DE7235267U

DE7235267U - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE7235267U
Application number: DE19727235267
Authority: DE
Original assignee: BBC AG
Current assignee: BBC AG
Priority date: 1972-09-06
Filing date: 1972-09-25
Publication date: 1974-08-14
Also published as: CH549286A; DE2247006A1; FR2198265B3; FR2198265A1; JPS4966080A

Description

Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

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Kalbleitsrbauslsmsnt

Die Erfindung betrifft ein bistabiies Halbleiterbauelement mit mindestens drei ZonenUbergdngen, bei welchem die niedrigst dotierte Zone n-Leitfähigkeit besitzt und die p-Basiszene einen mit einer Steuerelektrode kontaktierten hoch p-dotierten Bereich aufweist,

Bei derartigen Halbleiterbauelementen (Thyristoren, DIN ;_; 41786) wird die Sperrspannung von der niedrigst· n-dotieften Zone, der η-Basiszone» aufgenommen, während die Zündung über die p-Basiszone erfolgt. Die meisten heute üblxehen Thyristoren weisen die.oben angegebene Bauform auf· Ihre Einsatzmöglichkeit

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wird in der Praxis jedoch unter anderem erheblich durch den sogenannten di/dt-Wert beschränkt, d.i. die Geschwindigkeit, mit welcher der Laststrom i beim Einschalten des Elementes ansteigen darf, ohne dass das Element durch lokale Ueberhitzung zerstört würde. Der di/dt-Wert heisst auch "kritische Stromsteilheit¹¹.

Zur Verbesserung des di/dt-Wertes sind diverse unkonventionelle Zündanordnungen bekannt geworden, insbesondere das "Amplifying gate", der "Querfeldemitter", das "Regenerative gate" und das "Junötion gate". Bei den bekannten Zündsncrdnur.gsr. wird ein. grosser di/dt-Wert durch hohe . innere Steuerstromwerte erzeugt. niese werden ihrerseits mittels externer Steuerströme kleineren Wertes dadurch erzielt, dass der innere Steuerstrom mittels eines inter grierten Hilfsthyristors erzeugt wird, welcher mit dem externen Zündstrom gezUndet wird. Bei dem geschilderten, bekannten Prinzip spricht man von "innerer Zündverstärkung".

Die bekannten Zündanordnungen haben alle den Nachteil, dass ihre Herstellung einen beachtlichen technologischen Aufwand erfordert. Ausserdem haben die bekannten Anordnungen der Nachteil, dass sie andere Eigenschaften des Thyristors, z.B. dessen Stromführungskapazxtät, ungünstig beeinflussen, und auch eine über den ganzen kathodenrand homogene Zündung nicht gewährleistet ist· <

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- 3. - 117/72

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, .ein Halbleiterbauelement mit grossem di/dt-We^t zu schaffen, welches Nachteils vermeidet: =

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei dem eingangs geschilderten Thyristor erfindungsgemäss in der p-Basisaone eine mit der n-Emitterzone.-einen dende hoch ρ-dotierte Zone, und/oder eine mit dem mit der Steuerelektrode kontaktierten Bereich einen pn-Uebergang bildende hoch η-dotierte Zone vorgesehen sind.

Die vorstehend angegebene Lehre beruht auf der Erkenntnis, dass - im Gegensatz zur bisherigen allgemeinen Meinung -beim Zünden eines Thyristors ein Stromdurchbruch zuerst unterhalb der Steuerelektrode erfolgt, weil dort der Gradient der Elektronendichte in Richtung zum vorwärtüsperrenden pn-Uebergang sehr viel grosser ist als unterhalb der Kathode. Durch die Erfindung wird nun aber dafür gesorgt, dass sich bei der Zündung in der p-Basiszone im Bereich der Kathode eine Erhöhung der Elektronenkonzentratidn ergibt, wodurch auch hier der Gradient der Elektronendichte zun vorwärtssperrenden pn-Uebergang hin ausreichend gross wird, so dass ein Uebertritt von Elektronen in die n-Basiszone unterhalb der Kathode erfolgen kann und die p-Emitter-

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Fig. 1 einen Querschnitt durch einen zylindersymmetrischen
Thyristor mit einer mit der η-Emitterzone einen pn-Uebergang bildenden hoch p-dotierten Zone zur Erhöhung der Elektronenkonzentration,

zone in diesem Bereich zur Injektion von Defektelektronen
angeregt wird. . |

Durch die erfindungsgemäss vorzusehende(n) hochdotiertein) ^:.{ Zone Cn) in der p- Bas is zone kann eine Erhöhung der Elektronen- ',.'·

konzentration sowohl vor dem Durchbruch des sperrenden ■'''<■ pn-Ueberganges, als auch kurz nach einem lokalen Durch·»
bruch desselben bewirkt werden. Im ersten Fall kann man
von einer "statischen Zündverstärkung" sprechen, bei
welcher nur der Strom zwischen der Steuerelektrode und

der Kathode (Zündstrom) zur Erhöhung der Elektronenkon- A zentration benötigt wird. Der zweite Fall kann als "dynamische i.;

