WO1995021460A1 - Mos-gesteuerter thyristor - Google Patents

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WO1995021460A1
WO1995021460A1 PCT/EP1995/000301 EP9500301W WO9521460A1 WO 1995021460 A1 WO1995021460 A1 WO 1995021460A1 EP 9500301 W EP9500301 W EP 9500301W WO 9521460 A1 WO9521460 A1 WO 9521460A1
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mosfet
cathode
gate
emitter zone
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PCT/EP1995/000301
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Inventor
Heinrich Schlangenotto
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Daimler-Benz Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/744—Gate-turn-off devices
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    • H01L29/70—Bipolar devices
    • H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/749—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action with turn-on by field effect

Definitions

  • the invention relates to a power semiconductor component which can be switched by MOS gate and has a semiconductor body which has a plurality of juxtaposed, parallel-connected, thyristor-forming unit cells which comprise a p-emitter zone adjoining the anode and a weakly doped adjoining one n base zone, a subsequent p base zone and an adjoining n emitter zone, in which p + zones are embedded in pairs, which together with the n region lying between them and an isolated one arranged above them Gate form a lateral first p-channel MOSFET, on the one hand the drain region lying at the edge of the emitter zone is connected to the outer cathode, which has no contact with the n-emitter zone, and on the other hand the inner source region with a floating one Contact is provided, which simultaneously contacts the n-emitter zone, and from which with the outer A cathode contacted p + zone, the surface area of the p-base zone and the intermediate area of the n-emitter zone together with
  • Such a power semiconductor component is from the
  • a p-channel MOSFET is integrated into the n-emitter zone of the thyristor, which is formed from two embedded p + zones as the source and drain region and the MOS gate arranged above the n-type intermediate region.
  • the drain p + zone located on the edge of the n-emitter zone is connected to the cathode as a contact electrode, the source p + zone and the adjacent part of the n-emitter zone are provided with a floating metal contact which ohmic with the MOSFET and the thyristor connects so that they are in series.
  • a second p-channel MOSFET M2 will formed by the p-base of the thyristor led to the surface, the p + region in contact with the cathode at the edge of the n-emitter zone and the part of the n-emitter zone in between with the insulated gate G2 arranged above it.
  • the MOSFET Ml lying in series with the thyristor is switched off and at the same time the MOSFET M2 is switched on, as a result of which a secondary path from the p-base of the thyristor to the cathode is generated.
  • the gates of the two MOSFETs have to be controlled with different gate signals.
  • SOA safe working area
  • the shutdown via two gates with different but coordinated control signals means a great practical disadvantage compared to other components such as the IGBT.
  • Another disadvantage is that the component has no characteristic with current saturation, i. H. the current does not tend towards a saturation value with increasing voltage. In the event of a short circuit in the load, the current is therefore not limited by the component itself, so that fuses must be connected in order to prevent destruction in the event of a short circuit. This also applies if one of the gate connections and the cathode connection are connected to one another on the outside. Due to the internal resistance of the gate-cathode circuit, conditioned u. a. due to the polysilicon gate, the gate does not remain at cathode potential during a rapid current and voltage rise. In other words, the component is not short-circuit proof.
  • a 'third externally controlled MOSFET is integrated in order to ignite the thyristor.
  • This MOSFET which is designed as an n-channel MOSFET of the enhancement type (self-locking or "normally-off") is formed, connects the n-emitter zone to the n-base of the thyristor in the switched-on state.
  • the first and the third MOSFET are switched on and the second MOSFET is switched off.
  • the gate that is added for switching on further increases the effort required for the driver electronics.
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • MOSFETs field effect-controlled semiconductor power components
  • the IGBT has better pass-through behavior at reverse voltages above 300 V than a MOSFET.
  • MOS-controlled thyristors such as the component according to DE 41 26 491 AI
  • the pass behavior of the IGBT is worse above about 600 V blocking capacity, since its pass and blocking properties are determined by a bipolar transistor - not by a thyristor become.
  • the switchable current per chip area is therefore lower than in the component according to DE 41 26 491.
  • An advantage of the IGBT is that, like the power MOSFET, it can be switched on and off by a gate and a characteristic curve with current saturation.
  • MCTs MOS-controlled thyristors
  • MOSFETs MOSFET integrated into the n-emitter zone
  • the shutdown behavior of this component is, however, impaired by current filamentation.
