DE7148809U1 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter - Google Patents

Description

SEMIKRON Ges. f. Gleichrichterbau u. Elektronik m.b.H.,

8500 Nürnberg - Wiesentalstraße 40, Telefon 0911/37781 - Telex 06/22155

PA-Bu/Rü I 167106 22. Dezember 1971

Steuerbarer Halbleitergleichrichter

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von welchen wenigstens eine der an die äußeren hochdotierten Emitterzonen angrenzenden, schwachdotierten Innenzonen sich durch die jeweilige Emitterzone hindurch bis zu deren äußerer Oberfläche erstreckt und direkt mit einem auf dieser Oberfläche angeordneten, leitfähigen, zur Kontaktierung dienenden Überzug verbunden ist.

Beim Einsatz steuerbarer Halbleitergleichrichter, sogenannter Thyristoren, unter regulären oder Überlagerten Spannungen jeweils höherer Frequenz als der Üblichen Netzfrequenz kommt zusammen mit anderen dynamischen Eigenschaften dieser Bauelemente auch der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt besondere Bedeutung zu.

Wird «in Thyristor in Durchlaßrichtung mit einer ansteigenden Spannung beaufschlagt, so kann in Abhängigkeit von Steilheit und Höhe derselben bereits vor Erreichen der sogenannten Kippspannung die DurchzUndiing, d.h. das Umschalten vom nichtleitenden in den leitenden Zustand erfolgen. Diese beim Einsatz unerwünschte Erscheinung wird bekanntlich damit erklärt, daß die beiden inneren hochohmigen Schichten, die den in Durchlaßrichtung sperrenden mittleren pn-übergang bilden, mit ihrer Raumladungszone eine spannungsabhängige Kapazität darstellen, die einen zusätzlich zum staii-

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sehen Sperrstrom fließenden Verschiebungsstrom in einer zum Durchschalten des Thyristors ausreichenden Höhe zur Folge haben kann. Ein solches unkontrolliertes DurchzUnden bei steil ansteigender Spannung in Durchlaßrichtnmy wö^ dh durch egtSpre RedUZi*?yf»g dieses Verschiebung»— strom·· zu verhindern.

Diesbezüglich wurde bereits 1959 von R. W. Aldrich und N. Holonyak jr. •in· Vierschichtenfolge mit sogenanntem "shorted-emitter" vorgeschlagen (Journal of Applied Physics, Vol. 30, Nr. 11, November 1959, Seite 1819 ff.). Dabei verläuft die auf der Emitter-Oberfläche vorgesehene metallische, zur Kontaktierung derselben dienende Elektrode Über die Emitterfläche hinaus und ist mit der angrenzenden p-Zone verbunden. Durch eine solche einen Kurzschluß des Emitters bildende Struktur wird erreicht, daß bei Anlegen einer ansteigenden Spannung in Durchlaßrichtung ein Teil der αυ% der p-Zone zum Emitter abfließenden Häjöritätslsdungsträger direkt zus Katnoaenanschiti» äUjeSäijgt wird und nicht sshr rvr Injektion ve» Mincritätsladungsträgern aus der Emitterzone in die angrenzende p-Zone und damit zu einem unerwünschten Durc' schalten beitragen kann. Die Vergrößerung des zum Kurzschluß des Emitters vorgesehenen Flächenabschnitts der p-Zone erbringt eine Zunahme der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt, ist jedoch aufgrund der durch verschiedene Gesichtspunkte bedingten gegenseitigen Anordnung von Emitter, p-Zone und der darauf vorgesehenen Kontaktelektroden sowie der Forderung nach optimaler Flächennutzung für hohe Strombelastbarkeit nicht beliebig möglich.

