WO1991010265A1 - Feldeffekt-gesteuertes halbleiter-bauelement - Google Patents

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WO1991010265A1
WO1991010265A1 PCT/EP1990/002222 EP9002222W WO9110265A1 WO 1991010265 A1 WO1991010265 A1 WO 1991010265A1 EP 9002222 W EP9002222 W EP 9002222W WO 9110265 A1 WO9110265 A1 WO 9110265A1
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Jacek Korec
Wolf-Dieter Nowak
Heinrich Schlangenotto
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Daimler-Benz Aktiengesellschaft
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    • H01L29/749—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action with turn-on by field effect

Definitions

  • the field effect-controlled power semiconductor components include, in particular, bipolar MIS (Metal Insulator Semiconductor) controlled semiconductor components. This includes both transistor-like systems under the name IGBT (Insulated Gate Bipo Transistor) and thyristor-like systems under the name MCT (Controlled-Thyristor).
  • IGBT Insulated Gate Bipo Transistor
  • MCT Controlled-Thyristor
  • Both IGBTs and MCTs have a four-layer structure - with a sta p-doped anode-side emitter zone, an n-type first base zone and a p-type second base zone, which form a field-effect transistor (FET) with a heavily n-doped cathode-side emitter zone .
  • FET field-effect transistor
  • the cathode-side emitter zone and the second base zone h. the cathode-side base zone, short-circuited by a common connection.
  • a conductive channel is formed in the p-base zone on the cathode side, which channel connects the n + emitter zone on the cathode side with the base zone on the anode side, i.e. the first Base zone, connects.
  • the resulting electron current acts as a control current for the anode-side PNP transistor.
  • the resistance of the n-channel which can be controlled by the gate, determines the level of the control current and thus the forward voltage. As with a bipolar transistor, the output characteristics therefore change to a current saturation range after an increase. In the event of an external short circuit in the load circuit, the load current increases only slightly according to the increasing voltage. For switching off, the gate potential is equated to the cathode potential, so that the n-conducting channel of the field effect transistor disappears and the load current is switched off.
  • the forward polarity of the emitter zone on the cathode side is reduced to the ohmic voltage drop in the channel, so that the regenerative activation of the two partial transistors present in the component is interrupted and the component is switched off.
  • the resistance value of the channel acting as a shunt cannot be reduced arbitrarily, the thyristor can only be switched off up to a certain limit value of the load current.
  • the finite resistance of the channel therefore limits the safe working area (SOA) compared to that of an IGBT.
  • a semiconductor component of the type described in the introduction is already known from DE-A-3 147 075.
  • the cathode-side emitter zone is connected to the first base zone by a MOSFET channel under the control electrode contact.
  • An N + zone arranged under an insulating layer, which extends between two control electrodes arranged at a distance from one another, adjoins two second base zones arranged at a distance from one another.
  • the N + zone serves to improve the propagation of the electron current emerging from the MOSFET channel, which as the base current drives a bipolar transistor structure formed at the anode-side emitter zone and the first and second base zones.
  • the invention is based on the object of developing a field effect-controlled semiconductor component of the type described at the outset in such a way that the favorable forward behavior of a MOS-controlled thyristor (MCT) combines with the short-circuit strength of an insulated gate transistor (IGT) with a simultaneously expanded safe working range ( SOA).
  • MCT MOS-controlled thyristor
  • SOA simultaneously expanded safe working range
  • the object is achieved in that the entire semiconductor surface of the cathode-side emitter zone is separated from the first base zone by the second base zone, and that one or more auxiliary emitter zones are or are provided separately from the first base zone in the region of the second base zone below the insulating layer, and that each auxiliary emitter zone has the same conductivity type as the cathode-side emitter zone and, together with the cathode-side emitter zone, the second base zone, the insulating layer and the control electrode, forms a field effect transistor.
  • the auxiliary emitter zone or zones are separated from the first base zone.
  • a four-layer thyristor structure is formed under the auxiliary emitter (s), the cathode current of which is controlled by the MOSFET.