  • the forward characteristic of the MCT is the same as that of a conventional thyristor, ie it has no current saturation.
  • the MCT is therefore not "short-circuit proof", which is considered a considerable disadvantage compared to the IGBT. But especially Because of the current filament, MCTs could not prevail in practice.
  • Another MOS-controlled thyristor which is referred to as an "emitter-switched thyristor" or EST, has been described in articles by Baliga and co-workers, see IEEE Trans. Electron Devices 38 (1991), p. 1619 p-base of the Thyristor ⁇ integrated a MOSFET, which is in series with the thyristor structure. The EST switches off by switching off the MOSFET.
  • a disadvantage of this component is that it contains a para-tertiary thyristor contacted with the cathode. In order to prevent this thyristor from being switched on, the p-base is contacted together with the n-emitter by the cathode metallization, i. H.
  • the individual element must have a relatively large lateral dimension, so that the MOS channel width that can be reached per semiconductor area and thus the switchable current per area are also greatly reduced here.
  • the characteristic curve shows a current limitation by the upstream MOSFET. This is only slightly pronounced because the MOSFET already runs into the breakdown under the usual operating conditions before the transition between the p- and n-bases, which enables a higher voltage, begins to block substantially.
  • the invention is based on the object of further developing a MOS-controlled power semiconductor component of the type described at the outset in such a way that it can be switched off by a single gate and has a characteristic curve with current saturation.
  • the power semiconductor component should also be further developed in such a way that it can also be switched on through this gate.
  • the object is achieved according to the invention in that the breakdown voltage of the first lateral p-channel MOSFET between the outer cathode and the floating contact exceeds the absolute value of the threshold voltage of the second MOSFET by more than two volts and that the gate electrode of the second MOSFET is formed or covered by the cathode metallization.
  • This power semiconductor component is switched off by a gate voltage which is positive with respect to the cathode or zero or positive with respect to the floating contact. It only requires a simple control circuit, as is also used in MOSFETs and IGBTs. This is an important advantage for practical use.
  • the power semiconductor component is suitable for a wide reverse voltage range, can switch a high current per area with a small forward voltage and has a characteristic with current saturation.
  • a power semiconductor component in which in a part of the unit cells a surface area of the n-base zone, the n-emitter zone and the intermediate surface area of the p-base zone together with an insulated gate form an n-channel MOSFET, is designed according to the invention in such a way that the n -Channel MOSFET of the depletion type means that the absolute amount of the threshold voltage of the depletion-type MOSFET is at least two volts less than the breakdown voltage of the first p-channel MOSFET and that the gate electrode of the depletion-type MOSFET is also covered or covered by the cathode metallization becomes.
  • This power semiconductor component is switched on by a negative voltage at the gate of the first MOSFET, so that a single external gate can be used to switch both on and off.
  • a negative gate voltage is applied and for switching off the gate is placed at the potential of the floating cathode or is set positive with respect to the cathode.
  • the switchable current per chip area is significantly larger with a lower forward voltage.
  • the component is suitable for high blocking voltages.
  • FIG. 1 shows a unit cell of a power semiconductor component in a form designed for switching off
  • FIG. 2 shows the power semiconductor component according to FIG. 1 with
  • FIG. 3 a power semiconductor component with a normal and a unit cell designed both for switching off and for ignition.
  • a semiconductor body of a power semiconductor component has a pnpn thyristor structure, consisting of a p-emitter zone 1 adjoining the anode A, a weakly doped n-base zone 2 adjoining it the following p-base zone 3, also called p-base region, and an n-emitter zone 4 embedded therein, which is preferably strip-shaped in the direction perpendicular to the image plane.
  • the n-emitter zone is preferably subdivided into a highly doped central region 4a and into weakly doped side regions 4b.
  • the n-emitter zone is provided with a floating cathode metallization K 'in the middle, higher doped region 4a. see the ohmic contact and the inwardly lying p + strips 5a of each p + -Zonencovere ⁇ .
  • the p + strips 5b located at the edge of the n-emitter zone 4 are contacted with a metal layer K which serves as the outer cathode of the component and has no contact with the n-emitter zone 4.
  • the cathode is provided with a cathode connection KA.
  • the MOSFET (Ml) is in series with the thyristor structure below the floating cathode K '. In the forward or switching direction, the anode A has a positive polarity with respect to the outer cathode K.
