DE7630940U1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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DE7630940U1 DE19767630940U DE7630940U DE7630940U1 DE 7630940 U1 DE7630940 U1 DE 7630940U1 DE 19767630940 U DE19767630940 U DE 19767630940U DE 7630940 U DE7630940 U DE 7630940U DE 7630940 U1 DE7630940 U1 DE 7630940U1
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Description

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95/76
24.8.76
Lü/dh
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Halbleiterbauelement
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, bei welchem die beiden inneren Zonen und die jeweils angrenzende äussere Zone jeweils eine gemeinsame Oberfläche bilden, an welcher eine sowohl die innere als auch die äussere Zone kontaktierende Hauptelektrode vorgesehen ist, wobei die erste Hauptelektrode eine zentrale Ausnehmung aufweist, in welcher die erste innere Zone mit einer Steuerelektrode kontaktiert ist, und wobei an den Oberflächen der beiden inneren Zonen die beiden äusseren Zonen umschliessende hochdotierte Bereiche des Leitungstyps der angrenzenden inneren Zone vorgesehen sind, welche zwecks Bildung einer Schutzzone von der an derselben Oberfläche befindlichen äusseren Zone einen Abstand von mindestens zwei Trägerdiffusianslä.ngen L aufweisen.
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Ein solches Halbleiterbauelement ist bekannt z.B. aus der CH-PS 548*113. Es stellt einen rückwärtsleitenden Thyristor dar, und besteht im wesentlichen auu einem rückwärtssperrenden Thyristor mit in derselben Silizium-Scheibe integrierter antiparalleler Diode. Wie schon der Name sagt, besitzen solche Halbleiterbauelemente in Rückwärtsrichtung keine Sperrfähigkeit. In Vorwärtsrichtung funktionieren sie in üblicher Weise, sperren also die anliegende Spannung solange, bis'über die Steuerelektrode ein Zündimpuls angelegt wird. Derartige Halbleiterbauelemente werden mit Vorteil eingesetzt z.B. bei Zerhacker-Schaltungen in elektrischen Antrieben (vgl. z.B. ■ IEEE Trans. Ind. Appl.,IA-9 (1973), 236 - 2^7). ,.
Halbleiterbauelemente der genannten Art haben insbesondere den Vorteil, dass der Rückwärtsstrom nahezu vollständig über die integrierte Diode fliesst, und beim Uebergang in den Vorwärts-Sperrzustand das Element deshalb schneller wieder sperrfähig ist.
Ein Problem derartiger Halbleiterbauelemente besteht jedoch darin, dass die Ladungsträger des Rückwärts-Leitzustandes, die im Bereich der integrierten Diode fliessen, beim Uebergang in den Vorwärts-Sperrzustand (also beim Kommutieren) die Neigung zeigen, in den Thyristor-Teil zu diffundieren und eine Fehlzündung des Bauelementes auszulösen, wodurch in vielen Fällen das Bauelement zerstört wird (sog. Kommutierungsdefekt). Dieser Gefahr versuchte man bisher dadurch zu
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begegnen, dass man zwecks Bildung einer Schutzzone zwischen den emittierenden Bereichen der Diode und des Thyristors einen Abstand von mindestens zwei Trägerdiffusionslängen vorsah (CH-PS 5^8'113J1 oder zwischen diesen Bereichen in der Schutzzone einen Graben vorsah (IEEE a.a. 0., Fig. 2).
Diese Massnahmen haben sich jedoch als noch nicht ausreichend erwiesen, und es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement der eingangs angegebenen Art in bezug auf Sicherheit gegen Kommutierungsdefekte weiter zu verbessern.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäss an der Oberfläche der ersten und/oder zweiten inneren Zone zwischen der an derselben Oberfläche befindlichen äusseren Zone und dem diese umschliessenden hochdotierten Bereich eine Ringschutzzone von zur angrenzenden inneren Zone entgegengesetztem Leitungstyp vorgesehen ist.
Besonders bevorzugt wird dabei die Variante, dass die Ring-Schutzzone nur in der zweiten inneren Zone vorgesehen ist, ihre dem Zentrum des Bauelementes zugewandte Grenze von der an der gegenüberliegenden Oberfläche befindlichen äusseren Zone einen Abstand d hat, und ihre Breite r beträgt, und sowohl.d als auch r jeweils mindestens' gleich einer Trägerdiffusionslänge L und höchstens gleich der dreii'achen Dicke B des Halbleiterkörpers des Halbleiterbauelementes sind. In diesem Fall schliesst die Ringschutzzone unmittelbar an den
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auf derselben Seite des Halbleiterbäuelementes befindlichen hochdotierten, emittierenden Bereich der integrierten Diode an.