  • the forward resistance when switched on is smaller than in the known arrangement. Therefore, a higher current load per unit area is possible.
  • the blocking capacity of the arrangement according to the invention is increased in the switched-off state, d the blocking pn junction between the base zones is almost non-curved.
  • the component known from DE-A-31 47075 even has a lower blocking capability than a conventional IGBT, since the blocking pn junction is surrounded by two highly doped zones.
  • An expedient embodiment consists in that the entire cathode contact is separated from the second base zone by the cathode-side emitter zone in such a way that the second base zone forms a diode structure with the cathode-side emitter zone and that the region of the second base zone below the cathode-side emitter zone is more heavily doped than the rest Area of the second base zone.
  • the component according to the invention combines the advantageous controllability and the favorable pass-through behavior of a MOS-controlled thyristor (MCT) with the short-circuit strength of transistor-like structures, with an expanded safe working area (SOA).
  • MCT MOS-controlled thyristor
  • SOA expanded safe working area
  • the integrated diode and the integrated auxiliary emitter increase the charge carrier concentration in the base area on the cathode side.
  • the internal resistance of the component is significantly lower than that of the IGBT and comparable to that of an MCT, which leads to correspondingly low transmission losses.
  • FIG. 4 shows a structure with an integrated diode, an integrated auxiliary emitter and a preferred embodiment of the second base zone
  • FIG. 5 shows a diagram in which two current-voltage characteristics of a field-effect transistor-controlled structure with auxiliary emitter are shown in the forward direction.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • a heavily p-doped, anode-side emitter layer 1 shows the structure of a conventional IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) with a heavily p-doped, anode-side emitter layer 1, a first base zone 2, 3, consisting of an n-doped zone 2 and one compared to the n Zone 2 weaker n-doped zone 3, a second base zone 4, 5, consisting of a heavily p-doped zone 4 and a weaker p-doped zone 5 compared to p-zone 4 and a heavily n-doped cathode-side emitter zone 6
  • the IGBT is provided with an anode connection 11, a cathode connection 10 and a gate connection 9.
  • a conductive channel is opened in the base zone 5, which connects the emitter layer 6 to the base layer 3.
  • the opening of the MOS channel allows an electron current flow from the cathode to the anode and causes an injection of positive charge carriers through the p + emitter 1.
  • the injected holes flow via the anode-cathode-side base zone to the integrated diode and there cause polarization of the pn junction.
  • the associated increase in potential of the cathode-side base zone 4, 5 compared to the anode-side base zone 3 increases the concentration of the free charge carriers in this area and results in a forward resistance which is significantly lower than in an IGBT.
  • the auxiliary conductor 7 - a heavily n-doped layer - has no external electrical contact, but instead receives a conductive connection to the cathode connection 10 as soon as the MOS stage is switched on and the MOS channel is formed.
  • the holes injected by the p-emitter 1 in the control case flow via the anode and cathode-side base zones 2, 3, 5 4 to the cathode connection 10. This increase in the hole concentration and the potential connection of the auxiliary emitter 7 to the potential value of the cathode connection 10, caused by the formation of the low-resistance channel, poles the pn junction between the auxiliary emitter 7 and the cathode-side base zone 5 in the direction of flow.
  • a strongly curved pn junction causes the electrical field lines 12 at the pn junction to run inhomogeneously from the n to the p zone.
  • the resulting increase in the field line concentration at the points of strong curvature quickly leads to the critical field strength being exceeded, so that it can lead to shock (avalanche breakdown) and thus destruction of the component.
  • zone 3 shown in FIG. 3 as weakly n-doped in FIG. 4 is replaced by a weakly p-doped base partial zone 3.
  • this case does not choose n- but p-type material as the base or starting material for the silicon disk.
  • the MOS channel becomes high-resistance, so that the potential of the n + auxiliary zone adjusts to the environment, no further electrons can be injected and the Emitter effect is thus canceled.
  • the flux polarity of the diode-pn junction 4, 6 is reduced very quickly.

