WO1991004579A1 - Halbleiterschaltelement - Google Patents

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WO1991004579A1
WO1991004579A1 PCT/DE1990/000647 DE9000647W WO9104579A1 WO 1991004579 A1 WO1991004579 A1 WO 1991004579A1 DE 9000647 W DE9000647 W DE 9000647W WO 9104579 A1 WO9104579 A1 WO 9104579A1
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layer
voltage
switching element
semiconductor switching
component
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Application number
PCT/DE1990/000647
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English (en)
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Inventor
Hartmut Michel
Volkmar Denner
Anton Mindl
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
    • H01L29/861—Diodes
    • H01L29/87—Thyristor diodes, e.g. Shockley diodes, break-over diodes

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor switching element.
  • Semiconductor switching elements are generally known as four-layer components, which consist of a first n + -doped layer as a cathode-side emitter with a cathode metallization, a second p-doped layer as a base region, the second layer being more extensive than the first layer (emitter shorting) and high enough for the cathode metallization, a third doped of n ⁇ -doped layer and a fourth p and p + doped layer as the anode-Emit ⁇ consists ter with an anode metallization.
  • breakover diodes Such four-layer components are usually referred to as breakover diodes or Shockley diodes. These are semiconductor components similar to thyristors, but without a gate connection. When a certain voltage, which is referred to as breakover voltage, or a certain current, which is referred to as breakover current, is reached, the switching element changes from the blocking to the conductive state.
  • the structuring of the emitter region and the design of the underlying p-base zone are also used to set the breakdown current. Design rules for this can also be found in the literature.
  • the breakover voltage can be determined using the empirical equation:
  • U B0 U AV • ( 1 - ⁇ pn - ⁇ npn ) 1 / nß '
  • the anode-side emitter corresponding to the fourth layer is often designed symmetrically to the p-base corresponding to the second layer, but can also be doped higher for reasons of overcurrent resistance.
  • Such a semiconductor switching element has the following function: in normal operation, a negative voltage is applied to the cathode metallization and a positive voltage to the anode metallization. The pn junction between the second and third layers is thus polarized in the reverse direction and takes over the voltage applied to the switching element. If the voltage is increased to such an extent that field emission or charge carrier multiplication occurs due to the avalanche effect, the current through the component increases rapidly. Flows on the cathode side the current via the emitter short circuits to the cathode. The cathode-side emitter is injected and thus the switching of the component takes place only when the lateral voltage drop under connected n + regions of the first layer is more than 0.6 to 0.7 V.
  • the device In the "on" state, the device is low because both the p- and n ⁇ -based are flooded with charge carriers.
  • the switching element can only change back to the "off state" when the pn transition between the second and third layers is free of movable charge carriers. This occurs below a holding current (I ß ).
  • thyristors ie externally controlled semiconductor switching elements
  • design measures in the n + , p region of the first and second layers for increasing the holding current are known, but they also increase the value for the breakover current.
  • methods for shortening the life of the minority charge carriers in the n ⁇ and p region are used. This corresponds to an increase in the holding and breakover current and causes a shortening of the turn-off time of the thyristor.
  • the switching element described above shows a blocking characteristic corresponding to a normal pnp transistor.
  • the pn junction between the third and fourth layers now takes over the voltage. There is no emitter for this polarity of the switching element.
  • breakover diodes or Shockley diodes are currently used to protect against overvoltages in electronic devices.
  • Breakover diodes with breakover voltages in the range from a few volts to a maximum of approx. 1000 V are known.
  • the electrical parameters of these known breakover diodes are subject to strong fluctuations, for example for the holding current of 10 A to 1000 mA; The same applies to the tipping current. Because of the strong fluctuations in the breakover voltage - - The component tolerances can only be narrowed by selection in voltage classes.
  • Integrated switching elements based on a series connection of the known breakover diodes are not implemented, since external balancing circuits are necessary in order to obtain a complete sum of the individual breakover voltages despite the large fluctuations in the breakover current and the breakover voltage in the series connection.
  • the characteristic curve of the known breakover diodes which has a very small reverse current ( «A - ⁇ A) in the first part and a steep kink in the second part when the breakover voltage is reached, especially in the case of high dU / dt pulse loads, a uniform voltage distribution in the series connection cumbersome.
  • the breakover voltage is determined by the modulation of the current gain o, which is determined by the expansion of the space charge zone and its approach to the next adjacent pn junction.
  • This method makes it possible to produce smaller variations in the breakover voltage U ß o in the manufacture of the components concerned to realize, since OQ reacts much less to local defects or impurities in the semiconductor material than the known embodiments. This is especially true if high-ohmic (100 ⁇ cm) silicon doped by neutron radiation is used as the starting material that forms the middle layer (3).
  • the holding current IJJ in the component according to the invention is influenced by the storage charge in the middle layers (3) and / or (4). This is preferably done by selecting the thickness and doping of these layers, for example: d n - "& 280 um, ⁇ p.240 ⁇ cm. With this method, Ig can be set largely independently of I ⁇ o. In addition, there is less scatter in the holding current for correspondingly dimensioned components.
  • the shape of the characteristic curve of the known breakover diodes is unsuitable for series connection of individual elements without additional circuitry measures, since it hinders the necessary voltage distribution between the individual elements.
  • the defined rounding of the characteristic curve of the component according to the invention enables the series connection of many individual elements, so that the breakdown voltage of the series connection results in the sum of the individual breakover voltages without additional wiring. This also applies in particular to the case of high du / dt loads caused by high-voltage impulses, e.g. occur in the secondary circuit of automotive ignition systems.