  • FIG. 1 shows a second MOSFET region M2 between p-base 3 and the p + zone 5b contacted with the cathode.
  • the isolated gate of this MOSFET M2 is formed or covered by the cathode metallization by a dielectric, shown in FIG. 1 as SiO 2 .
  • a forward current can only flow if the potential of the gate G is negative with respect to the floating cathode K ', which represents the source electrode of the MOSFET (Ml), and a p-type inversion channel between the zone 5a of the MOSFET forming the source region (Ml) and the zone 5b forming the drain region.
  • the hole current flowing from the floating cathode K 1 to the cathode K is continued in the other direction in an electron current of the same size from K 'into the thyristor structure.
  • the gate voltage taken in absolute terms, is set to a value below the threshold voltage VT, e.g. B.
  • the component according to the invention contains the MOSFET M2, the gate of which
  • Cathode metalization is formed.
  • the structure in FIG. 2 is provided with values for the potential at a time when the device is switched off at which the anode already has a voltage of 100 V with respect to the cathode.
  • the values given apply to the external potential without the voltages impressed by the pn junctions, the potential of the cathode K being set to zero. Since the gate G is switched to the potential of the source K 'for switching off and the source region 5a and drain region 5b are no longer connected by a p-channel, a voltage builds up between K' and K, which is 8 V in the example.
  • the pn junction J between the drain region 5b and the n-emitter zone 4b is polarized in the reverse direction about this voltage. It is now the threshold voltage of the MOSFET M2 smaller, z. B. 4 V, ⁇ o forms a p-channel over the n-zone between the p + region 5b and p-base, because the gate of M2 is negatively polarized with respect to the semiconductor. Since no more electron current flows from the floating cathode K 'into the thyristor structure underneath, the p-base 3 is also at the same potential in the central region as the n-
  • Emitter zone 4 In the lateral areas it is approximately lower, e.g. B. 7 V, since holes flow there to break down the charge carriers in the p-base 3 and the n-base zone 2 and to build up the space charge zone (RLZ) and through the channel to the cathode K.
  • the prerequisite for the described mode of operation is the
  • Breakdown voltage VB ⁇ (MI) of the externally controllable MOSFET Ml which is determined by the pn junction J, is set greater than the threshold voltage V ⁇ (M2) of the MOSFET M2.
  • the breakdown voltage VB ⁇ (MI) of the MOSFET M1 should exceed the threshold voltage V ⁇ (M2) of M2 by at least 2 V.
  • a difference of 10 V is expediently chosen.
  • the threshold voltage V ⁇ (M2) of M2 is chosen to be small, preferably in the range 1 V to 5 V, so that the MOSFET M2 switches on quickly when Ml is switched off.
  • the threshold voltage V ⁇ (M2) must not be less than 1 V, since there is already a side path between the p-base and the cathode when the component is ON.
  • the MOSFET M2 therefore advantageously forms the gate directly lying on the oxide, that in the embodiment according to FIG. 1 it is still covered by the cathode metallization.
  • the characteristic curve of the component in the on state that is to say with a negative voltage of the gate with respect to the floating cathode K ', changes with increasing voltage into a range of almost constant current, which, in contrast to that of the MOSFET M 1, extends to very high voltages. Similar to that shown in FIG. 2 for switching off, a p-channel is formed in the internal MOSFET M2 as soon as the voltage at the MOSFET M1 exceeds the threshold voltage of the MOSFET M2.
  • the effective current amplification factor ⁇ n pn, eff de ⁇ npn partial transistor (4a, 3.2) drops sharply due to the bypass with a further increase in the current, so that the thyristor goes out of saturation and the average pn junction J 2 voltage takes up.
  • the characteristic curve is then determined by the pnp transistor (consisting of p-emitter zone 1, n-base zone 2 and p-base 3). determined, which is controlled with a constant base current from the MOSFET Ml and whose collector current in the active region does not increase significantly with the voltage.
  • the component according to FIGS. 1 and 2 can be seen as an integration of an ⁇ o-called Ka ⁇ koden ⁇ caria which rapid shutdown z.
  • B. a Hochlei ⁇ tung ⁇ -GTO ⁇ with low control power by turning off a low-voltage MOSFET in series and the voltage building up on it turns off the GTO as a gate voltage.
  • the discrete cascode circuit is not used frequently since it is generally inexpensive because of the components required in addition to the GTO and takes up a lot of space.