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Abstract

Zur Vereinigung des günstigen Durchlassverhaltens und des günstigen Ansteuerverhaltens eines MOS Controlled Thyristors (MCT) mit der Kurzschlussfestigkeit eines Insulated Gate Transistors (IGT) bei gleichzeitig erweitertem sicheren Arbeitsbereich (SOA), sind eine oder mehrere Hilfsemitterzonen (7) integriert, die keinen externen elektrischen Kontakt besitzen, sondern leistungslos feldeffektmässig gesteuert werden. Der kathodenkontaktierte Emitter (6) erstreckt sich über den gesamten Kathodenkontakt (10) und bildet zusammen mit der zweiten Basiszone (4, 5) eine Diodenstruktur. Bei Ansteuerung des integrierten MOS-FETs gewährleisten der Hilfsemitter (7) und die integrierte Diode (4, 6) eine verstärkte Überschwemmung des Bauelements mit Ladungsträgern. Die zweite Basiszone kann eine Teilzone (3) aufweisen, die zur Aufnahme der Spannung dient. In diesem Fall ist die erste Basiszone (2) höher dotiert als die Basiszone (3).

Description

Feldeffekt-gesteuertes Halbleiter-Bauelement
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Feldeffekt-gesteuertes Halbleiter-Bauelement mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, die al anodenseitige Emitterzone, als eine daran anschliessende erste und zweit Basiszone und als eine kathodenseitige Emitterzone ausgebildet sind, mit Kathoden- und Anodenkontakt und einem Steuerelektrodenkontakt auf einer Isolierschicht, welche einen Teil der kathodenseitigen Basiszone überde
Unter den Feldeffekt-gesteuerten Leistungs-Halbleiter-Bauelementen sind insbesondere bipolar arbeitende MIS- (Metal Insulator Semiconductor) gesteuerte Halbleiter-Bauelemente zu benennen. Hierunter fallen sowohl transistorartige Systeme unter der Bezeichnung IGBT (Insulated Gate Bipo Transistor) als auch thyristorartige Systeme unter der Bezeichnung MCT ( Controlled-Thyristor) .
Sowohl IGBT's als auch MOS (Metal Oxide Semiconductor) gesteuerte Thyristoren sind z. B. in dem Artikel "Evolution. of MOS Bipolar Semiconductor Technology" von B.J. Baliga, Proc. of IEEE, Vol. 76 Nr. 4, 1988, beschrieben. Im folgenden wird die Funktionsweise der genannten Bauelemente anhand eines FET mit n-leitendem Kanal in einer Basiszone vom Typ beschrieben, woraus die prinzipielle Funktionsweise entsprechender Bauelemente mit p-leitendem Kanal in einer Basis vom n-Typ ebenfalls ersichtlich hervorgeht.
Sowohl IGBT's als auch MCT's besitzen Vierschicht-Struktur- mit einer sta p-dotierten anodenseitigen Emitterzone, einer n-leitenden ersten Basiszon sowie einer p-leitenden zweiten Basiszone, die mit einer stark n-dotierte kathodenseitigen Emitterzone einen Feldeffekt-Transistor (FET) bilden.
Beim IGBT sind die kathodenseitige Emitterzone und die zweite Basiszone, h. die kathodenseitige Basiszone, durch einen gemeinsamen Anschluss kurzgeschlossen. Wird der IGBT in Durchlassrichtung gepolt und der Gate-Anschluss des Feldeffekt-Transistors mit positivem Potential gegenüber Kathode angesteuert, bildet sich in der kathodenseitigen p-Basiszone ein leitfähi Kanal aus, der die kathodenseitige n+-Emitterzone mit der anodenseitigen Basiszone, d. h. der ersten Basiszone, verbindet. Der dadurch hervorgeruf ELektronenstro wirkt als Steuerstrom für den anodenseitigen pnp-Transist Der durch das Gate steuerbare Widerstand des n-Kanals bestimmt die Höhe d Steuerstromes und damit die Durchlassspannung. Die Ausgangskennlinien geh daher, wie bei einem Bipolar-Transistor, nach einem Anstieg in einen Stromsättigungsbereich über. Im Falle eines externen Kurzschlusses im Lastkreis nimmt daher der Laststrom nur geringfügig gemäss der ansteigend Spannung zu. Zum Abschalten wird das Gate-Potential dem Kathoden-Potentia gleichgesetzt, so dass der n-leitende Kanal des Feldeffekt-Transistors verschwindet und der Laststrom abgeschaltet wird.