Die Ringschutzzone verhindert in entscheidendem Masse die parasitäre' Injektion von Ladungsträgern durch die Diode in den Raum der Schutzzone, und damit Fehlzündungen und Kommutierungsdefekte des Thyristorteils j weil beim Anlegen der Vorwärts-Sperrspannung an den Thyristor weniger Ladungsträger vorhanden sind, die eine unerwünschte Zündung begünstigen könnten.
Nachfolgend werden anhand von■Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung,
Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil eines rotationssymmetrischen Halbleiterbauelementes nach der Erfindung, und
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Teil eines rotationssymmetrischen Halbleiterbauelementes nach der Erfindung in einer spezielleren Ausbildung.
Die in den Figuren 1.-3 dargestellten Halbleiterbauelemente weisen eine erste äussere, hoch N-dotierte, kurz als N-Emitter bezeichnete Zone 1, eine erste innere, P-dotierte, kurz als P-Steuerbasis bezeichnete Zone 2, eine zweite innere, N-dotierte, kurz als N-Basis bezeichnete Zone 3 mit dem niedriger dotierten Bereich 3' und dem höher dotierten Bereich 3",
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und eine zweite äussere, hoch P--dotierte, kurz als P-Emitter bezeichnete Zone 4 auf.
An ihren Oberflächen 5>6 sind die dargestellten Halbleiterbauelemente metallisiert und mit elektrischen Anschlüssen versehen, so dass sich die Kathode C, die Anode A und die Steuerelektrode G ergeben.
Im weiteren sind bei den dargestellten Halbleiterbauelementen kathodenseitig ein erster hochdotierter Bereich 7* und anodenseitig ein zweiter hochdotierter Bereich 8 vorgesehen. Da beide Bereiche 7*8 mit den Elektrodenmetallisierungen der Kathode C bzw. der Anode A kontaktiert sind, wirkt das Gebiet zwischen- den Bereichen 7, und 8 als integrierte, zum durch die Zonen 1,2,3*4 gebildeten Thyristor antiparallel geschaltete Diode, die bei positiver Spannung an der Kathode C bzw. negativer Spannung an c *r Anode A, also im Rückwärtszustand des'Elementes, den Strom führt. Damit die in diesem Strom fliessenden Ladungsträger möglichst schlecht in den Thyristorteil 1,2,3*4 diffundieren können, weisen die einander zugewandten Grenzen der auf der selben Seite befindlichen Emitter 1,4 einerseits und Bereiche 7»8 andererseits einen Abstand ζ von mindestens zwei Tragerdif fusi.onslängen L auf.
Die Tragerdiffusionslänge L ist definiert durch die Gleichung L =^D "X , wobei D die Diffusionskonstante der Minoritätsträger in der niedrigst dotierten Zone, also im Bereich 3' der N-Bas'is ist, und -\. die Lebensdauer derselben.
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In Pig. 1 ist nun kathodenseitig eine erste Ringschutzzone 9, und anodenseitig eine zweite Ringschutzzone 10 vorgesehen. Grundsätzlich können zwar entweder nur die Ringschutzzone 9 oder nur die Ringschutzzone 10, oder auch gleichzeitig beide Ringschutzzonen 9 und 10 zusammen vorgesehen sein. Jedoch ist die AusfUhrungsform mit nur einer anodenseitigen Ringschutzzone 10 bzw. nur ei.ier kathodenseitigen Ringschutzzone 9 gegenüber der Variants mit beiden Ringschutzzonen gleichzeitig zu bevorzugen, da das Bauelement sonst eine zu grosse laterale Ausdehnung bekommt. Für die Praxis hat sich eine anodenseitige Ringschutzzone als zweckmässig erwiesen. Deshalb ist die Ringschutzzone 9 in Fig. 1 nur gestrichelt gezeichnet. Die gleichzeitige Anwendung der Ringschutzzonen'9 und 10 bewirkt deshalb eine besonders grosse laterale Ausdehnung des Bauelementes, weil die beiden Zonen 9 und 10 zueinander um einen Abstand e versetzt sein müssen, der mindestens gleich einer Trägerdiffusionslänge,L ist. Andernfalls ergibt sich die Gefahr einer parasitären Zündung des Thyristorsystems 9~ 2-3-10.