  • the component according to the invention is suitable for producing stack components from it, which also include the breakdown voltages have several 10 kV.
  • a stacking technique known from high-voltage diodes in which wafers are stacked and then separated by sawing can be used, since the individual elements are neither to be stacked in an oriented manner to one another nor is an external network necessary. With the known components, such stacks cannot be sensibly implemented.
  • Such component stacks are suitable due to the large breakdown voltages, e.g. 20 kV - 50 kV and the fast switching behavior (1 ns - 100 ns) during the transition from the blocked to the conductive state, as is generally the case with breakover diodes, for use in the secondary circuit of motor vehicle ignition systems to split the ignition pulses.
  • it can also be used in distributorless ignitions (e.g. according to patent DE 37 31 412 AI) in order to switch the part of the ignition voltage that is not switched by the light-triggered components by overhead ignition (see FIG. 6).
  • the wording of the claims relates to a specific layer sequence and polarity. It is expressly pointed out that the claims should also relate to the equivalent solution with the reverse layer sequence and polarity.
  • La shows the layered structure of a semiconductor switching element (four-layer component)
  • Fig. Lb the structure of a switching element corresponding to Fig. La, but with the reverse layer sequence and polarity
  • FIG. 3 shows a diagram of the characteristic curve of a breakover diode according to the invention, the degree of rounding being dependent on the thickness and doping of the middle layer (3),
  • 3a shows a diagram of the current amplification over the applied voltage with a characteristic curve rounded according to the invention
  • FIG. 5b shows an embodiment corresponding to FIG. 5a, but with the reverse layer sequence and polarity, 6 and 7 circuits for use in ignition systems,
  • Fig. 8 circuit for dividing and switching high voltage pulses in connection with current or
  • FIG. 1 a shows a semiconductor switching element as a four-layer component with a first n-doped layer 1 as the cathode-side emitter, a second p-doped layer 2 as the base region, a third n-doped layer 3 and a fourth p-doped layer as anode-side emitter.
  • the second layer 2 is more extensive than the first layer 1, as a result of which it specifically reaches up to a cathode metallization 6, which is also arranged above the first layer 1.
  • Another, opposite metallization is arranged as anode metallization 7 above the fourth layer.
  • the layer 4 as an anode-side emitter can also be doped higher than the p base region of the second layer 2 as the p + region.
  • Fig. Lb shows an equivalent solution to Fig. La, only with reverse layer sequence and reverse polarity.
  • FIG. 2 shows the characteristic curve of a known embodiment of a four-layer element, the voltage applied to the element being indicated in the horizontal direction and the current being indicated in the vertical direction. Designated with Ugo i st i break voltage, with Igg the breakover current and with Ig the holding current. It can be seen from the characteristic curve that the four-layer element shown transitions from a high-resistance to a low-resistance state as an automatically acting switching element at a certain breakover voltage.
  • the second layer 2 and the third layer 3 With regard to its thickness and doping, it is dimensioned such that when a voltage is applied between the cathode metallization 6 and the anode metallization 7, the space charge zone expands in the direction of the next pn junction in such a way that the corresponding current gain increases and a tilting process is triggered.
  • the next pn junction can be that between the third layer 3 and fourth layer 4 and / or the first layer 1 and the second layer 2.
  • the tilting process can also be triggered by the space charge zone reaching one or both of these pn junctions.
  • the current gain p n p or ° ⁇ npn is modulated as a function of the applied voltage in such a way that a defined rounding of the characteristic curve occurs.
  • the rounding guarantees a symmetrical voltage distribution when the components are connected in series.
  • the storage charge of the breakover diode is set by the thickness and doping of the n ⁇ zone of layer 3, for example Ig can be used with the same short-circuit emitter layout, the same breakdown current, the same minority carrier lifetime and also otherwise unchanged design parameters Reduce by a factor of 10 if d n - is increased from 170 ⁇ at 60 -Q_cm n ⁇ silicon to 280 ⁇ m at 240 -ß_cm.
  • U ß Q is determined by the-curve, as can be set largely independently of 1 _ Q as described above, the three most important parameters IBO ' U B0 and * H can be set largely separately in the component according to the invention .
  • very small fluctuations in the holding current Ig and the breakover voltage U ß O can be achieved using neutron-doped silicon material ( ⁇ in the range 1.0E13-1.0E14 cm ⁇ 3, U BQ ⁇ 900 V) (approx. +/- 10%).
  • 5a shows a semiconductor switching element as a five-layer element, in which an n + -doped fifth layer 5 is provided in addition to the p-doped fourth layer 4, the fourth layer 4 reaching up to the anode metallization 7.
  • FIG. 5b shows an equivalent embodiment to FIG. 5a with a changed layer sequence and a changed polarity.
  • the properties and functions specified above in connection with the four-layer element can also be realized with such five-layer components with the same advantages.
  • the third layer and the fourth layer are also available for the function according to the invention, with appropriate dimensioning, where ⁇ here the space charge zone can also approach or reach one or both of the adjacent pn junctions when the voltage is applied, thereby triggering a tilting process.
  • FIG. 4 shows an example of an embodiment in which, in the four or five-layer elements described above, a geometry for the formation of zones 2 or 2 and 4, which pass upwards for the cathode or anode metallicization, is chosen which has a uniform distribution of injecting and non-injecting partial areas.
  • round emitter shorts 8 are distributed in the form of a triangular grating.