Beim MCT sind kathodenseitige Emitterzone sowie kathodenseitige also zweit Basiszone im eingeschalteten Zustand nicht kurzgeschlossen, so dass der M sich wie ein Thyristor verhält. Die MCT-Kennlinien steigen deshalb wesentlich steiler an als diejenigen des IGT, d. h. die Durchlassverluste sind wesentlich geringer. Andererseits liegt beim MCT keine Stromsättigun vor, die das Bauelement im Kurzschlussfall vor unbegrenztem Stromanstieg bewahrt. Beim MCT wird im Abschaltfall über eine Gate-Spannung ein leitfähiger Kanal zwischen kathodenseitiger Basiszone und Kathodenänschlu erzeugt. Dadurch wird die Vorwärtspolung der kathodenseitigen Emitterzone bis auf den ohmschen Spannungsabfall in dem Kanal herabgesetzt, so dass di regenerative Aufsteuerung der beiden im Bauelement vorliegenden Teiltransistoren unterbrochen und das Bauelement abgeschaltet wird. Da si der Widerstandswert des als Nebenschluss fungierenden Kanals jedoch nicht beliebig verkleinern lässt, kann der Thyristor nur bis zu einem bestimmte Grenzwert des Laststromes abgeschaltet werden. Der endliche Widerstand de Kanals bewirkt daher eine Einschränkung des sicheren Arbeitsbereichs (SOA) gegenüber dem eines IGBT.
Ein Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Art ist aus der DE-A- 3 147 075 bereits bekannt. Bei diesem Halbleiterbauelement wird die kathodenseitige Emitterzone dur einen MOSFET-Kanal unter dem Steuerelektrodenkontakt mit der ersten Basiszone verbunden. Eine unter einer Isolierschicht angeordnete N+-Zone, die sich zwischen zwei im Abstand voneinander angeordneten Steuerelektrod erstreckt, grenzt an zwei im Abstand voneinander angeordnete zweite Basiszonen an. Die N+-Zone dient zur Verbesserung der Ausbreitung des aus dem MOSFET-Kanal austretenden Elektronenstroms, der als Basisstrom eine a der anodenseitigen Emitterzone und der ersten und zweiten Basiszone gebildete bipolare Transistorstruktur ansteuert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Feldeffekt-gesteuertes Halbleiter-Bauelement der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, dass das günstige Durchlassverhalten eines MOS-Controlled Thyristors (MCT) mit der Kurzschlussfestigkeit eines Insulated Gate Transistor (IGT) verbindet bei gleichzeitig erweitertem sicheren Arbeitsbereich (SOA).
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die gesamte Halbleiteroberfläche der kathodenseitigen Emitterzone durch die zweite Basiszone von der ersten Basiszone getrennt ist, dass eine oder mehrere H lfsemitterzonen im Bereich der zweiten Basiszone unterhalb der Isolierschicht von der ersten Basiszone getrennt vorgesehen ist bzw. sind, und dass jede Hilfsemitterzone den gleichen Leitungstyp wie die kathodenseitige Emitterzone aufweist und zusammen mit der kathodenseitigen Emitterzone, der zweiten Basiszone, der Isolierschicht und der Steuerelektrode einen Feldeffekttransistor bildet.
Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung sind der oder die Hilfsemitterzonen von der ersten Basiszone getrennt. Unter dem oder den Hilfsemittern wird eine Vierschichtthyristorstruktur gebildet, deren Kathodenstrom durch den MOSFET gesteuert wird. Infolge der Vierschichtstruktur ist der Durchlasswiderstand in eingeschaltetem Zustand kleiner als bei der bekannten Anordnung. Deshalb ist eine höhere Strombelastung pro Flächeneinheit möglich. Das Sperrvermögen der erfindungsgemässen Anordnung ist im ausgeschalteten Zustand vergrössert, d der sperrende p-n-übergang zwischen den Basiszonen nahezu ungekrümmt ist. Demgegenüber weist das aus der DE-A-31 47075 bekannte Bauelement sogar ei geringere Sperrfähigkeit als ein üblicher IGBT auf, da der sperrende p-n- übergang von zwei hoch dotierten Zonen umgeben ist. Eine zweckmässige Ausführungsform besteht darin, dass der gesamte Kathodenkontakt von der zweiten Basiszone durch die kathodenseitige Emitterzone derart getrennt ist, dass die zweite Basiszone mit der kathodenseitigen Emitterzone eine Diodenstruktur bildet und dass der Bereich der zweiten Basiszone unterhalb der kathodenseitigen Emitterzone stärker dotiert ist als der restliche Bereich der zweiten Basiszone. Das Bauelement ge äss der Erfindung vereinigt die vorteilhafte Ansteuerbarkeit und das günstige Durchlassverhalten eines MOS-controlled-Thyristors (MCT) mit der Kurzschlussfestigkeit transistorartiger Strukturen, bei gleichzeit erweitertem sicheren Arbeitsbereich (SOA).
Im Durchlassfall erhöht die integrierte Diode und der integrierte Hilfsemitter die Ladungsträgerkonzentration im Basisbereich auf der Kathodenseite. Demzufolge ist der Innenwiderstand des Bauelements wesentli niedriger als beim IGBT und vergleichbar mit dem eines MCT, was zu entsprechend geringen Durchlassverlusten führt.
Gleichzeitig wird jedoch erreicht, dass der Strom im Falle eines externen Kurzschlusses nicht unbegrenzt anwachsen kann, sondern einem IGBT entsprechend einen Sättigungswert erreicht.
Weitere Vorteile betreffen den sicheren Arbeitsbereich (SOA): Im Vergleich zu einem MCT ist ein höherer Strom abschaltbar, da der Hauptstrom direkt durch den Feldeffekt-Transistor fliesst und durch dessen Gate steuerbar ist. Eine zusätzliche Vergrösserung des SOA-Bereiches wird durch den nahezu ebenen sperrenden pn-übergang zwischen der ersten und zweiten Basiszone erzielt, wodurch Feldliniendichtekonzentrationen und dam die Gefahr von Feldstärkeüberhöhungen, wie sie an gekrümmten Flächen auftreten, vermieden werden. Der sichere Arbeitsbereich (SOA) ist somit gegenüber dem sicheren Arbeitsbereich (SOA) eines IGBT erweitert.
Nach einer besonders zweckmässigen Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Basiszone einen an die erste Basiszone angrenzenden Teil auf, der nach Dotierungskonzentration und Dicke zur Aufnahme der Sperrspannung bemessen ist, wobei die erste Basiszone höher dotiert ist als das Teil der zweiten Basiszone. Bei dieser Ausgestaltung ist der sichere Arbeitsbereich (SOA) zusätzlich erweitert, da die negative Ladung der Dotierungsatome in der Raumladungsz der Teilzone die Ladung der von der Anode herkommenden freien Ladungsträg teilweise kompensiert. Dadurch wird eine kritische Überhöhung der
Feldstärke, wie sie bei IGBT's und MCT's beim Abschalten auftritt, reduzi oder sogar gänzlich vermieden.
Besonders vorteilhaft erweist sich die Herstellung des erfindungsgemässen Bauelements, da die erforderlichen Schichten mit Hilfe einer entsprechend Maske auf einfache Weise und mit üblichen Methoden integriert werden könn
Es ist gemäss der Erfindung also ein Bauelement realisiert, das auf einfa und wirtschaftliche Weise herzustellen ist und das die jeweilig günstig Eigenschaften eines MCT mit denen eines IGT vereinigt und die jeweils negativen Eigenschaften weitgehend ausschliesst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine herkömmliche IGBT-Struktur (Insulated Gate Bipolar Transistor)
Fig. 2 eine Struktur mit integrierter Diode;
Fig. 3 eine Struktur mit integriertem Hilfsemitter;
Fig. 4 eine Struktur mit integrierter Diode, integriertem Hilfsemitter und bevorzugter Ausgestaltung der zweiten Basiszone;
Fig. 5 ein Diagramm, in dem zwei Stromspannungskennlinien einer Feld¬ effekttransistor-gesteuerten Struktur mit Hilfsemitter in Durch- Lassrichtung dargestellt sind.
