DE7246063U - Zweirichtungs-thyristor - Google Patents

Description

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SEMIKRON Gesellschaft f. Gleichrichterbau und Elektronik m.b.H.

8500 Nürnberg - Wiesentalstraßa 40 Telefon 0911/37781 - Telex 06/22155

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15. Dezember 1972

Zweirichtungs-Thyristor

Die Erfindung betrifft einen Zweirichtungs-Thyristor mit einem eine Folge aus fünf übereinanderliegenden, schichtförmigen Zor<3n abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweisenden Halbleiterkörper, dessen beide hochdotierte äußere Zonen gegenseitig versetzt in einer Hälfte der Fläche der jeweils angrenzenden inneren Zone eingelassen derart angeordnet sind, daß sie zusammen mit dem an die Oberfläche tretenden Abschnitt der entsprechenden inneren Zone jeweils einen annähernd je zur Hälfte p- und η-leitenden Kontaktbereich für die Laststromelektrode der SchichLenfolge bilden, und dessen an die eine äußere Zone angrenzende innere Zone wenigstens eine in vorbestimmter Position angeordnete und in ihrer Ausbildung dem Kontaktbereich entsprechende Steuerzone aufweist, und der mit jeweils einer die beiden Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps jedes Kontaktbereichs kontaktierenden Elektrode und mit einer die beiden Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps der Steuerzone kontaktierenden Steuerelektrode versehen ist.

Derartige Bauelemente sind auch unter der Bezeichnung Triac bekannt. Ein Ausfuhrungsbeispiel fUr den Aufbau des dafUr vorgesehenen Halbleiterkörpers ist in Figur la schematisch im Schnitt und in Figur Ib in Draufsicht dargestellt.

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Er weist beispielsweise eine npnpn-Schichtenfolge auf, bei welcher die eine äußere, hochdotierte, η-leitende Zone 4 in die eine Oberflächenhälfte der angrenzenden, p-leitenden Basiszone 2 und die andere äußere, hochdotierte, η-leitende Zone 5 in die andere der mit dan jenigen der Basiszone 2 Übereinstimmend verlaufenden Hälften der angrenzenden Basiszone 3 eingelassen angeordnet ist. Weiterhin ist diese Schichtenfolge z.B. auf der Basiszone 2 mit einer Steuerzone 10 aus zwei symmetrisch zur Trennungslinie der Oberflächenhälften angeordneten Abschnitten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps in einer derjenigen der Zonen 2 und *, entgegengesetzten Leitfähigkeitsfolge versehen. Auf den aus den beiden Zonen 2 und 4 bzw. 3 und 5 gebildeten Anschlußflächen ist eine Kontaktelektrode 6 bzw. 7 für den Laststromkreis und auf der Steuerzone 10 eine solche 8 fUr den Steuerkreis aufgebracht. Ein solcher Aufbau stellt eine Kombination von zwei längs der Trennungslinie der Oberflächenhälften aneinandergrenzenden, entgegengesetzt gerichteten Thyristorsystemen mit je vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps dar.

Wird bei diesem Aufbau die Kontaktelektrode 6 als Kathode und die Elektrode 7 als Anode bezeichnet, und wird weiter an die Elektroden 6 und 7 eine Spannung mit an der Anode positiverem Potential angelegt, so wird das Durchschalten, d.h. der leitende Betriebszustand des Bauelements dadurch erreicht, daß bei gegenüber der Kathode positivem Steuerimpuls durch Defektelektronenbewegung von der Steuerzone 10 zur Emitterzone 4 diese zur Emission angeregt wird, bzw. bei negativem Steuerimpuls durch Defektelektronenbewegung zum hochdotierten Steuerzonenabschnitt 9 dieser, Über diesen die Basiszone 3 und Über die Basiszone 3 die Emitterzone 4 zur Emission angeregt wird. Liegt an den Elektroden 6 und 7 eine Spannung mit an der Anode negativerem Potential an, so wird bei gegenüber der Kathode positivem Steuerimpuls das Durchschalten durch Defektelektronenbewegung von der Steuerzone zur Kathode sowie Emission der Basiszone 2 zur Anode und der Emitterzone 5 zur Kathode bzw. bei negativem Steuerimpuls durch Defektelektronenbewegung zum Steuerzonenabschnitt 9 und entsprechender Emission der Zonen 2 und 5 erzielt.