  • the surface provided with lines corresponds to the first layer 1 or the fifth layer 5 and the circular surfaces 8 correspond to the two th layer 2 or the fourth layer 4.
  • FIGS 6 and 7 show switching arrangements in which stacks of semiconductor switching elements according to the invention are attached in the secondary circuit of motor vehicle ignition systems and are used to split the high-voltage pulses.
  • the stacks of semiconductor switching elements according to the invention can be used in different versions of ignition systems.
  • FIG. 8 shows a schematic circuit diagram in which a semiconductor switching element stack according to the invention is connected downstream of a pulse source 9, which is connected to a consumer 11 together with a current-voltage source 10.
  • the semiconductor switching element stack according to the invention is used simultaneously for the electrical separation of the pulse source 9 from the low-voltage current-voltage source 10, which has only slightly variable voltages or currents in comparison with the pulse source 9.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltelement aus einer ersten n+-dotierten Schicht (1), einer zweiten p-dotierten Schicht (2), einer dritten n--dotierten Schicht (3) und einer vierten p-dotierten Schicht (4). Schicht (1) stellt einen kathodenseitigen Emitter, Schicht (4) einen anodenseitigen Emitter mit entsprechenden Metallisierungen (6 und 7) dar. Erfindungsgemäß wird bei dem Halbleiterschaltelement ein Kippvorgang dadurch ausgelöst, daß zwei mittlere Schichten (zweite Schicht (2) und dritte Schicht (3)) hinsichtlich ihrer Dicke und Dotierung so dimensioniert sind, daß sich die Raumladungszone beim Anlegen einer Spannung an das Element derart in Richtung auf den nächsten pn-Übergang (zwischen der dritten Schicht (3) und vierten Schicht (4) und/oder der ersten Schicht (1) und der zweiten Schicht (2) ausdehnt, daß die entsprechende Stromverstärkung α(α¿pnp? und/oder αnpn) anwächst. Alternativ kann der Kippvorgang auch dadurch ausgelöst werden, daß die Raumladungszone einen nächsten pn-übergang erreicht. Das erfindungsgemäße Bauelement weist kleine Schwankungen in den Parametern UBO und IH auf, insbesondere wenn für die mittlere Schicht (3) n-dotiertes Si-Material (ς » 100 Φcm) verwendt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement können die Parameter UBO, IBO und IH weitgehend unabhängig eingestellt werden. Mit den Bauelementen sind Reihenschaltungen vieler Elemente realisierbar, insbesondere lassen sich dadurch Bauelementstapel für sehr hohe Spannungen einfach herstellen, die besonders als schnelle, passive Hochspannungsschalter zur Aufteilung der Hochspannungsimpulse im Sekundärkreis einer Zündanlage geeignet sind.

Description

Halbleiterschaltelement
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterschaltelement.
Allgemein sind Halbleiterschaltelemente als Vierschichtbauele- mente bekannt, die aus einer ersten n+-dotierten Schicht als kathodenseitigem Emitter mit einer Kathodenmetallisierung, einer zweiten p-dotierten Schicht als Basisgebiet, wobei die zweite Schicht ausgedehnter als die erste Schicht ist (Emit- tershorting) und zur Kathodenmetallisierung hochreicht, aus einer dritten n~-dotierten Schicht und aus einer vierten p- dotierten bzw. p+-dotierten Schicht als anodenseitigem Emit¬ ter mit einer Anodenmetallisierung besteht.
Solche Vierschichtbauelemente werden üblicherweise als Break- over-Dioden oder Shockley-Dioden bezeichnet. Es handelt sich dabei um Halbleiterbauelemente ähnlich Thyristoren, jedoch ohne Gateanschluß. Beim Erreichen einer bestimmten Spannung, die als Kippspannung bezeichnet wird, bzw. eines bestimmten Stromes, der als Kippstrom bezeichnet wird, geht das Schalt- element vom sperrenden in den leitenden Zustand über.
Mit der Maßnahme, den kathodenseitigen Emitter nicht über die gesamte Bauelementfläche auszudehnen, sondern das p-Basisge- biet zur Kathodenmetallisierung hochzuführen (Emittershor- ting) wird ein Schutz des Halbleiterschaltelements gegen ein unbeabsichtigtes Zünden aufgrund dü/dt-induzierter Verschiebe¬ ströme erreicht. Design-Kriterien für eine entsprechende Aus- bildung sind bekannt.
Die Strukturierung des Emittergebiets und die Auslegung der darunterliegenden p-Basiszone wird außerdem dazu benützt, den Kippstrom einzustellen. Designregeln dafür sind ebenfalls in der Literatur zu finden.
Die Kippspannung läßt sich prinzipiell mit Hilfe der empiri¬ schen Gleichung bestimmen:
UB0 = UAV • (1 -© pn -< npn) 1/nß'
wobei UgQ der Kippspannung entspricht.
In der Praxis wird jedoch der Avalanche-Effekt bzw. der Zener- effekt am pn-Übergang zwischen der zweiten und dritten
Schicht zur Einstellung der Kippspannung verwendet, da die «K-Werte starke Funktionen des Sperrstroms sind und dieser fertigungsbedingt großen Schwankungen unterliegt.
Der anodenseitige Emitter entsprechend der vierten Schicht wird häufig symmetrisch zur p-Basis entsprechend der zweiten Schicht ausgelegt, kann jedoch auch aus Gründen der Überstrom- festigkeit höher dotiert werden.