In Fig. 1 ist die Struktur eines üblichen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) dargestellt, mit einer stark p-dotierten, anodenseitigen Emitterschicht 1, einer ersten Basiszone 2, 3, bestehend aus einer n- dotierten Zone 2 und einer im Vergleich zur n-Zone 2 schwächer n-dotierten Zone 3, einer zweiten Basiszone 4, 5, bestehend aus einer stark p-dotierte Zone 4 und einer im Vergleich zur p-Zone 4 schwächer p-dotierten Zone 5 un einer stark n-dotierten kathodenseitigen Emitterzone 6. Der IGBT ist mit einem Anodenanschluss 11, einem Kathodenanschluss 10 und einem Gate- Anschluss 9 versehen. Das Gate ist durch eine Isolatorschicht 8 von dem Bauelement isoliert, s dass die Zonen 3, 5, 6, 8 und 9 einen Feldeffekt-Transistor (MIS-FET) bilden. Der Kathodenanschluss 10 bildet einen ohmschen Kontakt sowohl mit der Emitterzone 6, als auch mit der hoch-dotierten Basiszone 4.
In Fig. 2 ist ein FET-gesteuertes Bauelement mit einer integrierten Diode dargestellt, das Vorteile bei der Erfindung hat, wie unten noch näher erläutert ist. Die Struktur stimmt bezüglich der Schichten 1, 2, 3, 4, 5 10 mit Fig. 1 überein. Die stark n-dotierte kathodenseitige Emitterschich ist über die gesamte Fläche des Kathodenanschlusses ausgeführt, so dass d pn-übergang zwischen kathodenseitiger Emitterzone und erster Basiszone im Gegensatz zum IGBT keinen ohmschen Nebenweg zu dem Kathodenanschluss 10 h
Ist das Bauelement in Durchlassrichtung gepolt und wird das Gate positiv gegen die Kathode angesteuert, so wird in der Basiszone 5 ein leitfähiger Kanal geöffnet, der die Emitterschicht 6 mit der Basisschicht 3 verbindet Die Öffnung des MOS-Kanals erlaubt einen ElektronenstromfLuss von der Kathode zur Anode und bewirkt eine Injektion von positiven Ladungsträgern durch den p+-Emitter 1. Die injizierten Löcher fliessen über die anöden- kathodenseitige Basiszone zur integrierten Diode und verursachen dort ein Durchlasspolung des pn-übergangs. Durch die damit verbundene Potentialanhebung der kathodenseitigen Basiszone 4, 5 gegenüber der anodenseitigen Basiszone 3 erhöht sich die Konzentration der freien Ladungsträger in diesem Bereich und es ergibt sich ein Durchlasswiderstan der deutlich geringer ist als bei einem IGBT.
In Fig. 3 ist ein FET-gesteuertes Bauelement mit integriertem Hilfsemitte gemäss der Erfindung dargestellt.
