzw. einer Dreieck- oder Schräganordnung. Diese
Löcher werden allgemein durch den gegenseitigen Abstand D
zwischen zwei benachbarten Löchern (unter der Annahme, daß
sämtliche Löcher gleiche Abstände besitzen) und durch den
Durchmesser d der einzelnen Löcher (unter der Annahme, daß
sämtliche Löcher gleichen Durchmesser besitzen)
gekennzeichnet.
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Im übrigen erkennt man, daß, ausgehend von einem in einer
Richtung wirkenden Schutzbauteil vom Thyristor-Typ ohne
Gate, wie beispielsweise in Fig. 1A veranschaulicht, der
Fachmann ein bidirektionell wirkendes Schutzbauteil vom
Triac-Typ ohne Gate realisieren kann, indem er in einem
einzigen monolithischen Gebilde zwei gatelose Thyristoren
der beispielsweise in Fig. 1A gezeigten Art verkehrt
gegeneinander vereinigt.
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Im übrigen ist es ersichtlich, daß die Figg. 1A, 1B und 1C
nur Teilansichten darstellen und insbesondere nicht die
Ränder des Bauteils zeigen, an welchen die üblichen
Maßnahmen
im Bereich der Schnittzonen zu treffen sind, um die
gewünschten Werte der Spannungsfestigkeit zu gewährleisten.
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Die Figg. 2 und 3 zeigen Kennlinien eines herkömmlichen
Schutzbauteils vom Thyristor-Typ ohne Gate. Diese Kennlinien
entsprechen unidirektionalen, d. h. in einer Richtung
wirkenden Bauteilen. Die Kennlinien von bidirektional wirkenden
Bauteilen ergeben sich hieraus unmittelbar durch Symmetrie
bezüglich des Ursprungs.
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Fig. 2 zeigt den Verlauf des Stroms I in Abhängigkeit von
der Spannung V in einem herkömmlichen Thyristor ohne Gate
nach dem Stande der Technik. Solange die angelegte Spannung
unterhalb einem Schwellwert VBR bleibt, ist die
Vorrichtung gesperrt, und es fließt keinerlei Strom. Sobald eine
Überspannung auftritt und die Spannung zwischen dem Wert
VBR und einem benachbarten Wert VBO ansteigt, beginnt
Strom in dem Bauteil gemäß einer Kennlinie A zu fließen.
Sobald die angelegte Spannung VBO übersteigt, erfolgt ein
Übergang zu einer Kennlinie B, und der Arbeitspunkt stellt
sich fest auf einen Betrag geringer Spannung VON und einen
durch die Kenngrößen der Stromversorgung und der Schaltung
bestimmten Strom ION ein. Sobald danach die Überspannung
verschwindet, nimmt der Strom in dem Bauteil auf einen
Haltestrom vom Wert IH ab, und sobald der Strom unter
diesen Wert IH weiter absinkt, wird das Bauteil wieder
sperrend.
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Die in Fig. 2 gezeigte Kennlinie veranschaulicht die
statischen pHänomene. Fig. 3 zeigt den Verlauf des Stroms I und
der Spannung V in Abhängigkeit von der Zeit in einem einer
Überspannung ausgesetzten Bauteil vom Thyristor-Typ ohne
Gate. Die Spannung steigt sehr rasch von einem Wert im
wesentlichen Null auf einen Wert VBR an. Danach bewirken die
dynamischen Phänomene, daß die Spannung über den Wert VBO
ansteigt, bevor sie wieder auf diesen Wert und sodann auf
den Wert VON abnimmt. Der Stromanstieg erfolgt anfänglich
mit einer im wesentlichen linearen, durch dI/dt gegebenen
Steigung. Die Strom- und Spannungskurven sind zwar in
Übereinanderlagerung dargestellt, jedoch sind sie nicht mit
gleichem zeitlichem Maßstab wiedergegeben; beispielsweise
wird der Wert VBO innerhalb einer Zeitdauer von weniger
als einer Mikrosekunde erreicht, während die Zeitdauer t&sub1;,
an deren Ende der Strom einen maximalen Wert IPP erreicht,
in der Größenordnung von 10 Mikrosekunden liegen kann und
die Zeitdauer t&sub2;, nach welcher der Strom auf den Betrag
IPP/2 abgenommen hat, in der Größenordnung von 100
Mikrosekunden.