Ein solches Halbleiterschaltelement hat folgende Funktion: Im Normalbetrieb wird an die Kathodenmetallisierung eine nega¬ tive Spannung gelegt und an die Anodenmetallisierung eine Positive. Der pn-übergang zwischen der zweiten und dritten Schicht ist damit in Sperrichtung gepolt und übernimmt die am Schaltelement angelegte Spannung. Wird die Spannung soweit er¬ höht, daß aufgrund des Avalanche-Effekts eine Feldemission bzw. Ladungsträgermultiplikation einsetzt, steigt der Strom durch das Bauelement rasch an. An der Kathodenseite fließt der Strom über die Emitterkurzschlüsse zur Kathode ab. Das Injizieren des kathodenseitigen Emitters und damit das Schal¬ ten des Bauelements erfolgt erst, wenn der laterale Spannungs¬ abfall unter zusammenhängenden n+-Gebieten der ersten Schicht mehr als 0,6 bis 0,7 V beträgt.
Im "Ein-Zustand" ist das Bauelement niederohmig, da sowohl die p- als auch n~-Basis mit Ladungsträgern überschwemmt sind.
Das Schaltelement kann erst dann wieder in den "Aus-Zustand" übergehen, wenn der pn-übergang zwischen der zweiten und drit¬ ten Schicht von beweglichen Ladungsträgern frei ist. Dies tritt unterhalb eines Haltestroms (Iß) ein.
Bei Thyristoren, d.h. fremdgesteuerten Halbleiterschaltelemen¬ ten, sind Design-Maßnahmen im n+-, p-Gebiet der ersten und zweiten Schicht zur Vergrößerung des Haltestroms bekannt, die aber auch den Wert für den Kippstrom vergrößern. Zudem werden Verfahren zur Lebensdauerverkürzung der Minoritätsladungsträ¬ ger im n~- und p-Gebiet verwendet. Dies entspricht einer Er¬ höhung des Halte- und Kippstroms und bewirkt eine Verkürzung der Ausschaltzeit des Thyristors.
In Rückwärtsrichtung zeigt das vorstehend beschriebene Schalt¬ element eine einem normalen pnp-Transistor entsprechende Sperrkennlinie. Der pn-übergang zwischen der dritten und vier¬ ten Schicht übernimmt nun die Spannung. Zu dieser Polung des Schaltelements gibt es keinen Emitter.
Solche Breakover-Dioden oder Shockley-Dioden werden derzeit zum Schutz vor Überspannungen in elektronischen Geräten einge¬ setzt. Breakover-Dioden mit Kippspannungen im Bereich von einigen Volt bis maximal ca. 1000 V sind dazu bekannt. Die elektrischen Parameter dieser bekannten Breakover-Dioden unterliegen aber stärken Schwankungen, z.B. für den Halte¬ strom von 10 A bis 1000 mA; Entsprechendes gilt für den Kipp¬ strom. Wegen der starken Schwankungen in der Kippspannung - - kann eine Einengung der Bauelement-Toleranzen nur durch Selek¬ tion in Spannungsklassen erfolgen.
Einzelelemente mit Kippspannungen von einigen 10 k sind nicht bekannt.
Integrierte Schaltelemente, basierend auf einer Reihenschal¬ tung der bekannten Breakoverdioden, sind nicht realisiert, da externe Symmetrierbeschaltungen nötig sind, um trotz der großen Schwankungen des Kippstroms und der Kippspannung bei der Reihenschaltung eine vollständige Aufsum ation der einzel¬ nen Kippspannungen zu erhalten. Zudem ist die Kennlinie der bekannten Breakoverdioden, die im ersten Teil einen sehr kleinen Sperrstrom ( « A - μA), im zweiten Teil bei Erreichen der Kippspannung einen steilen Knick aufweist, besonders im Fall hoher dU/dt-Impulsbelastungen einer gleichmäßigen Spannungsaufteilung in der Reihenschaltung hinderlich.
Es ist bekannt, im Hochspannungs-Sekundärkreis von Kraftfahr- zeugzundungen Vorfunkenstrecken zu verwenden, um damit den an der Zündkerze auftretenden Hochspannungsimpuls aufzustellen und dadurch Nebenschlußprobleme besser zu beherrschen und ein besseres Anspringen einer Brennkraftmaschine auch unter ungün¬ stigen Randbedingungen zu gewährleisten.
Eine Halbleiterlösung zur Beherrschung obiger Problematik, die statt der Vorfunkenstrecke im Sekundärkreis der Zündan¬ lage als schneller, passiver Hochspannungsschalter arbeitet, ist nicht bekannt.
Vorteile der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement wird die Kippspannung durch die Modulation der Stromverstärkung o , die durch die Ausdehnung der Raumladungszone und deren Annäherung an den nächsten angrenzenden pn-übergang bestimmt wird, festgelegt. Diese Methode ermöglicht es, bei der Herstellung der betref¬ fenden Bauelemente kleinere Streuungen der Kippspannung Ußo zu realisieren, da O Q wesentlich weniger auf lokale Defekte oder Verunreinigungen im Halbleitermaterial reagiert, als die bekannten Ausführungsformen. Dies gilt besonders, wenn als Ausgangsmaterial, das die mittlere Schicht (3) bildet, hoch- ohmiges ( 100 Λcm), durch Neutronenbestrahlung dotiertes Silizium verwendet wird.