Der H lfse itter 7 - eine stark n-dotierte Schicht - verfügt über keinen externen elektrischen Kontakt, sondern erhält leitende Verbindung zum Kathodenanschluss 10, sobald die MOS-Stufe eingeschaltet wird und der MOS Kanal sich bildet. Die im Ansteuerungsfall vom p-Emitter 1 injizierten Löcher fliessen über die anöden- und kathodenseitigen Basiszonen 2, 3, 5 4 zum Kathodenanschluss 10. Durch diese Erhöhung der Löcherkonzentration sowie durch die Potentialanbindung des Hilfsemitters 7 an den Potentialwert des Kathodenanschlusses 10, hervorgerufen durch die Ausbildung des niederohmigen Kanals, wird der pn-übergang zwischen Hilfsemitter 7 und kathodenseitiger Basiszone 5 in Flussrichtung gepolt. Dadurch wird eine Verringerung des Innenwiderstandes gegenüber dem eines IGBT erzielt. Aufgrund des durch die Höhe der angelegten Gate-Spannung steuerbaren Kanalwiderstandes lässt sich die Menge der vom HiLfsemitter 7 injizierten Elektronen so einstellen, dass oberhalb eines bestimmten Laststromwertes Ladungsträgerüberschwemmung nicht mehr zum Führen des Stroms ausreicht un das Bauelement Spannung aufzunehmen beginnt. Dieser Stromsättigungseffekt führt zu einem Kurzschlussverhalten, das dem eines IGBT entspricht. Zum Abschalten wird der Gate-Anschluss auf Kathodenpotential gebracht und der Elektronenzufluss von der Kathode her unterbunden. Damit wird die Ladungsträgerinjektion des Hilfsemitters sofort beendet, so dass es auch höheren Stromdichten nicht zu einer lokalen Aufrechterhaltung der Thyristorfunktion - wie im Falle des MCT's - kommen kann. Das bedeutet, da die Abschaltfähigkeit des Bauelements in jedem Falle sicher gewährleistet ist.
Durch die unterhalb der Isolationsschicht 8 ganzflächige Ausführung der kathodenseitigen Basiszone 5 wird unter Sperrbelastung eine höhere Durchbruchspannung und damit ein grösserer sicherer Arbeitsbereich (SOA) erreicht, als bei einem gekrümmten Verlauf des pn-übergangs (z. B. IGBT).
Ein stark gekrümmter pn-übergang, wie in Fig. 1 dargestellt, bewirkt, dass die elektrischen Feldlinien 12 am pn-übergang inhomogen von der n- zur p- Zone verlaufen. Die dadurch erzeugte Erhöhung der Feldlinienkonzentration den Stellen starker Krümmung führt schnell zu einer Überschreitung der kritischen Feldstärke, so dass es zu Stossionisation (Lawinendurchbruch) und damit zur Zerstörung des Bauelements kommen kann.
Eine weitere Vergrösserung des sicheren Arbeitsbereichs (SOA) gegenüber de in Fig. 3 beschriebenen Struktur ergibt sich durch Ersetzung der schwach n dotierten Teilzone 3 der ersten Basiszone 2, 3 durch eine schwach p-dotier Zone 3, die nun zusammen mit den Zonen 4 und 5 die zweite Basiszone 3, 4, bildet, wie in Fig. 4 dargestellt. In diesem Fall liegt der blockierende p übergang in der Sperrphase zwischen den Zonen 2 und 3. Er weist gegenüber der in Fig. 3 dargestellten Struktur noch weniger Krümmungen und damit eine noch höhere Durchbruchsspannung auf. Darüber hinaus wird die Ausbildung einer dynamischen Feldstärkeüberhöhung beim Abschaltvorgang verhindert, indem die durch die von der Anodenemitterschi 1 injizierten Löcher verursachte lokale Raumladungserhöhung durch die negative Ladung der ionisierten Akzeptoren der Zone 3 teilweise kompensie wird.
In Fig. 4 sind sämtliche Merkmale gemäss der Erfindung in einer Struktur zusammenfassend dargestellt. Abgesehen von der integrierten Diode 4, 5, 6 und dem ohne Kathodenkontaktierung integrierten Hilfsemitter 7 ist die in Fig. 3 als schwach n-dotiert dargestellte Zone 3 in Fig. 4 durch eine schwach p-dotierte Basisteilzone 3 ersetzt. Im Herstellungsverfahren wird diesem Fall als Grund- oder Ausgangsmaterial der S liciumscheibe nicht n- sondern p-leitendes Material gewählt.