  • the monolithic integration according to the invention is considerably less expensive. Low susceptibility to faults and absence of leakage inductances are further advantages.
  • Emitter base transition Ji to improve the dynamic properties is included.
  • the structure must therefore still be provided with a mechanism for igniting the thyristor.
  • the unit cell with. Ignition device ignition unit cell
  • the cathode metallization also extends over the gate and the floating cathode, which are insulated by an intermediate layer, which generally consists of silicon dioxide.
  • the ignition unit cell is characterized in that the n bases 2 are led to the surface at its edge and the p bases 3 ends on the surface, as shown in FIG. 3.
  • an n-channel 6 detects the surface area of the p-base, which connects the n-emitter zone 4 with the n-base 2 and together with an insulated gate forms an n-channel MOSFET M3 of the depletion type.
  • the gate is at the cathode potential and, in the embodiment shown, is simultaneously represented by the cathode metallization, which also covers the gate oxide. If a negative voltage at the outer gate G creates a p-channel between the areas 5a and 5b, which connects the cathode K to the thyristor structure via the floating cathode K ', ⁇ o flows via the n-channel 6 of the internal one
  • MOSFET ⁇ M3 an electron current in the n-base zone and ignites the thyristor of the ignition unit cell.
  • the switched-on state then spreads to the next unit cells in a known manner by means of lateral currents in the p- and n-base, so that only a small percentage of the cells have to have an ignition structure.
  • the blocking capacity and switch-off behavior are not impaired by the ignition unit cell. If the p-channel of the external MOSFET M1 disappears by short-circuiting the gate G with K ', the potential of the p-base increases to positive values with respect to the cathode K, as described in the explanation of the shutdown with reference to FIG. 2 . As soon as the Potential difference with respect to K exceeds the threshold voltage V ⁇ (M3) of the MOSFET M3, the n-channel of the MOSFET M3 disappears, since its gate K is negatively polarized with respect to the semiconductor. The connection between n base 2 and n emitter zone 4 is thus interrupted, and the pn junction J 2 between the n and p bases becomes fully lockable. So that the threshold voltage V ⁇ (M3) - taken absolutely - can be exceeded, it must be, as with the MOSFET M2, smaller than the breakdown voltage VB ⁇ (MI) of the MOSFET Ml.
  • the condition of a small threshold voltage and a significantly higher breakdown voltage of the MOSFETs can be realized in different ways by the doping of the region 4b of the n-emitter zone 4 and by the doping gradient at the pn junction J.
  • the doping of zone 4b In order to suppress the influence of the para-secondary transistors formed from zones 5b, 4b and 3 and to avoid punch-through, the doping of zone 4b on the other hand must not be too low.
  • the range 5 * 10 13 / cm 2 to 5 * 10 14 / cm 2 has proven to be expedient for the integral doping.
  • the externally controllable field effect transistor M1 was a MOSFET of the enhancement type, in which the channel is generated by inverting the substrate, the n-emitter zone 4.
  • the MOSFET Ml can also be one of the depletion type in which the p-channel between the regions 5a and 5b is present as a result of p-doping, that is to say without a gate voltage, and can be made to disappear by positive gate voltage .
  • the other configurations of the invention remain unchanged. Without voltage at the gate, this component is in the switched-on state; positive voltage between G and K 'means that it is switched off.
  • the inverted structure has the advantage that the MOSFET M1 in series with the thyristor and also the MOSFET M2 are now n-channel MOSFETs which have a lower channel resistance than p-channel MOSFETs.
  • the switching properties of the thyristor are now deteriorated in that it is switched off from the anode side, which requires a thicker, weakly doped base with a comparable safe working range.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein durch MOS-Gate schaltbares Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, parallel geschalteter Einheitszellen aufweist, die aus einer an die Anode angrenzenden p-Emitterzone, einer sich daran anschließenden schwach dotierten n-Basiszone, einer darauf folgenden p-Basiszone und einer sich daran anschließenden n-Emitterzone bestehen. In die n-Emitterzone der Einheitszellen sind paarweise p+-Zonen (5a, 5b) eingebettet, die zusammen mit dem zwischen ihnen liegenden n-Gebiet und einem darüber angeordneten isolierten Gate einen lateralen p-Kanal-MOSFET (M1) bilden. Die n-Emitterzone (4) ist mit einem floatenden Kathodenkontakt (K') versehen, der gleichzeitig die Elektrode des als Source dienenden p+-Gebietes bildet. Das als Drain dienende p+-Gebiet ist mit der äußeren Kathode (K) verbunden, die keinen Kontakt mit der n-Emitterzone hat. Ein weiterer MOSFET wird vom Oberflächenbereich der p-Basiszone (3) und den dazwischenliegenden Bereich der n-Emitterzone (4b) zusammen mit einem isolierenden Gate gebildet. Die Gateelektrode des zweiten MOSFETs wird von der Kathodenmetallisierung mitgebildet. Die Durchbruchspannung der MOSFET stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander.