Der Haltestrom IJJ wird bei dem erfindungsgemäßen Bauelement durch die Speicherladung in den mittleren Schichten (3) und/ oder (4) beeinflußt. Bevorzugt geschieht das durch die Wahl von Dicke und Dotierung dieser Schichten, z.B.: dn- «&280 um, ^ s.240 Λcm. Durch diese Methode kann Ig weitgehend unab¬ hängig von Ißo eingestellt werden. Zudem ergibt sich für dem¬ entsprechend dimensionierte Bauelemente eine geringere Streu- ung im Haltestrom.
Durch die Methode Ußo einzustellen, ist es beim erfindungs¬ gemäßen Bauelement möglich, die Kennlinie des Bauelements definiert zu verrunden; hochohmige mittlere Schichten (3), z.B. ^ «s 300 jΩ-cm, in Verbindung mit großen Dicken, z.B. d(3) «= 300μm, ergeben starke Verrundungen, entsprechend er¬ gibt z.B. ^ Ä. 60 l_cm, d(3) <^ 60 μm einen steilen Übergang zwischen der Sperrkennlinie und dem Durchbruchsbereich.
Die Form der Kennlinie der bekannten Breakoverdioden ist für eine Reihenschaltung von Einzelelementen ohne zusätzliche Be- schaltungsmaßnahmen ungeeignet, da sie der notwendigen Spannungsaufteilung zwischen den Einzelelementen hinderlich ist. Die definierte Kennlinienverrundung des erfindungsge- mäßen Bauelements ermöglicht die Reihenschaltung vieler Ein¬ zelelemente, so daß sich als Kippspannung der Reihenschaltung die Summe der Einzelkippspannungen ergibt, ohne zusätzliche Beschaltung. Dies gilt besonders auch für den Fall hoher du/ dt-Belastungen durch Hochspannungsimpulse, wie sie z.B. im Sekundärkreis von Kraftfahrzeugzündanlagen auftreten.
Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Bauelement, um daraus Stapel-Bauelemente zu fertigen, die Kippspannungen mit mehreren 10 kV aufweisen. Dabei kann auf eine Stapeltechnik, wie sie von Hochspannungsdioden her bekannt ist, bei der wafer gestapelt werden und anschließend durch Sägen die Ver¬ einzelung erfolgt, zurückgegriffen werden, da die Einzelele- mente weder orientiert zueinander zu stapeln sind noch ein externes Netzwerk nötig ist. Mit den bekannten Bauelementen sind solche Stapel nicht sinnvoll realisierbar.
Aufgrund der geringen Schwankungen in den Parametern Ig und Ußo des Einzelbauelements, wie oben ausgeführt, läßt sich auch ein Bauelementstapel für Kippspannungen von einigen 10 kV mit hinreichend kleinen Schwankungen in den beiden Para¬ metern herstellen.
Solche Bauelementstapel eignen sich aufgrund der großen Kipp¬ spannungen, z.B. 20 kV - 50 kV und des schnellen Schaltverhal¬ tens (1 ns - 100 ns) beim Übergang vom gesperrten in den lei¬ tenden Zustand, wie es allgemein Breakoverdioden aufweisen, für den Einsatz im Sekundärkreis von Kraftfahrzeugzündanlagen zur Aufsteilung der Zündimpulse. Insbesondere ist der Einsatz auch in verteilerlosen Zündungen möglich (z.B. gemäß Patent DE 37 31 412 AI), um den Teil der Zündspannung, der nicht von den lichtgetriggerten Bauteilen geschaltet wird, durch Über- kopfzünden zu schalten- (vgl. Fig. 6).
Weiter ist der Einsatz in allen Hochspannungsanlagen möglich zur Aufsteilung von Hochspannungsimpulsen und/oder zur elek¬ trischen Trennung von Impulsspannungsquellen und Wechsel¬ bzw. Gleichstrom- oder Spannungsquellen niederer Spannung, z.B. für eine Impulszündung von Verbrauchern, die nach Zün¬ dung Gleich- oder Wechselstromversorgung benötigen (vgl. Fig. 7).
Der erfindungsgemäße Bauelementstapel eignet sich besonders als Ersatz für Vorfunkenstrecken, da der Halbleiterstapel ver¬ schleißfrei arbeitet, während des Betriebs genau reproduzier¬ bare Zündspannungen (= Kippspannungen) liefert und weniger Störstrahlung als Funkenstrecken aussendet. Der Wortlaut der Ansprüche betrifft eine bestimmte Schichten¬ folge und Polarität. Ausdrücklich wird darauf hingewiesen, daß sich die Ansprüche auch auf die äquivalente Lösung mit umgekehrter Schichtenfolge und Polarität beziehen soll.
Zeichnung
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. la den schichtweisen Aufbau eines Halbleiterschaltele¬ ments (Vierschichtbauelement),
Fig. lb den Aufbau eines Schaltelements entsprechend Fig. la, jedoch mit umgekehrter Schichtenfolge und Polarität,
Fig. 2 ein Diagramm der Kennlinie einer Breakover-Diode nach dem Stand der Technik,
Fig. 3 ein Diagramm der Kennlinie einer erfindungsgemäßen Breakover-Diode, wobei der Grad der Verrundung ab¬ hängig von der Dicke und Dotierung der mittleren Schicht (3) ist,
Fig. 3a ein Diagramm der Stromverstärkung über der angelegten Spannung mit erfindungsgemäß verrundeter Kennlinie,
Fig. 4 ein Beispiel für gleichmäßig verteilte Emitterkurz- Schlüsse; hier runde Emitterkurzschlüsse, verteilt in
Form eines Dreieckgitters,
Fig. 5a den schichtweisen Aufbau einer weiteren Ausführungs¬ form eines Halbleiterschalters (Fünfschichtbauele- ment) ,
Fig. 5b eine Ausführung entsprechend der Fig. 5a, jedoch mit umgekehrter Schichtenfolge und Polarität, Fig. 6 und 7 Schaltungen für die Anwendung in Zündungsanla¬ gen,
Fig. 8 Schaltung zur Aufsteilung und Durchschaltung von Hoch- spannungsimpulsen in Verbindung mit Strom- oder
Spannungsquellen.