Das Zusammenwirken von integrierter Diode 4, 5, 6 und Hilfsemitter 7 bewi die sehr schnelle und starke Überschwemmung des Bauelements mit freien Ladungsträgern und führt im Ansteuerungsfall zu einer drastischen Verringerung des Innenwiderstands.
Beim Abschalten des Bauelements, in dem das Gate mit der Kathode verbunde wird und so eine Potentialanbindung stattfindet, wird der MOS-Kanal hochohmig, so dass sich das Potential der n+-HiIfse itterzone der Umgebun anpasst, keine weiteren Elektronen injiziert werden können und die Emitterwirkung somit aufgehoben ist. Gleichzeitig wird die Flusspolung de Dioden-pn-übergangs 4, 6 sehr schnell abgebaut.
Die als schwach p-dotiert ausgelegte Teilbasiszone 3 und der daraus plana verlaufende pn-übergang zwischen den Zonen 2 und 3 gewährleistet eine besonders hohe Durchbruchsspannung.
Fig. 5 veranschaulicht die Kennliniencharakteristik des MOS-gesteuerten Bauelements gemäss der Erfindung. Demnach verlaufen die Stromspannungskennlinien 13, 14 zunächst analog denen eines MCT, die je nach angelegter Gate-Spannung einen sehr starken Anstieg 15, 16 aufweisen um dann in einen Sättigungsbereich 17, 18 überzugehen, wie es typischerwe einer Transistorstruktur entspricht. Die extrem steilen Kennlinienteile 1 16 veranschaulichen den niedrigen Innenwiderstand, die Sättigungsbereiche 17, 18 weisen auf die wirksame Strombegrenzung hin.

Claims

Feldeffekt-gesteuertes HalbleiterbauelementPatentansprüche
1. Feldeffekt-gesteuertes Halbleiterbauelement mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, die als anodenseitige Emitterzone, als eine daran anschliessende erste und zweite Basiszone und als eine kathodenseitige Emitterzone ausgebildet sind, mit Kathoden- und Anodenkontakt und einem Steuerelektrodenkontakt auf ein Isolierschicht, welche einen Teil der kathodenseitigen Basiszone überdeckt, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Halbleiteroberflache der kathodenseitigen Emitterzon durch die zweite Basiszone (4, 5) von der ersten Basiszone (2) getren ist, dass eine oder mehrere Hilfsemitterzonen (7) in der zweiten Basiszone (4, 5) unterhalb der Isolierschicht (8) von der ersten Basiszone getrennt vorgesehen ist bzw. sind und dass jede Hilfsemitterzone (7) den gleichen Leitungstyp wie die kathodenseitige Emitterzone (6) aufweist und zusammen mit der kathodenseitigen Emitterzone (6), der zweiten Basiszone (5), der Isolierschicht (8) un der Steuerelektrode (9) einen Feldeffekttransistor bildet.
2. Feldeffekt-gesteuertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Kathodenkontakt (10) von der zweiten Basiszone (3, 4) durch die kathodenseitige Emitterzone (6) derart getrennt ist, dass di zweite Basiszone (4, 5) mit der kathodenseitigen Emitterzone (6) eine Diodenstruktur bildet und dass der Bereich (4) der zweiten Basiszone (4, 5) unterhalb der kathodenseitigen Emitterzone (6) stärker dotiert ist als der restliche Bereich (5) der zweiten Basiszone (4, 5). 3. Feldeffekt-gesteuertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Basiszone (2,
3) in zwei parallel zu der anodenseiti Emitterzone (1) verlaufende Teilzonen (2 und 3) unterteilt ist, die derart angeordnet sind, dass die der anodenseitigen Emitterzone (1) abgewandte Teilzone (3) schwächer dotiert ist als die Teilzone (2) an der anodenseitigen Emitterzone (1) angrenzt.
4. Feldeffekt-gesteuertes Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Basiszone (3, 4, 5) einen an die erste Basiszone (2) angrenzenden Teil (3) aufweist, der nach Dotierungskonzentration un Dicke zur Aufnahme der Sperrspannung bemessen ist, und dass die ers Basiszone (2) höher dotiert ist als das Teil (3) der zweiten Basisz
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