Zündverstärkung" bezeichnet werden, da hier der - zu .':

diesem Zeitpunkt noch lokalisierte - Strom über den .?.

vorher sperrenden pn-Uebergang benutzt wird. *1

Nähere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den ? nachfolgend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbei-

spielen. Hierbei zeigt: ■ ;'.;

" 117/72 /fO\

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem Thyristor wie in Fig, I

mit einer mit dem mit der Steuerelektrode kontafc- j

tierten Bereich einen pn-Uebergang bildenden hoch η-dotierten Zone,

Fig. 3 einen Ausschnitt wie in Fig. 2, jedoch mit einer anderen Anordnung dar hoch η-dotierten Zone» uri

Fig. U einen Ausschnitt wie in Fig. 3, jedoch mit einer zusätzlichen hoch p-dotierten Zone im Anschluss an die hoch η-dotierte Zone.

In Fig. 1 ist ein Thyristor dargestellt, der eine p-Basis·* ■■'■:;. zone 1, eine n-Emitterzone 3, eine Kathode 2 und eine Steuerelektrode 5 aufweist, welche.¹ mit der p-Basiszoüe 1, über den hoch p-dotierten Bereich 6 elektrisch verbunden ist. Der Thyristor weist weiter eine n-Basiszone 11, eine p-Emitterzone 12, und eine diese mit der Anode 14 verbindende hoch p-dotierte Schicht 13 auf* Insoweit ent- . spricht das Halbleiterbauelement vollumfänglich den * bekannten $ in der Praxis üblichen Bauformen, wenn man einmal davon absieht, dass diese noch in der Regel an der Mantelfläche Abschrägungen zwecks Verbesserung der Sperrfähigkeit aufweisen. Solche.Abschrägungen sind jedoch im Zusammenhang mit der Erfindung ohne Bedeutung, und deshalb in den Ausführungsbeispielen nicht gezeichnet.

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Als besondere Ausführungsart der Erfindung ist ημη aber, in dem in Fig. 1 dargestellten Element in der p-Basiszone 1 in Kontakt mit der n-Emitterzone 3 und unter Bildung eines pn-Ueberganges mit derselben eine hoch p-dotierte Zone H vorgesehen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten, zylindersymmetrischen Element ist die hoch p-dötierte Zone H zweckmässig ringförmig im Innern der gleichfalls ringförmigen Kathode 2 bzw. der ringförmigen n-Emitterzone 3 angeordnet, und die Steuerelektrode 5 mit: dem , Bereich 6 zentral auf der. Stirnseite des Elementes. Die Dotierungskonzentration der Zone U beträgt z.B. etwa 10 - 10 "· Störatome/cm , wenn die Konzentrationen der p-Basiszone 1 ΙΟ¹** - 10¹⁷ cm"³, des Bereiches 6 10¹⁷ 10 em" 9 und der n-Emitterzone 3 10 - 10 cm betragen. . VV.

Die durch die Zone 4 zu bewirkende Erhöhung der Elektrorienkonzentration geschieht nun derart, dass bei einem Strom zwischen der (positiven) Steuerelektrode 5 und der (negativen) Kathode 2 die Konzentration der Defektelektronen in der Zone 1 beim Uebertritt in die Zone U erhöht wird* wouurch dann wegen der für die Zone 1 geltende Neutralitätsbedingung auch eine Erhöhung der Elektronenkonzentration bewirkt wird. Dadurch wird der Gradient der Elektrörvindiehte

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vom Bereich U zum sperrenden pn-Uebergang 1/11 h^n ver-'· grössert, und nach Zündung des Elementes unterhalb der . Steuerelektrode 6 sehr schnell auch unterhalb der Kathode tine Injektion von Defektelektronen aus der p-Emitterzone erreicht.

Der geschilderte Vorgang kann, wie schon oben erwähnt, als "statische Zündverstärkung¹¹ bezeichnet werden, da die Erhöhung der Elektronenkonzentration schon vor einem.Durchbruch des pn-Ueberganges 1/11 erfolgt.