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Als wichtige Kenneigenschaften eines Schutzbauteils sind u.
a. zu erwähnen:
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- der Abstand zwischen den Werten VBR und VBO,
welcher die Auslösegenauigkeit der Vorrichtung bestimmt;
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- die dynamische Überschreitung des Betrags VBO
(dynamisches Überschwingen), die so klein als möglich sein soll;
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- das dI/dt-Verhalten, das so groß wie möglich sein soll,
d. h. daß das Bauteil zu Beginn des Schaltvorgangs hohe
Stromdichten aushalten soll;
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- der Betrag des Haltestrons IH, der verhältnismäßig
hoch sein soll. Tatsächlich ist in einem Schutzbauteil
erwünscht, daß nach dem Verschwinden der Überspannung die mit
der Schutzschaltung verbundene Schaltung so schnell als
möglich ihre normale Funktionsweise wieder aufnimmt. Falls
der Haltestrom IH zu niedrig ist, bleibt das Schutzbauteil
leitend, nachdem die Überspannung bereits aufgehört hat.
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Es ist bekannt, daß die Dichte der Kurzschluß-Löcher einen
Einfluß auf verschiedene Parameter hat. Insbesondere ist
bekannt, daß man bei zunehmender Dichte einen günstigen
Effekt, nämlich eine Zunahme des Haltestrons IH, erhält
sowie ungünstige Effekte, insofern die statischen und
dynamischen Werte von VBO zunehmen und die dI/dt-Festigkeit
abnimmt.
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Daher hat man sich nach dem Stande der Technik veranlaßt
gesehen, mittlere Werte der Dichte der Kurzschluß-Löcher zu
wählen, um einen zufriedenstellenden Kompromiß zwischen
diesen verschiedenen Effekten zu erhalten.
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Im übrigen hat man sich auf dem Gebiet der mit einem
Steuergate versehenen Thyristoren oder Triacs veranlaßt gesehen,
die Dichte der Kurzschlüsse im Nachbarbereich der Gate-Zone
zu modifizieren.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines
Schutzbauteils vom gatelosen Thyristor- oder Triac-Typ, das
verbesserte Eigenschaften hinsichtlich der Verringerung des
Werts VBO, sowohl in statischer wie in dynamischer
Hinsicht, besitzt ohne Verringerung des Betrags von IH.
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Zur Erreichung dieses Ziels sieht die vorliegende Erfindung
ein Überspannungsschutz-Halbleiterbauteil vom Typ der
gatelosen Thyristoren oder Triacs mit kurzschließenden Löchern
vor, das an der Oberfläche eine erste Zone mit einer ersten
Dichte von kurzschließenden Löchern und eine zweite Zone mit
einer zweiten geringeren Dichte von kurzschließenden Löchern
aufweist, wobei die zweite Dichte kleiner ist als die erste
Dichte.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß dieses Bauteil des weiteren eine
überdotierte
Zone an der Grenzfläche zwischen seiner Mittelschicht und
seiner Gate-Schicht in Ausrichtung mit der zweiten Zone
aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß alle Kurzschluß-Löcher die gleiche Größe
aufweisen und in der zweiten Zone mit größerem gegenseitigem
Abstand angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß alle Kurzschluß-Löcher denselben
Rasterabstand besitzen und in der zweiten Zone kleinere Abmessung
besitzen.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß das Bauteil eine erste Struktur von
Kurzschluß-Löchern mit gleichmäßigem Rasterabstand aufweist
sowie zusätzliche Löcher in der ersten Zone, die einen
kleineren Durchmesser als die erstgenannten Löcher haben.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist
vorgesehen, daß die zweite Zone im wesentlichen in der Mitte
der ersten Zone angeordnet ist.
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Diese und weitere Ziele, Merkmale und Eigenschaften sowie
Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der folgenden
Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele anhand der
Zeichnungsfiguren näher erläutert, in welchen
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die schon weiter oben beschriebenen Figg. 1A bis 3 dazu
bestimmt sind, den Stand der Technik in Erinnerung zu
bringen und das gestellte Problem hervortreten zu lassen,
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Fig. 4A in schematischer Schnittansicht im Schnitt längs
der Linie A-A in Fig. 4B ein Schutzbauteil gemäß der
vorliegenden
Erfindung zeigt,
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Fig. 4B eine Teildraufsicht auf das Bauteil aus Fig. 4A
ist,
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Fig. 5 eine abgewandelte Ausführung der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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In den verschiedenen Zeichnungsfiguren sind identische oder
entsprechende Elemente jeweils mit denselben Bezugsziffern
bezeichnet. Außerdem sind, wie dies auf dem Gebiete der
Darstellung von Halbleiterstrukturen üblich ist, die
verschiedenen Schnittansichten oder Draufsichten der Figg. 1A bis 1C
und 4A bis 5 nicht maßstabsgerecht, indem die verschiedenen
Dicken und Flächen der Schichten zum besseren Verständnis
der Figuren willkürlich vergrößert sind.