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Entsprechend der beschriebenen Wirkungsweise ist in jeder Halbwelle einer Anoden-Kathoden-Wechselspannung ein Funktionsbereich, d.h. die Hälfte des Schichtenquerschnitts, mit Ladungsträgern Überschwemmt. Ein solches in zwei Richtungen schalt- und steuerbares Bauelement zeigt somit unter der Voraussetzung entsprechender Steuerung in jeder Halbwelle der Wechselspannung Durchlaßverhalten im Gegensatz zu Thyristoren, bei welchen in der Sperrphase die aus der voraufgegangenen Durchlaßphase noch vorhandenen Ladungsträgeranhäufungen ausgeräumt werden, um ein erneutes DurchzUnden in gewünschter Weise über die Steuerelektrode zu erzielen.

Ist nun bei einem solchen bekannten Aufbau der z.B. der Emitterzone 5 zugeordnete, weiterhin als Funktionsbereich bezeichnete Abschnitt der Schichtenfolge gezUndet und mit Ladungsträgern Überschwemmt, so diffundieren von dort insbesondere im Gebiet der schwach dotierten Mittelzone 1 Ladungsträger nach statistischer Verteilung aufgrund ihrer in dieser Zone im Vergleich zu den benachbarten Zonen dotierungsbedingt höheren Diffusionslänge in den nicht gezUndeten, der Emitterzone 4 zugeordneten Funktionsbereich. Die auf diese Weise dort entstehende Ladungsträgeransammlung kann nach Kommutierung des leitenden Zustandes in den anderen Funktionsbereich bei entsprechendem Spannungsanstieg zu einem unerwünschten, vorzeitigen DurchzUnde" >hne Steuerimpuls und damit zum Verlust der Schalt- und Steuerfähigkeit des Bauelements fuhren. Diese Erscheinung begrenzt die kritische Spannungsanstiegsgeschwindigkeit beim Kommutieren von einer der beiden Durchlaßph isen zur anderen, die auch als Abkommutierungs-du/dt bezeichnet wird, auf sehr niedrige Werte und beschränkt den Einsatz auf Anwendungsfälle mit im wesentlichen netzfrequentem Spannungsverlauf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Bewegung von Minoritätsladungsträgern aus dem gezUndeten in den nicht gezUndeten Funktionsbereich zu verhindern und dadurch die kritische Spannungssteilheit beim Kommutieren des leitenden Zustandes zu erhöhen.

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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die Bildung von Rekombinationszentren durch Einbau von Störstellen im Schichtenaufbau die Lebensdauer der Ladungsträger und damit auch ihre Diffusion innerhalb der Schichtenfolge herabsetzt.

Die Erfindung besteht bei einem Zweirichtungs-Thyristor der eingangs erwähnten Art darin, daß die Schichtenfolge von einem als Diffusionsbarriere dienenden Volumenabschnitt (11) durchsetzt ist, der sich im wesentlichen senkrecht in einer durch die Oberflächen-Halbierungslinien bestimmten Ebene erstreckt und die Schichtenfolge in zwei entgegengesetzt gerichteten Thyristorsysteme trennt, und daß dieser Volumenabschnitt zusätzlich mit einem die Lebensdauer der Ladungsträger verringernden Material dotiert ist und wenigstens im Bereich der schwachdotierten, mittleren Zone der Schichtenfolge eine Ladungsträger-Lebensdauer von weniger als 0,1 yusec. aufweist.

Anhand eines in Figur 2 perspektivisch und eines in Figur 3 in Draufsicht dargestellten Ausführungsbeispiels eines Halbleiterkörpers mit einer FUnfschichtenfolge, wobei beiden Beispielen im wesentlichen der in den Figuren la und Ib gezeigte Schichtenajfbau zugrundeliegt, werden Ausbildung und Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Bauelements aufgezeigt und erläutert. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

Gemäß der Darstellung in Figur 2 weist der aus fUnf schichtförmigen Zonen in bekannter Anordnung bestehende und vorbeschriebene Aufbau erfindungsgemäß in der Ebene längs der Trennungslini*· zwischen den Leitfähigkeitsbereichen 2 und 4 und senkrecht zu den Schichtebenen einen Volumenabschnitt 11 auf, der den Aufbau vollständig durchsetzt und vorzugsweise annähernd zur Hälfte in zwei je ein Thyristorsystem darstellende Funktionsbereiche unterteilt, und der gemäß der Erfindung zusätzlich zu den abwechselnd unterschiedliche Leitfähigkeit der Zonen bewirkenden Dotie-

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rungsstoffen noch ein Störstelienmaterial enthält, welches die Ladungsträger-Lebensdauer verringert und insbesondere in der hochohmigen mittleren Zone 1 auf weniger als 0,1 usec. herabsetzt. Die Ausdehnung der '· Diffusionsbarriere 11 in Richtung der beiden Thyristorsysteme ist wenigstens gleich der durch dieses zusätzliche Störstellenmaterial erzielten, geringeren Diffusionslänge. Die Diffusionsbarriere kann den Schichtenaufbau entweder zwischen den senkrecht zu den Schichtebenen verlaufenden Projektionslinien der Außenzonen 4 und 5 und damit lediglich die Zonen 1 bis 3 oder aber die Zonen 1 bis 3 und zusätzlich einen streifenförmigen Randabschnitt der Außenzonen 4 und 5 jeweils bis zur Oberfläche durchsetzen.