Description

MOS-gesteuerter Thyristor
Die Erfindung bezieht sich auf ein durch MOS-Gate schaltbares Leistungshalbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, parallel geschalte- ter, eine Thyristorstruktur bildende Einheitszellen aufweist, die aus einer an die Anode angrenzenden p-Emitterzone, einer sich daran anschließenden schwach dotierten n-Basiszone, einer darauf folgenden p-Basiszone und einer sich daran anschließen¬ den n-Emitterzone bestehen, in die paarweise p+-Zonen eingebet- tet sind, die zusammen mit dem zwischen ihnen liegenden n-Ge- biet und einem darüber angeordneten isolierten Gate einen late¬ ralen ersten p-Kanal-MOSFET bilden, wobei einerseits das am Rande der Emitterzone liegende Draingebiet mit der äußeren Ka¬ thode verbunden ist, die keinen Kontakt mit der n-Emitterzone hat, und andererseits das innen liegende Sourcegebiet mit einem floatenden Kontakt versehen ist, der gleichzeitig die n-Emit¬ terzone kontaktiert, und wobei aus der mit der äußeren Kathode kontaktierten p+-Zone, dem Oberflächenbereich der p-Basiszone und dem dazwischen liegenden Bereich der n-Emitterzone zusammen mit einem isolierten Gate ein zweiter p-Kanal-MOSFET gebildet wird.
Ein derartiges Leistungshalbleiterbauelement ist aus der
DE 41 26 491 bekannt. Bei diesem Leistungshalbleiterbauelement ist in die n-Emitterzone des Thyristors ein p-Kanal-MOSFET in¬ tegriert, der aus zwei eingebetteten p+-Zonen als Source- und Draingebiet sowie dem über dem n-leitenden Zwischengebiet ange¬ ordneten MOS-Gate gebildet wird. Die am Rande der n-Emitterzone gelegene Drain-p+-Zone ist mit der Kathode als Kontaktelektrode verbunden, die Source-p+-Zone und der benachbarte Teil der n- Emitterzone sind mit einem floatenden Metallkontakt versehen, der den MOSFET und den Thyristor ohmsch miteinander verbindet, so daß sie in Serie liegen. Ein zweiter p-Kanal-MOSFET M2 wird durch die an die Oberfläche geführte p-Basis des Thyristors, dem mit der Kathode kontaktierten p+-Gebiet am Rande der n- Emitterzone sowie dem dazwischen liegenden Teil der n-Emitter¬ zone mit dem darüber angeordneten isolierten Gate G2 gebildet.
Zum Abschalten des Bauelements wird der in Serie mit dem Thyri¬ stor liegende MOSFET Ml abgeschaltet und gleichzeitig der MOS¬ FET M2 eingeschaltet, wodurch ein Nebenweg von der p-Basis des Thyristors zur Kathode erzeugt wird. Dazu müssen die Gates der beiden MOSFETs mit verschiedenen Gatesignalen angesteuert wer¬ den. Um ein gutes Abschaltverhalten und einen großen sicheren Arbeitsbereich (SOA) beim Abschalten zu erreichen, müssen die beiden Gatesignale zeitlich und in ihrer absoluten Größe sehr genau aufeinander abgestimmt sein. Durch Störungen in der Kor- relation der Gatesignale wird der sichere Arbeitsbereich redu¬ ziert, und es kommt leicht zur Zerstörung des Bauelements. Da auch eine erheblich aufwendigere Treiberelektronik erforderlich ist, bedeutet die Abschaltung über zwei Gates mit verschiedenen aber aufeinander abzustimmenden Steuersignalen einen großen praktischen Nachteil gegenüber anderen Bauelementen wie zum Beispiel dem IGBT. Ein Nachteil besteht auch darin, daß das Bauelement keine Kennlinie mit Stromsättigung hat, d. h. der Strom strebt mit zunehmender Spannung nicht gegen einen Sätti¬ gungswert. Der Strom wird also im Falle eines Kurzschlusses der Last nicht durch das Bauelement selbst begrenzt, so daß, um ei¬ ner Zerstörung im Kurzschlußfall vorzubeugen, Sicherungen vor¬ geschaltet werden müssen. Dies gilt auch dann, wenn man einen der Gateanschlüsse und den Kathodenanschluß außen miteinander verbindet. Infolge des inneren Widerstandes des Gate-Kathoden- kreises, bedingt u. a. durch das Polysiliziu gate, bleibt das Gate bei einem schnellen Strom- und Spannungsanstieg nicht auf Kathodenpotential. Das Bauelement ist mit anderen Worten nicht kurzschlußfest.