In Fig. la ist ein Halbleiterschaltelement als Vierschichtbau¬ element dargestellt mit einer ersten n-dotierten Schicht 1 als kathodenseitigem Emitter, aus einer zweiten p-dotierten Schicht 2 als Basisgebiet, einer dritten n~-dotierten Schicht 3 und einer vierten p-dotierten Schicht als anodenseitige Emitter. Die zweite Schicht 2 ist ausgedehnter als die erste Schicht 1, wodurch diese gezielt zu einer Kathodenmetallisie- rung 6 hochreicht, die auch über der ersten Schicht 1 angeord¬ net ist. Eine weitere, gegenüberliegende Metallisierung ist als Anodenmetallisierung 7 über der vierten Schicht angeord¬ net.
Die Schicht 4 als anodenseitiger Emitter kann auch als p+-Be- reich höher dotiert sein als das p-Basisgebiet der zweiten Schicht 2.
Fig. lb zeigt eine äquivalente Lösung zu Fig. la, lediglich mit umgekehrter Schichtenfolge und umgekehrter Polarität.
In Fig. 2 ist die Kennlinie einer bekannten Ausführungsform eines Vierschichtelements dargestellt, wobei in horizontaler Richtung die am Element anliegende Spannung und in vertikaler Richtung der Strom angegeben sind. Mit Ugo ist i Kipp¬ spannung bezeichnet, mit Igg der Kippstrom und mit Ig der Haltestrom. Aus der Kennlinie ist zu ersehen, daß das darge¬ stellte Vierschichtelement bei einer bestimmten Kippspannung von einem hochohmigen zu einem niederohmigen Zustand als selbsttätig wirkendes Schaltelement übergeht.
Erfindungsgemäß werden bei einem Vierschichtelement gemäß den Fig. la bzw. lb die zweite Schicht 2 und die dritte Schicht 3 hinsichtlich ihrer Dicke und Dotierung so dimensioniert, daß sich die Raumladungszone beim Anlegen einer Spannung zwischen der Kathodenmetallisierung 6 und der Anodenmetallisierung 7 derart in Richtung auf den nächsten pn-übergang ausdehnt, daß die entsprechende Stromverstärkung «^ anwächst und hierdurch ein Kippvorgang ausgelöst wird. Als nächster pn-übergang kann der zwischen der dritten Schicht 3 und vierten Schicht 4 und/ oder der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2 verwendet werden. Der Kippvorgang kann auch dadurch ausgelöst werden, daß die Raumladungszone einen oder beide dieser pn-Übergänge erreicht.
Die Stromverstärkung pnp oder °^npn wird als Funktion der anliegenden Spannung so moduliert, daß eine definierte Verrun- düng der Kennlinie entsteht. Ein typischer Verlauf vonc< pnp oder <= . npn ist in Fig. 3a dargestellt. Der so eingestellte Verlauf von °^ pnp bzw. o npn verursacht bei höher werdender, externer Spannung mit &L anwachsende höhere Sperrströme und damit die in Fig. 3 dargestellte Kennlinie eines erfindungsge- mäßen Halbleiterschaltelements. Die Verrundung garantiert eine symmetrische Spannungsaufteilung bei einer Reihenschal¬ tung der Bauteile.
Um den Haltestrom Ig getrennt vom Kippstrom Igo einstellen zu können, wird die Speicherladung der Kippdiode durch die Dicke und Dotierung der n~-Zone der Schicht 3 eingestellt, z.B. läßt sich Ig bei gleichem Kurzschlußemitterlayout, gleichem Kippstrom, gleicher Minoritätsträgerlebensdauer und auch sonst unveränderten Designparametern um den Faktor 10 reduzie- ren, wenn dn- von 170 μ bei 60 -Q_cm n~-Silizium auf 280 μm bei 240 -ß_cm erhöht wird.
Da UßQ durch den ^-Verlauf festgelegt wird, lg wie oben be¬ schrieben weitgehend unabhängig von 1 _Q eingestellt werden kann, sind beim erfindungsgemäßen Bauelement die drei wichtig¬ sten Parameter IBO' UB0 un *H weitgehend getrennt einstell¬ bar. Bei Realisierung der vorstehenden Maßnahmen lassen sich unter Verwendung von neutronendotiertem Siliziummaterial, ( ^ im Be¬ reich 1.0E13 - 1.0E14 cm~3, UBQ ^ 900 V), sehr kleine Schwankungen im Haltestrom Ig und der Kippspannung UßO erzie- len (ca. +/- 10 %) .
In Fig. 5a ist ein Halbleiterschaltelement als Fünfschichtele- ment dargestellt, bei dem zusätzlich zur p-dotierten vierten Schicht 4 eine n+-dotierte fünfte Schicht 5 vorgesehen ist, wobei die vierte Schicht 4 zur Anodenmetallisierung 7 hoch¬ reicht.
In Fig. 5b ist eine äquivalente Ausführung zu Fig. 5a darge¬ stellt mit geänderter Schichtenfolge und geänderter Polari- tat.