Als Störstellenmaterialien sind die Metalle Gold, Platin, Eisen, Mangan, Kupfer, Zink vorgesehen, die keinen nennenswert nachteiligen Einfluß auf das elektrische und physikalische Verhalten des Schichtenaufbaus zeigen. Die erforderliche Konzentration des zusätzlichen Dotierungsmaterials zur Verringerung der Diffusionslänge der Ladungsträger ist u.a. von verschiedenen Verfahrensparametern sowie vom Halbleitermaterial und von den zur Bildung der Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit verwendeten Dotierungsstoffen abhängig und ist unkritisch. Vorzugsweise ist Sättigungskonzentration vorgesehen. Es hat sich gezeigt, daß durch Diffusion von Gold in Silizium bei ca. 880⁰C Über etwa eine halbe Stunde eine Erhöhung der Abkommutierungs-du/dt wenigstens um den Faktor 5 gegenüber bekannten Anordnungen ohne Diffusionsbarriere erzielbar ist.

Die erfindungsgemäße Anordnung einer Diffusionsbarriere 11 zwischen den beiden Funktionsbereichen des Schichtenaufbaus in einer denselben ganz durchsetzenden Ausdehnung macht die Zuordnung von je einer Steuerzone zu jadem Thyristorsystem erforderlich. Demzufolge ist der Kontaktbereichhälfte 2 die aus zwei Abschnitten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps bestehende Steuerzone 10a und der Kontaktbereichhälfte 4 die entsprechend ausgebildete Steuerzone 10b, jeweils beispielsweise in Form eines Kreissek-

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tore, angrenzend zugeordnet. Sie sind entweder gemäß Figur 2 mittels getrennt vom Halbleiterkörper geführtem Bauteil, z.B. einem drahtförmigen Verbindungsleiter, oder in vorteilhafter Weise Über eine auf einer Isolierschicht auf der Randzone des Halbleiterkörpers aufgebrachte Leiterbahn miteinander verbunden.

Da die beiden Steuerzonen 10a und 10b in ihrer Ausbildung derjenigen des in Figur Ib gezeigten bekannten Aufbaue entsprechen und jeweils speziell dem durch sie zu zündenden Funktionsbereich unmittelbar vorgelagert sind, ist die Steuerleistung geringer als bei bekannten Anordnungen, und die Flüchenausdehnung der Steuerzonen ist im wesentlichen nur durch die Querschnittsfläche des dUnnen, drahtförmigen Anschlußleitere bestimmt. Eine Reduzierung der aktiven Gleichrichterfläche durch Anbringung von zwei Steuerzonen ist daher praktisch nicht gegeben.

Die Wirkungsweise einer solchen erfindungsgemäßen AusfUhrungsform ist derart, daß bei positiver Anodenspannung (an den Kontaktbereichhälften 3 und 5) und gegenüber der Kathode positivem oder negativem Steuerimpuls die Zündung vom p- bzw. n⁺-leitenden Abschnitt der Steuerzone 10b aus innerhalb des dieser zugeordneten Thyristorsystems eingeleitet wird durch Ladungsträ^erbewegungen, wie sie diesbezüglich einleitend beschrieben wurden, und daß in der darauffolgenden Halbwelle, d.h. bei negativer Anodenspannung und gegenüber der Kathode positivem oder negativem Steuerimpuls, die Zündung vom p- bzw. n⁺-leitenden Abschnitt der Steuerzone 10a aus innerhalb des anderen Thyristorsystems aufgrund der hierfür aufgezeigten Ladungsträgerbewegungen erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel fUr einen erfindungsgemäßen Aufbau mit nur einer den beiden Thyristorsystemen gemeinsamen und beiden Kontaktbereichhälften 2 und 4 gemeinsam vorgelagerten Steuerzone 10 ist in Figur 3 dargestellt und entspricht diesbezüglich dem in Figur Ib gezeigten Aufbau.