Zum Einschalten des aus DE 41 26 491 AI bekannten Bauelements ist ein' dritter von außen angesteuerter MOSFET integriert, um den Thyristor zu zünden. Dieser MOSFET der als n-Kanal-MOSFET vom Anreicherungstyp (selbstsperrend oder "normally-off") aus- gebildet ist, verbindet im eingeschalteten Zustand die n-Emit¬ terzone mit der n-Baεis des Thyristors. Zum Einschalten des Bauelements werden der erste und der dritte MOSFET eingeschaltet und der zweite MOSFET abgeschaltet. Das für das Einschalten hinzukommende Gate erhöht den erforderlichen Aufwand für die Treiberelektronik weiter.
Feldeffekt-gesteuerte Halbleiterleistungsbauelemente, im fol¬ genden auch Bauelemente genannt, werden in Form des Leistungε- MOSFETs und des Insulated-Gate-Bipolartransistorε (IGBT) be¬ reits in großem Umfang praktisch eingesetzt. Die Durchlaßspannung von MOSFETs nimmt mit steigender Sperrspannung, für die sie dimensioniert sind, wegen der fehlenden Leitfähigkeitsmodulation stark zu, so daß MOSFETs nur bis ungefähr 500 V verwendet werden. Der IGBT weist als bipolares Bauelement bei Sperrspannungen oberhalb 300 V ein besseres Durchlaßverhalten auf als ein MOSFET. Verglichen mit MOS-gesteuerten Thyristoren, wie dem Bauelement gemäß der DE 41 26 491 AI, ist das Durchlaßverhalten des IGBT aber oberhalb etwa 600 V Sperrvermögen schlechter, da seine Durch¬ laß- und Sperreigenschaften durch einen bipolaren Transistor - nicht durch einen Thyristor - bestimmt werden. Der schaltbare Strom pro Chip-Fläche ist daher geringer als bei dem Bauelement gemäß der DE 41 26 491. Ein Vorteil des IGBT ist aber, daß er ebenso wie der Leistungs-MOSFET durch ein Gate sowohl ein- als auch abgeschaltet werden kann und eine Kennlinie mit Stromsättigung aufweist.
Bekannt sind auch spezielle MOS-gesteuerte Thyristoren (MCTs), die einen in die n-Emitterzone integrierten MOSFET enthalten, der beim Einschalten einen Nebenweg von der p-Basis zur Kathode öffnet und das Bauelement hierdurch abschaltet. Das Abschalt¬ verhalten dieses Bauelements ist aber durch Stromfilamentierung beeinträchtigt. Die Durchlaßkennlinie des MCT gleicht der eines üblichen Thyristors, d. h. sie weist keine Stromsättigung auf. Auch der MCT daher nicht "kurzschlußfest", was als erheblicher Nachteil etwa gegenüber dem IGBT angesehen wird. Vor allem aber wegen der Stromfilamentierung konnten sich MCTs in der Praxiε nicht durchεetzen.