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Wie in den Figg. 4A und 4B gezeigt, betrifft die vorliegende
Erfindung ein Schutzbauteil vom Thyristor-Typ ohne Gate,
allgemein analog dem in den Figg. 1A und 1B
veranschaulichten Bauteil. In diesem Bauteil sind zwei distinkte
Oberflächenzonen vorgesehen, in welchen die Dichten der
Kurzschluß-Löcher voneinander verschieden sind. In der Zone 1
ist die Dichte der Kurzschluß-Löcher CC1 verhältnismäßig
groß, während sie in der Zone 2 kleiner ist. Vorzugsweise
ist die Zone 2 eine zentrale Zone der Vorrichtung.
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Die Anmelderin hat festgestellt, daß diese beiden Zonen in
voneinander gesonderter Weise die oben erwähnten
Eigenschaften und Kenngrößen beeinflussen. Die Zone mit niedriger
Dichte der Kurzschluß-Löcher (CC2) definiert im wesentlichen
die Parameter des Übergangs des Bauteils in den
Leitungszustand und gestattet daher eine Verringerung der Werte von
V86 im statischen und dynamischen Zustand (man erhält so
die Kennlinie entsprechend dem in Fig. 2 veranschaulichten
Wert von VBO2). Demgegenuber bestimmt die Zone mit der
größeren Dichte der Kurzschluß-Löcher (CC1) das Öffnen bzw.
Abschalten des Bauteils und stellt daher einen höheren Wert
von IH ein. Man erhält somit mit der vorliegenden
Erfindung eine Verringerung der Werte von VBO im statischen und
dynamischen Zustand bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung
eines Haltestroms IH gleicher Größe wie der eines
Standardaufbaus.
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In Fig. 4B ist eine Ausführungsform der Erfindung
dargestellt, in welcher die Kurzschluß-Licher sämtlich den
gleichen Durchmesser d besitzen und in der Zone 1 einen
gegenseitigen Abstand D1 aufweisen, während sie in der Zone 2
einen Abstand D2 besitzen, der größer als D1 ist, bei einer
im ibrigen gleichartigen Konfiguration wie in Fig. 1B, in
welcher die Löcher gemäß einem rechteckigen oder
quadratischen Muster angeordnet sind. Sie könnten auch, wie im Fall
von Fig. 1C, gemäß einem Dreieckmuster angeordnet sein.
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Der Fachmann kann verschiedene Abwandlungen in der
Ausführung der Erfindung vorsehen, beispielsweise Löcher in Zone 2
mit gleicher Rasterkonstante wie in Zone 1, aber mit
kleinerem Durchmesser; oder auch Löcher mit gleicher
Rasterkonstante, mit zusätzlichen Löchern in der Zone 1,
gegebenenfalls mit kleinerem Durchmesser.
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Im übrigen brauchen die Kurzschluß-Löcher nicht
notwendigerweise kreisförmig zu sein.
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Die vorliegende Erfindung kann auch mit verschiedenen auf
dem Gebiet der Thyristorstrukturen ohne Gate bekannten
Verbesserungen kombiniert werden. Beispielsweise kann man, wie
in Fig. 5 gezeigt, eine Zone bevorzugten Durchbruchs
vorsehen, die man durch einen an der Grenzfläche zwischen den
Bereichen P1 und N2 vorgesehenen Bereich N&spplus; erhält. In
diesem Fall würde dieser Bereich N&spplus; in der Zone 2
angeordnet, wo die Dichte der Kurzschluß-Löcher kleiner ist. Da
die Auslösung im Hauptkörper bereits benachbart dem Bereich
N&spplus; stattfindet, trägt die vorliegende Erfindung dazu bei,
für einen gegebenen Haltestrom die Beständigkeit der
Auslöseenergie zu verbessern durch Verringerung des Werts von
VBO im statischen und dynamischen Zustand und des
entsprechenden Stroms IBO. Dies ist um so bedeutsamer, als
die in Frage kommenden Überspannungen kurz sind und daher
dI/dt und dV/dt groß sind.