In Fig. 2 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsart der Erfindung dargestellt. Es ist dort eine hoch n-dotierte Zone 7 im Zentrum des mit der Steuerelektrode 5 kontaktiertan Bereiches 6 vorgesehen. Diese Zone 7 bewirkt eine Injektion von Elektronen, wenn der vorher sperrende :."'". pn-Uebergang 1/11 unterhalb der Steuerelektrode 5 durchgebrochen ist und das gegenüber der Steuerelektrode 5 hoch, positive Potential der Anode 14 auf die Zone 7 einzuwirken imstande ist. Der über die Steuerelektrode 5 fliessende. Strom bewirkt eine Potentialerhöhung der p-Basiszone 1 im Gebiet des Bereiches 6 gegenüber den der Kathode 2 benachbarten Gebieten der p-Basiszone 1, wodurch ein Strom von Defektelektronen in den Bereich der Kathode 2 gesteuert

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wird und dort, wie oben geschildert, eine Erhöhung der ^

Elektronenkonzentration und damit ein rasches Zünden .. ■

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bewirkt. . ·;

Die Potentialerhöhung tritt insbesondere dadurch ein, dass der pn-jJebergang^ 6/7 rückwärts gepolt, jedoch über seine

Durchbruchspannung hinaus belastet ist, wodurch der '

von der Steuerelektrode 5 über den Uebergang 6/7 in die p-Basiszone 1 fliessende Strom a inen Spannungsabfall

verursacht. "v :

Eine andere Möglichkeit zur Erhöhung des Potentials in der p-Basiszone 1 im Gebiet des Bereiches 6 besteht darin, dass der pn-Uebergang zwischen der hoch η-dotierten Zone und dem mit der Steuerelektrode 5 kontaktierten Bereich 6 durch eine Oberflächenmetallisierung 16 kurzgeschlossen und in der Zuleitung zur Steuerelektrode 5 eine Strombe grenzung 15, z.B. in Form eines Ohmschen Widerstandes mit 1 bis 100 Ohm, vorgesehen ist. Diese Möglichkeit ist in Fig. 2 gestrichelt angedeutet.

Eine weitere Verbesserung der vorstehend geschilderten Lösung besteht in der Anordnung einer hoch n-dotierten Zone 8 unterhalb des Bereiches 6, die beispielsweise als

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"buried layer" hergestellt werden kann. Eine derartige Zone 8 bewirkt eine bessere Injektion der Elektronen. .. am äusseren Rand des ρ -Bereiches 6, wo nach neuer Erkenntnis der erste (lokale) Durchbruch des sperrenden Ueberganges 1/11 gemäss dem Pfeil Z stattfindet.

Die Ausführung nach Fig. 1 kann mit der nach Fig. 2 kombiniert werden, was in Fig. 2 durch die gestrichelte, hoch p-dotierte Zone 4 angedeutet ist. ■· - ·

Eine weitere vorteilhafte Ausführung«art der Erfindung⁰ ist in Fig. 3 angedeutet. Dort ist die hoch !»^dotierte Zone 7 an der Oberfläche der p-Basiszone 1 zwischen dem Bereich 6 und der n-Emitterzone 3 angeordnet. Der pn-Uebergang 6/7 ist nach dem Durchbruch des Uebergangs 1/11 wegen des hohen positiven Potentials der Anode I¹+ gegenüber iar^ i~iuerelektrode 5 wiederum rückwärts gepolt und bewirJcr dia schon zu Fig. 2 erläuterte, erwünschte Potentialerhöhung in der p-Basiszone 1 im Gebiet dzs Bereiches Der pn-Uebergang 6/7 kann jedoch auch wieder durch eine (gestrichelt gezeichnete) Oberflächenmetallisierung 16

kurzgeschlossen werden, wobei dann die Potentialerhöhung wieder durch die Strombegrenzung 15 bewirkt wird. Die gestrichelt gezeichnete, hoch p-dotierte Zone H weist wieder

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auf die Möglichkeit einer Kombination der Ausführungsar ten nach Fig. 1 und 3 hin.

Die kurze Distanz der als Elektronenquelle dienenden Zone 7 zur Kathode 2 in Fig. 3 im Vergleich zu der entsprechenden Distanz in Fig. 2 bewirkt eine noch schnellere Zündung des Bereiches unter der Kathode. Jedoch verschlechtert die Zone 7 die Injektion von Defektelektronen, aus dem Bereich 6 in das Gebiet der p-Basiszone 1 zwischen dem Bereich 6 und der n-Emitterzone 3 beim Fliessen Zündstromes. .