In jedem Fall gilt jedoch die Dimensionierungsvorschrift, dass eine Ringschutzzone 9 bzw. 10 bei zu den Oberflächen 5j 6 senkrechter Projektion vom nächsten Punkt der auf der gegenüberliegenden Seite befindlichen Emitterzone H bzw. 1 einen Abstand d bz.w. d1, und ferner eine Breite r haben muss, wobei sowoi- d, d' als auch r jeweils mindestens gleich L,
und höchstens gleich der dreifachen Dicke B des Halbleiterkörpers des Hälbleiterbauelementes ist.
Die Vorschrift für· die Abstände d, d1 bewirkt, dass eine parasitäre Zündung des Thyristorsystems Ί-3-2-9 bzw. 1-2-3-10 vermieden wira. Die Vorschrift für die Breite r bewirkt, dass die Ringschutzzonm9 bzw. 10 ihre Schutzfunktion gegen Kommutierungsdefekte sicher erfüllen.
Der Vorteil der Ringschutzzone in der Schutzzone 15 liegt nicht nur in der höheren Sicherheit gegen Kommutierungsdefekte, sondern auch in der Möglichkeit, die Breite ζ der Schutzzone 15 zu reduzieren. Dieser Vorteil geht bei gleichzeitiger Anwesenheit sowohl der Schutzzone 9 als auch der Schutzzone 10 aufgrund der notwendigen gegenseitigen Versetzung e weitgehend verloren,- so dass, wie schon oben erwähnt, die Ausführung mit nur einer.Schutszone 9 oder 10 zu bevorzugen ist.
Die in der Praxis erprobte Ausführungsform mit nur einer anodenseitigen Ringschutzzone 10 ist in Fig. 2 dargestellt, wobei für r und d die oben gegebenen Dimensionierungsvorschriften gelten. Die Breite ζ der Schutzzone 15 muss mindestens 2 Diffusionslängen L betragen.
Letzteres gilt natürlich auch für die Ausführungsform nach Fig. 1 und 2.
Bei allen Ausführungsformen besteht neben der grösseren
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Kommutierungssicherheit und der Reduktion des Wertes von ζ noch der Vorteil, dass die hochdotierten Bereiche 738 gegensei tig nicht exakt justiert sein müssen, d.h. bei senkrechter Projektion zu den Oberflächen 556 nicht deckungsgleich sein müssen. Das hat für den technischen Herstellungsprozess vorteilhafte Bedeutung. Die nicht justierten Bereiche 7>8 sind in Fig. 3 angedeutet. ·
Die Ausführungsform nach Fig. 3. ist eine weitere Speziali-^ sierung der Ausführungsform nach Fig.. 2. Das in Fig. 3 dargestellte Bauelement weist gegenüber dem in Fig. 2 dargestell ten Bauelement zusätzlich noch jeweils einen hochdotierten Bereich 11 und 12 des Leitungstyps der inneren Zone 2 bzw. 3, in welche die Bereiche eingelagert sind, auf. Der Bereich 11 itit also P-, und der Bereich 12 N-dotiert. Die Bereiche
und 12 wirken als Kurzschlussringe und helfen die Zündung durch laterale Ströme, wie sie z.B. bei sehr steilem Spannungsanstieg du/dt auftreten, vermeiden. Die Kurzschluss-' ringe 11,12 sind lateral um den Abstand a versetzt, weil sie zusammen eine parasitäre Diode bilden, die im Durchlass nur eine geringe Stromdichte führen darf, a liegt typischerweise zwischen L und 2B.
Eine weitere Verbesserung der Entkopplung des Dioden- und des Thyristorteiles, und damit eine Erhöhung der Sicherheit gegen Kommutierungsdefekte kann durch eine Unterbrechung
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der Elektroden-Metallisierung, und/oder einen Graben 14 an der Oberfläche de"s Halbleiterkörpers erzielt werden.
Auch diese die Ausführungsform nach Fig. 3 von der Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidenden Merkmale sind in Fig. dargestellt.
Das erfindungsgemässe Halbleiterbauelement ist bereits mit grossem Erfolg in Gleichstromstellern und unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlagen erprobt worden. Diese Bauelemente entsprechen in ihrem grundsätzlichen Aufbau dem Thyristor CSR 450 gemäss Kurzdatenblatt BBC Baden / EKV-S vom Juli 76, und i'· ihrer Ausführung im Sinne der Erfindung dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3j jedoch ohne die Merkmale 13 und 14. Dabei betrug r = O1I ... 1 mm, d = 0,1 ... 1 mm, ζ = r + d" = 0,2 ... 2 mm, a = 0,05 ... 0,5 mm. Die Breite der Bereiche 11, 12 betrug 0,02 ... 0,2 mm.