Weiterhin sind Ausführungsformen von Thyristoren mit "shorted-emitter" bekannt, bei denen die an die eine Emitterzone angrenzende innere p-Zone sich durch eine Anzahl von getrennten Kanälen jeweils kleiner Querschnittsfläche vorzugsweise senkrecht durch die Emitterzone bis zu deren äußerer Oberfläche erstreckt und an dieser direkt mit dem als Kontaktelektrode dienenden metallischen überzug verbunden ist. Die weiterhin als "shortedemitter"-Fläche bezeichnete, durch Anzahl und jeweiligen Querschnitt die-

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ser Kanüle bestimmte, gesamte Querschnittsfläche vermindert jedoch die Fluche der Emitterzone und damit die beim Einsatz geforderte Strombelastbarkcdt und ist demzufolge durch diese Betriebekenngröße der Bauelemente beschränkt. Es hat sieh außerdem gezeigt, daß die du/dt-Werte nicht in gleicher Weise zunehmen, wenn die "shorted-emitter"-Fläche vergrößert wird. Als Erklärung dafUr wird angenommen, daß die aus der p-Zone in Richtung der Emitterzone abfließenden Majoritätsladungströger nicht in gewUnschter Weise, durch die Kanäle der bekannten Struktur zur Kontaktelektrode gelangen, weil Jeder dieser Kanäle mit seinem im Vergleich zur umgebenden Emitterflache kleinen Querschnitt den Einzugsbereich zum Ansaugen der Ladungsträger bestimmt. Weiterhin scheint mit zunehmender "shorted-emitter"-FlUche auch ein Einfluß der zwischen der Emitterzone und den Kanülen der p-Zone liegenden pn-Ubergangsflächen zu bestehen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, bei steuerbaren Halbleitergleichricht·»« mit "«horted-emitter" die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ohne Beeinträchtigung charakteristischer Durchlaßeigenschaften wesentlich zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geläst, daß zum Durchgriff der Innenzone durch die Emitterzone bis zum leitfähigen überzug eine aus mehreren, zu einer zusammenhängenden geometrischen Figur verbundenen, stegfärmigen Abschnitten bestehende Aussparung in der Emitterzone vorgesehen ist.

Anhand des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausfuhrungsbeispiels werden Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert. In Figur 1 ist in Draufsicht und in Figur 2 im Schnitt längs der Linie I-II gemäß Figur 1 eine Thyristorstruktur ohne Kontaktelektrode am Emitter dargestellt. Für gleiche Teile sind in beiden Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

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Ein beispielsweise pnp-Schichtenfolge aufweisender, Üblicherweise scheibenförmiger Halbleiterkörper ist an seiner einen p-Zone mit einer hochdotierten p⁺-leitenden Schicht und in seiner gegenüberliegenden äußeren p-Zone 1 mit einer aus mehreren streifenförnvigen Anteilen 2 bestehenden n⁺-ieitenden Emitterzone versehen» Diese Anteile sind jeweils durch schmale stegförmige Abschnitte 4 der p-Zone 1 voneinander getrennt, die bis zur Oberfläche der Anteile 2 verlaufen und zusammen mit diesen mit einer nicht dargestellten, die Kathode bildenden Kontaktelektrode kontaktiert sind. Die Abschnitte 4 der p-Zone liegen in gleicher Höhe wie die Emitterzone und sind kammförmig angeordnet und zu einer zusammenhängenden Fläche entsprechend verbunden, sodaß der Durchgriff der p-Zone durch die Emitterzone zu dem auf dieser vorgesehenen leitenden überzug in Form einer Über die Fläche der Emitterzone ausgedehnten geometrischen Figur gegeben ist. Die Breite der Abschnitte 4 ist einerseits durch herstellungtechnische Gesichtspunkte, beispielsweise bei der Fertigung der Anteile 2 mittels Diffusion durch Eindringtiefe und Diffusionsprofil, und andererseits durch die Forderung nach möglichst geringer Gesamt f.l&cH*» der durch die Emitterzone durchgreifenden Abschnitte 4 J-- Vergleich zur Emitterflache bestimmt. Der gegenseitige Abstand der Abschnitte 4 richtet sich nach· der gewünschten Ausbildung des "shorted-eeitter" und dessen Flächenverhältnis zur Emitterflache.