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Die Ausbildung und Unterteilung der Steuerzone 10 trägt der gegenseitigen Trennung der beiden Thyristorsysteme durch die Diffusionsbarriere 11 und der dadurch bedingten Forderung nach einer speziellen Steuerzone fUr jedes Thyristorsystem Rechnung. Zu diesem Zweck sind die beiden Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps der Steuerzone quer zur Diffusionsbarriere und teilweise nebeneinander verlaufend derart angeordnet, daß jeder Abschnitt jeweils an die beiden Hälften (2 und 4) des Kotaktbereiches angrenzt*

Die Herstellung von Halbleiterkörpern mit einer Diffusionsbarriere gemäß der Erfindung erfolgt z.B. in der Weise, daß nach Durchfuhrung von Oxidations-, Maskierungs- und Diffusionsprozessen bekannter Art zur Erzielung einer FUnfschichtenfolge eine weitere Oxidation und eine Maskierung zur Anordnung eines den streif einförmigen Oberflächenabschnitt der Barriere 11 bildenden Bereichs der Halbleiteroberfläche und anschließend eine Diffusion eines der genannten Störstellenmaterialien in diesen Bereich vorgenommen wird. Beispielsweise wird Gold bei einer Temperatur zwischen 800 und 88O⁰C in einem Zeitraum von einer halben Stunde bis 20 Stunden eindiffundiert, wobei jeweils dem unteren Tempercturwert die längere Diffusionszeit entspricht und umgekehrt. Danach werden auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers befindliche Reste an Gold und Oxid entfernt und die Kontaktelektroden angebracht.

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Claims (7)

1. ANSPRUCHE

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   1, Zweirichtungsthyristor mit einen eine Folge aus fUnf Übereinanderliegenden, schichtfürmigen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufweisenden Halbleiterkörper, dessen beide hochdotierte äußere Zonen gegenseitig versetzt in einer Hälfte der Fläche der jeweils angrenzenden inneren Zone eingelcssen derart angeordnet sind, daß sie zusammen mit dem an die Oberfläche tretenden Abschnitt der entsprechenden inneren Zone jeweils einen annähernd je zur Hälfte p- und n-le'tenden Kontaktbereich fUr die Laststromelektrode der Schichtenfolge bilden, und dessen ar die eine äußere Zone angrenzende innere Zone wenigstens eine in vorbestimmter Position angeordnete und in ihrer Ausbildung dem Kontaktbereich entsprechende Steuerzone aufweist, und der mit jeweils einer die beiden Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps jedes Kontaktbereichs kontaktierenden Elektrode und mit einer die beiden Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps der Steuerzone kontaktierenden Steuerelektrode versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtenfolge von einem als Diffusionsbarriere dienenden Volumenabschnitt (11) durchsetzt ist, der sich im wesentlichen senkrecht in einer durch die Oberflächen-Halbierungslinien bestimmten Ebene erstreckt und die Schichtenfolge in zwei entgegengesetzt gerichtete Thyristorsysteme trennt, und daß dieser Volumenabschnitt zusätzlich mit einem die Lebensdauer der Ladungsträger verringernden Material dotiert ist und wenigstens im Bereich der schwachdotierten, mittleren Zone der Schichtenfolge eine Ladungsträger-Lebensdauer von weniger als 0,1 iisec. aufweist.
2. 2. Zweirichtungsthyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Diffusionsbarriere (11) bildende Volumenabschnitt mit einem der Metalle Gold, Eisen, Kupfer, Mangan oder Zink dotiert ist.

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3. 3. Zweirichtungsthyristor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, W daß die Ausdehnung der Diffusicnsbarriere (11) in Richtung der beiden Thyristorsysteme wenigstens gleich der Diffusionalänge der Ladungsträger in dieser Barriere ist.
4. 4. Zwei riehcungs-Thyristor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der p- und η-leitenden Hälfte (2 bzw. 4) eines fUr die Zuordnung von Steuerzor.en vorgesehenen Kontaktbereichs je eine Steuerzone (10a b;cw. 10b) zugeordnet ist.
5. 5. Zweirichtungsthyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzonen längs der Tre^nungslinie der Hälften des Kontaktbereichs angeordnet sind.
6. 6. Zweirichtungsthyristor nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Steuerzonen Über eine auf einer Isolierschicht von der Randzone des Halbleiterkörpers aufgebrachte Leiterbahn miteinander verbunden sind.
7. 7. Zweirichtungsthyristor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß einem Kontaktbereich eine Steuerzone (10c) zugeordnet ist, deren beide Abschnitte unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps quer zur Diffusions» barriere (11) und teilweise nebeneinanderverlaufend derart angeordnet sind, daß jeder Abschnitt jeweils an die beiden Hälften (2,4) des Kontaktbereichs angrenzt.

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