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Claims (1)

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    η s ρ r ü c h e
    1. Halbleiterbauelement mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, bei welchem die beiden inneren Zonen und die jeweils angrenzende äussere Zone jeweils eine gemeinsame Oberfläche bilden, an welcher eine sowohl die innere als auch die äussere Zone kontaktierende Hauptelektrode vorgesehen ist, wobei die erste Hauptelektrode eine zentrale Ausnehmung aufweist, in welcher die erste . innere Zone mit einer Steuerelektrode kontaktier.t ist, und wobei an den Oberflächen der beiden inneren Zonen die beiden äusseren Zonen umschliessende hochdotierte Bereiche des Leitungstyps der angrenzenden inneren Zone vorgesehen sind, welche zwecks Bildung-einer S :hutzzone von der an derselben Oberfläche befindlichen äusseren Zone einen Abstand von mindestens zwei Trägerdiffusionslängen L aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche (53 6) der ersten (2) und/oder zweiten (3) inneren Zone zwischen der an derselben Oberfläche (5, 6) befindlichen äusseren Zone (1, H) und dem diese umschliessenden hochdotierten Bereich (75 8) eine Ringschutzzone (9j 10) von zur angrenzenden inneren Zone (?, 3) entgegengesetztem Leitungstyp vorgesehen ist. |
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    2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, duuü die Kingschutzzone·(10) nur in der zweiten inneren Zone (3) vorgesehen ist, ihre dem Zentrum des Bauelementes zugewandte Grenze bei zu den Oberflächen (5> 6) senkrechter Projektion von der an der gegenüberliegenden Oberfläche (5) befindlichen äusseren Zone (1) einen Abstand d hat, und ihre Breite r beträgt, und sowohl d als auch r jeweils mindestens gleich einer Trägerdiffusionslänge L und- höchstens gleich der dreifachen Dicke B des Halbleiterkörpers des Halbleiterbauelementes sind.
    3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die umschliessenden hochdotierten Bereiche (7j 8) bei einer Projektion senkrecht zu den Oberflächen (55 6) nicht deckungsgleich sind.
    ^. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ringschutzzone (9, 10) sowohl in der ersten (2) als auch in der zweiten (3) inneren Zone vorgesehen ist, und diese Ringschutzzonen (9> 10) gegeneinander derart versetzt sind, dass sich bei einer Projektion senkrecht zu den Oberflächen (53 6) ein Abstand e der Ringschutzzone (9, 10) v><n mindestens einer Trägerdiffusionslänge L ergibt, und' dass diL mehr zum Zentrum des Halbleiterbauelementes ver-
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    setzte Ringschutzzone (9) bei senkrechter Projektion zu den Oberflächen (;j> 6) von der gegenüberliegenden äusü Zone (1I) einen Abstand d' , und beide Ringschutzzonen (9, 10) eine Breite r haben, und sowohl d1 als auch r jeweils mindestens gleich einer Trägerdiffusionslänge L und höchstens gleich der dreifachen Dicke B des Halbleiterkörpers des Halbleiterbauelementes sind.
    5. Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberfläche (5> 6) der ersten (2) und/oder zweiten (3) inneren Zone zwischen der an derselben Oberfläche (5S 6) befindlichen äusseren Zone' (1, 4) und der Ringschutzzone (9, 10) ein zweiter hochdotierter Bereich (11, 12) des Leitungstyps der angrenzenden inneren Zone (2, 3) vorgesehen ist.
    6. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 2 und 53 dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Oberflächen (5, 6) jeweils ein zweiter hochdotierter Bereich (11, 12) vorgesehen ist, und diese beiden hochdotierten Bereiche (11, 12) gegeneinander derart versetzt sind, dass bei ProjektLon senkrecht zu den Oberflächen (5, 6) die einander zugewandten Grenzen der Bereiche (11, 12) einen Abstand a von mehr als L und weniger als 2B haben.
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    • · - · 111 I I 1 I It ι ti
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    7· Halbleiterbauelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dasü zwischen der üusüeren Zone (1, Ί) und dem dicüo uiiiüchlicüsciKlcn hochd-ut, ior'ten Bereich (7> 8), jedoch nicht im Gebiet der Ringschutzzone (9,.1O), mindestens auf einer Seite des Halbleiterbauelementes die die Hauptelektrode (A, C) bildende Metallisierung eine Unterbrechung (13)j und/oder die Oberfläche (53 6) des Halbleiterbauelementes einen Graben (14) aufweist.
    BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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