Beispielsweise wurden bei einer Fläche der Emitterzone mit 20,5 mm Durchmesser und mit einem kamaförmigen "shorted-emitter", dessen Streifenbreite 40 u und dessen Streifenabstand 1,2 mn betrug, woraus sich ein FlQchenver* hältnis zur Eeitterf lache von 3,2 % ergab, du/dt-Werte von 1100 V/pisec. und darüber erzielt, jeweils entsprechend 67 % des Höchstwertes einer nach einer e-Funktion ansteigenden Spannung. Vergleichsweise ergab eine Anordnung mit getrennten punktförmigen Kanälen der p-Zone durch die Emitterzone und mit einem Flächenverhältnis von 3,5 % du/dt-Werte von nur etwa 700 V/usec. Ein Flachenverhältnis von 2 bis 5 % und ein gegenseitiger Abstand der streifenförmigen Abtshnitte 4 bis etwa 3 mm haben sich als be-

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sonders vorteilhaft fur den Gegenstand der Erfindung erwiesen.

Anstatt kammförmig gemäß der Darstellung in Figur 1 kann der "shortedemitter" auch mäander-, raster-, stern» oder spiralenfönnig ausgebildet sein oder die Form eines Ringes mit nach innen verlaufenden Strahlen oder aber 4ie Form eines Spinnennetzes aufweisen.

Der Gegenstand der Erfindung kann auch einen Vierschichtenaufbau mit einer schwachtiotiertfen η-Basis und einer angrenzenden hochdotierten p+-Emitterzone sowie Anordnungen mit mehr als vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps betreffen.

Zur Herstellung steuerbarer Halbleitergleichrichter mit erfindungsgemttßen Aufbau wird die gewünschte Form des "shorted-emitter" beispielsweise mit Hilfe einer sogenannten Fotomaske auf eine vorbereitete, vorzugsweise oxidierte und fotolackbeschichtete Scheibe aus Halbleitermaterial und mit entsprechender Schichtenfolge aufkopiert. In einer anschließenden Strukturätzung werden die zur Anordnung von Emitterzonen-Anteilen 2 (zwischen den Abschnitten 4) vorgesehenen Flächenbereiche der Oxidschicht bis zur p-Zone abgetragen. Die noch verbliebenen streifenfurmigen Cxidschichtteile bilden die Maskierung fUr den nachfolgenden Diffusionsprozeß und sind so bemessen, daß die jeweils zwischenliegend eindiffundierten hochdotierten Emitter-Teil-Zonen aufgrund von Eindringtiefe und Diffusionsprofil durch Abschnitte 4 des ⁿshorted-emitter" mit gewünschter Ausdehnung voneinander getrennt sind. Danach werden die Oxidschichtstreifen entfernt, und schließlich wird die plane Oberfläche der Halbleiterscheibe, an welcher im Wechsel Abschnitte der Emitter- und der angrenzenden Basiszone nebeneinander angeordnet sind, mit einem als Kontaktelektrode dienenden leitfähigen überzug abgedeckt und die Emitterzone kurzgeschlossen.

Claims (4)

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1.) Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von welchen wenigstens eine der an die äußeren hochdotierten Emitterzonen angrenzenden, schwachdotierten Innenzonen sich durch die jeweilige Emitterzone hindurch bis zu deren äußerer Oberfläche erstreckt und direkt mit einem auf dieser Oberfläche angeordneten, leitfähigen, zur Kontaktierung dienenden überzug verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,

daß zum Durchgriff der Innenzone durch die Emitterzone bis zum leitfähigen überzug eine aus mehreren, zu einer zusammenhängenden geometrischen Figur verbundenen, stegförmigen Abschnitten bestehende Aussparung xn der Emitterzone vorgesehen ist.

2.) Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Durchgriff der Innenzone vorgesehene Aussparung kammförmig, rasterfurmig oder mäanderfärmig ausgebildet ist.

3.) Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Durchgriff der Innenzone vorgesehene Aussparung spiralenförmig ausgebildet ist.

4.) Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Durchgriff der Innenzone vorgesehene Aussparung sternförmig ausgebildet ist oder die Form eines Ringes mit nach innen verlaufenden Strahlen aufweist.