In Fig. U ist schliesslich eine h^oft p-dotierte Zone. 9 vorgesehen, die in kontakt steht mit der hoch n=dotierten Zone 7 und mit derselben einen pn-Uebergang bildet, welcher mittels einer Oberfläehenmetallisierung 10 kurzgeschlossen ist. Die Zone 9 verursacht vor dem Durchbruch des Üebergangs 1/11 eine Injektion von Defektelektronen in das Gebiet der p-Basiszone 1 zwischen der Zone 9 und der n-Emitterzone 3. Die Zone 7 verursacht eine Injektion von Elektronen nach dem Durchbruch des pn-Ueberganges 1/11. Der Kurzschluss des pn-Ueberganges 7/9 durch die Oberflächen· metallisierung 10 ist notwendig, da dieser Uebergang für eine positive Spannung zwischen der Steuerelektrode 5

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und der Kathode 2,rückwärts gepolt ist. Ein Kurzschluss des pn-Ueberganges 6/7 unterbleibt hier zweckmässigsrweise, da nach des*. Durchbruch des Usberganges Ί/ΐι unterhalb der Steuerelektrode S der durch die Zone 7 fliessende Strom wegen der Rückwärtspolung des genannten Ueberganges bevorzugt zur Kathode 2 geführt wird·

Die hoch η-dotierten Zonen 7.bzw. 8 weisen beispielsweise

17 20 "*3 eine Dotierungskonzentration von 10 - 10 cm auf, die hoch p-dotierte Zone 9 beispielsweise eine Dotierungs-

17 20 -3
konzentration von 10 - 10 cm .

Die gestrichelt gezeichnete, hoch p-dotierte Zone U weist wieder auf die Möglichkeit der Kombination der Ausführungen nach Fig. 1 und t hin.

Die anhand der Fig. 2 bis H erläuterten Zündvorgänge ("dynamische Zündverstärkung") können auch dadurch verstanden werden dass man beachtet, dass die Zonenfolge 7-1-11-12-13 einen integrierten Hilfsthyristor zwischen den Elektroden 16 bzw. und 14 bildet, bzw. 5 und IU, wenn der pn-Uebergang 6/7 rückwärts leitend ist. Im Gegensatz zu den bekannten, oben erwähnten Zündanordnungen wirkt in den genannten Fällen jedoch * die Steuerelektrode 5 als'Kathode des Hilfsthyristors.

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Selbstverständlich können die anhand von zylindersymme- ' ^ trischen Strukturen erläuterten erfindungsgemässen Mass- | nahmen auch bei anderen Geometrien angewandt werden. \

Die Herstellung von Halbleiterbauelementen der geschilderten Art kann in bekannter Weise durch Diffusions- und

Maskentechnik (Fotoresistverfahren) geschehen.

Claims

Schutzansprüche

1. Bistabiles Halbleiterbauelement mit mindestens drei Zonenübergängen, bei welchem die niedrigst dotierte Zone n-Leitfähigkeit besitzt und die p-Basiszone einen mit einer Steuerelektrode kontaktierten hoch p-dotierten Bereich aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in der p-Basiszcne (1) eine mit der n-Emitterzone (3) einen pn-Uebergang bildende hoch p-dotierte Zone (4), und / oder eine mit dem mit der Steuerelektrode (5) kontaktierten Bereich (6) einen pn-Uebergang bildende hoch η-dotierte Zone (7,8) vorgesehen sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine zentral auf der Stirnfläche, von der ringförmigen Kathode (2) umgebene Steuerelektrode (5) aufweist, und die hoch p-dotierte Zone (4) ringförmig im Inneren des Kathodenringes (2) angeordnet ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hoch η-dotierte Zone (7) im Zentrum des mit der Steuerelektrode (5) kontaktierten Bereiches (6) angeordnet ist.

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4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die noch η-dotierte Zone (8) a^ch unterhalb des mit der Steuerelektrode (5) kontaktierten Bereiches (6) in der p-Basiszone (1) erstreckt.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hoch n-dctierte Zone (7) an der Oberfläche der p-Rasiszone (1) zwischen dem mit der Steuerelektrode (5) kontaktierten Bereich (6) und der η-Emitterzone (3) angeordnet ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Kontakt mit der hoch η-dotierten Zone (7) und unter Bildung eines pn-Ueberganges mit derselben zwischen derselben und der n-Emitterzone (3) eine hoch p-dotierte Zone (9) vorgesehen ist, und der pn-Uebergang durch eine Oberflächenmetallisierung (10) kurzgeschlossen ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Uebergang zwischen der hcsh η-dotierten Zone (7) und dem mit der Steuerelektrode (5) kontaktierten Bereich (6) durch eine Oborflächenmetallisierung (16) kurzgeschlossen und in der Zuleitung zur Steuerelektrode (5) eine Strombegrenzung (15) vorgesehen ist.

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8. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, cladurch gekennzeichnet, dass die geometrische An ordnung aller Zonen und Bereiche zylindersymmetrisch ist.

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