Die oben in Verbindung mit dem Vierschichtelement angegebenen Eigenschaften und Funktionen lassen sich auch bei solchen Fünfschichtbauelementen mit den gleichen Vorteilen realisie- ren. Bei einem FünfSchichtbauelement stehen für die erfin¬ dungsgemäße Funktion zudem die dritte Schicht und die vierte Schicht bei entsprechender Dimensionierung zur Verfügung, wo¬ bei sich hier die Raumladungszone beim Anlegen der Spannung ebenfalls an einen oder beide der angrenzenden pn-Übergänge annähern oder diese erreichen kann und hierdurch ein Kippvor¬ gang ausgelöst wird.
Die vorstehenden Ausführungen betreffen jeweils das Einzelele¬ ment. In Fig. 4 ist beispielhaft eine Ausführungsform darge- stellt, bei der in den vorbeschriebenen Vier- oder Fünf¬ schichtelementen eine Geometrie für die Ausbildung der Zonen 2 bzw. 2 und 4, die nach oben zur Kathoden- bzw. Anodenme¬ tallisierung durchreichen, gewählt ist, die eine gleichmäßige Verteilung von injizierenden und nicht-injizierenden Teilflä- chen aufweist. Dazu sind runde Emitterkurzschlüsse 8 in Form eines Dreieckgitters verteilt. In Fig. 4 entspricht somit die mit Strichen versehene Fläche der ersten Schicht 1 bzw. der fünften Schicht 5 und die Kreisflächen 8 entsprechen der zwei- ten Schicht 2 bzw. der vierten Schicht 4.
Diese oder ähnliche Ausführungsformen gestatten es, bei der Strukturierung der Emittershorts gleichzeitig den ganzen Halb- leiterwafer so zu strukturieren, ohne auf die Abmessungen des Einzelbauelements Rücksicht zu nehmen, da jede Unterteilung dieser Strukturierung wieder eine Fläche gibt, die dieselbe gleichmäßige Verteilung von injizierenden und nicht-injizie- renden Teilflächen (2) und (1) ergibt, solange die Anzahl der Emittershorts ausreichend groß ist, z.B. 30.
Mit einer solchen Ausbildung ist es möglich, Bauelementstapel als Reihenschaltung einzelner Elemente zu fertigen, ohne die Bauteile einzeln und orientiert zueinander verbinden zu müs- sen. Es können vielmehr fertigprozessierte Siliziumscheiben gestapelt, mit üblichen Verbindungstechniken, wie z.B. Löten, miteinander verbunden und gesägt werden, um den Einzelstapel zu erhalten. Solche Verbindungstechniken werden bisher nur bei Diodenelementen verwendet.
Die Schwankungen der Größen Haltestrom Ig, Kippstrom Ißo und Kippspannung UßO sind bei einem solchen Stapel von Einzelbau¬ elementen mit bekannten Fertigungsprozessen besonders gering und liegen etwa bei - -10 %.
In den Fig. 6 und 7 sind Schaltanordnungen dargestellt, bei denen erfindungsgemäße Stapel aus Halbleiterschaltelementen im Sekundärkreis von Kraftfahrzeugzündanlagen angebracht sind und zur Aufsteilung der Hochspannungsimpulse verwendet wer- den. Die erfindungsgemäßen Stapel aus Halbleiterschaltelemen¬ te sind dabei in unterschiedlichen Ausführungen von Zündungs¬ anlagen zu verwenden.
In Fig. 8 ist ein schematisches Schaltbild dargestellt, bei dem ein erfindungsgemäßer Halbleiterschaltelementstapel einer Impulsquelle 9 nachgeschaltet ist, die zusammen mit einer Strom-Spannungsquelle 10 mit einem Verbraucher 11 verbunden ist. Neben der Aufsteilung und Durchschaltung von Hoch- spannungsimpulsen aus der Hochspannungsquelle 9 wird der er¬ findungsgemäße Halbleiterschaltelementstapel gleichzeitig zur elektrischen Trennung der Impulsquelle 9 von der mit niederer Spannung betriebenen Strom-Spannungsquelle 10, die im Ver¬ gleich zur Impulsquelle 9 nur gering veränderliche Spannungen oder Ströme aufweist, verwendet.

Claims

Patentansprüche
1. Halbleiterschaltelement, bestehend aus einer ersten n+-do- tierten Schicht (1) als kathodenseitigem Emitter mit einer Kathodenmetallisierung (6), aus einer zweiten p-dotierten Schicht (2) als Basisgebiet, wobei die zweite Schicht (2) aus¬ gedehnter als die erste Schicht (1) ist (Emittershorting) und zur Kathodenmetallisierung (6) hochreicht, aus einer dritten n~-dotierten Schicht (3) und aus einer vierten p-dotierten bzw. p+-dotierten Schicht (4) als anodenseitigem Emitter mit einer Anodenmetallisierung (7), dadurch gekennzeichnet, daß zwei mittlere Schichten (bei einem Vierschichtelement zweite Schicht 2 und dritte Schicht 3) hinsichtlich ihrer Dicke und Dotierung so dimensioniert sind, daß sich die Raumladungszone beim Anlegen einer Spannung (U) an das Halbleiterschaltele- ment, wobei die anodenseitige Schicht (vierte Schicht 4) positiver als die kathodenseitige Schicht (erste Schicht 1) ist, derart in Richtung auf den nächsten pn-übergang (zwi¬ schen der dritten Schicht 3 und vierten Schicht 4 und/oder der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2) ausdehnt, daß ein definiertes Anwachsen der entsprechenden Stromverstärkung c ( c< pnp und/oder c npn) als Funktion der Spannung (U) er¬ reicht wird, sich dadurch der Sperrstrom durch das Bauelement erhöht und sich somit eine definierte Verrundung der Kenn¬ linie einstellen läßt und hierdurch ein Kippvorgang, der durch die Auslegung der Zonen (1) und (2) vorgegeben ist, aus¬ gelöst wird. - Λk -
2. Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß beim Anlegen der Spannung die Raumladungszone den nächsten pn-übergang (zwischen der dritten Schicht 3 und der vierten Schicht 4 und/oder der ersten Schicht 1 und der zweiten Schicht 2) erreicht, dadurch der Sperrstrom durch das Bauelement stark anwächst und hierdurch ein Kippvorgang ausge¬ löst wird.
3. Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere n+-dotierte anodenseitige, fünfte Schicht (5) vorgesehen ist.
4. Halbleiterschaltelement nach Anspruch 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die vierte Schicht (4) ausgedehnter als die fünfte Schicht (5) ist und zur Anodenmetallisierung (7) hoch¬ reicht.
5. Halbleiterschaltelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei mittleren Schichten (bei einem 5-Schichtbauelement) die dritte Schicht (3) und die vierte Schicht (4) sind und sich die Raumladungszone beim Anlegen einer negativen Spannung, Schicht (5) negativ gegen Schicht (1), ausgehend vom pn-übergang zwischen Schicht (3) und (4) derart in Richtung auf den pn-übergang zwischen -Schicht (2) und (3) und/oder auf den pn-Übergang zwischen Schicht (4) und (5) ausdehnt, daß die entsprechende Stromverstärkung ex ( e>L pnp und/oder c npn) anwächst, dadurch der Sperrstrom durch das Bauelement erhöht wird und hierdurch ein Kippvor¬ gang, der durch die Auslegung der Zonen (4) und (5) vorge- geben ist, ausgelöst wird.
6. Halbleiterschaltelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei mittleren Schichten (bei einem 5-Schichtbauelement) die dritte Schicht (3) und die vierte Schicht (4) sind und sich die Raumladungszone beim Anlegen einer positiven Spannung, Schicht (5) positiv gegen Schicht (1), ausgehend vom pn-übergang zwischen Schicht (2) und (3) derart in Richtung auf den pn-übergang zwischen Schicht (3) und (4) und/oder auf den pn-übergang zwischen Schicht (1) und (2) ausdehnt, daß die entsprechende Stromverstärkung < ( o pnp und/oder <? npn) anwächst, dadurch der Sperrstrom durch das Bauelement erhöht wird und hierdurch ein Kippvor- gang, der durch die Auslegung der Zonen (1) und (2) vorge¬ geben ist, ausgelöst wird.
7. Halbleiterschaltelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anlegen der Spannung die Raum- ladungszone den pn-übergang zwischen der zweiten Schicht (2) und dritten Schicht (3) und/oder der vierten Schicht (4) und fünften Schicht (5) erreicht, dadurch der Sperrstrom durch das Bauelement stark anwächst und hierdurch ein Kippvorgang ausgelöst wird.
8. Halbleiterschaltelement nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Anlegen der Spannung die Raumladungszone den pn-übergang zwischen der dritten Schicht (3) und vierten Schicht (4) und/oder der ersten Schicht (1) und zweiten Schicht (2) erreicht, dadurch der Sperrstrom durch das Bauelement stark anwächst und hierdurch ein Kippvor¬ gang ausgelöst wird.
9. Halbleiterschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, aber mit invertierter Schichtenfolge - also Schicht (1) ist p+-dotiert, Schicht (2) n-dotiert usw. - und entsprechend um¬ gekehrter Polarität der Spannungen.
10. Halbleiterschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die im durchgeschalteten Zustand in der dritten Schicht (3) auftretende Speicherladung zur Steuerung des Haltestroms Ig beeinflußt wird, bevorzugt da¬ durch, daß Dicke und/oder Dotierung der Schicht (3) einge¬ stellt werden.
11. Halbleiterschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterwirkungsgrad des pn-Übergangs zwischen der dritten Schicht (3) und der vierten Schicht (4) und/oder der ersten Schicht (1) und der zweiten Schicht (2) gezielt, bevorzugt durch Variation der Gu melzahl der Schicht (4) und/oder der Schicht (2), eingestellt wird.
12. Halbleiterschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis
11, dadurch gekennzeichnet, daß die Emittershorts auf der Kathodenseite (6) und/oder der Anodenseite (7) eine gleich¬ mäßige Verteilung über das Bauelement aufweisen.
13. Halbleiterschaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis
12, dadurch gekennzeichnet, daß es durch eine Reihenschaltung von n Halbleiterschaltelementen, z.B. in Stapeltechnik, gebil¬ det wird und daß es durch die Verrundung der Kennlinien der Einzelelemente die gleichmäßige Aufteilung einer extern angelegten Spannung über alle Einzelelemente ohne externe Be- schaltung ermöglicht und dadurch eine Kippspannung aufweist, die n-fach so groß ist wie die der Einzelhalbleiterschaltele- mente.
14. Halbleiterschaltelement nach Anspruch 13, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß es zur Aufsteilung von Hochspannungsimpulsen, bevorzugt im Hochspannungskreis von Kraftfahrzeugzündungen, verwendet wird.
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