Ein anderer MOS-geεteuerter Thyriεtor, den man als "Emitter- Switched-Thyristor" oder EST bezeichnet, wurde in Artikeln von Baliga und Mitarbeitern beschrieben, siehe IEEE Trans. Electron Devices 38 (1991), S. 1619. Beim EST ist in die p-Basis des Thyristorε ein MOSFET integriert, der mit der Thyristorstruktur in Serie liegt. Durch Abschalten des MOSFETs schaltet der EST ab. Ein Nachteil dieseε Bauelementε beεteht darin, daß eε einen mit der Kathode kontaktierten paraεitären Thyriεtor enthält. Um daε Einεchalten dieεeε Thyriεtors zu verhindern, wird die p-Ba- εiε zuεammen mit dem n-Emitter durch die Kathodenmetalliεierung kontaktiert, d. h. mit der Kathode kurzgeschlosεen. Dieε hat jedoch zur Folge, daß auch der floatende Hauptthyristor bis zu einem erheblichen Abstand von der Kurzschlußstelle am Einrasten gehindert wird. Daher muß das Einzelelement eine relativ große laterale Abmesεung haben, εo daß die pro Halbleiterfläche er¬ reichbare MOS-Kanalweite und damit der εchaltbare Strom pro Fläche auch hier εtark reduziert εind. Durch den vorgeschalte¬ ten MOSFET zeigt die Kennlinie andeutungsweise eine Strombe¬ grenzung. Dieεe iεt nur wenig ausgeprägt, weil der MOSFET bei den üblichen Betriebsbedingungen εchon in den Durchbruch läuft, bevor der Übergang zwiεchen p- und n-Baεis, der eine höhere Spannung ermöglicht, wesentlich zu εperren beginnt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein MOS-geεteuertes Leiεtungεhalbleiterbauelement der eingangs beεchriebenen Art derart weiterzuentwickeln, daß eε durch ein einziges Gate abschaltbar ist und eine Kennlinie mit Stromsättigung hat. Das Leistungεhalbleiterbauelement εoll auch dahingehend weiterent¬ wickelt werden, daß eε durch dieεeε Gate auch einεchaltbar iεt.
Die Aufgabe wird erfindungεgemäß dadurch gelöεt, daß die Durch- bruchεεpannung deε erεten lateralen p-Kanal-MOSFETε zwiεchen der äußeren Kathode und dem floatenden Kontakt den Absolutbe- trag der Schwellenεpannung deε zweiten MOSFETε um mehr alε zwei Volt überεteigt und daß die Gateelektrode deε zweiten MOSFETs von der Kathodenmetalliεierung mitgebildet oder überdeckt wird. Dieεeε Leiεtungεhalbleiterbauelement wird durch eine Gateεpannung, die gegenüber der Kathode positiv oder gegenüber dem floatenden Kontakt null oder positiv ist, abgeεchaltet. Eε benötigt nur eine einfache Anεteuerεchaltung, wie εie auch bei MOSFETε und IGBTε verwendet wird. Dies ist für den praktischen Einεatz ein bedeutender Vorteil. Darüberhinauε iεt daε Leiεtungεhalbleiterbauelement für einen weiten Sperr- εpannungεbereich geeignet, kann einen hohen Strom pro Fläche bei kleiner Durchlaßεpannung schalten und hat eine Kennlinie mit Stromsättigung.
Ein Leiεtungεhalbleiterbauelement, bei dem in einem Teil der Einheitεzellen ein Oberflächenbereich der n-Baεiεzone, die n- Emitterzone und der dazwischenliegende Oberflächenbereich der p-Baεiεzone zuεammen mit einem isolierten Gate einen n-Kanal- MOSFET bilden, ist erfindungεgemäß derart ausgebildet, daß der n-Kanal MOSFET vom Verarmungεtyp iεt, daß der Abεolutbetrag der Schwellenspannung des MOSFETs vom Verarmungstyp wenigstenε um zwei Volt kleiner als die Durchbruchsεpannung deε erεten p-Ka- nal-MOSFETs iεt und daß die Gateelektrode deε MOSFETε vom Ver¬ armungεtyp von der Kathodenmetalliεierung mitgebildet oder überdeckt wird. Dieses Leistungshalbleiterbauelementε wird durch eine negative Spannung am Gate deε erεten MOSFETε einge- εchaltet, εo daß durch ein einzigeε externes Gate sowohl ein- alε auch abgeεchaltet werden kann. Zum Einεchalten wird eine negative Gateεpannung angelegt und zum Abεchalten wird daε Gate auf daε Potential der floatenden Kathode gelegt oder gegenüber der Kathode positiv eingestellt. Hiermit erhält man ein Bauelement, das mit einer ebenso einfachen Ansteuerεchaltung, wie andere MOS-Bauelemente, z. B. der IGBT, auεkommt. Verglichen mit dieεen bekannten Bauelementen iεt der schaltbare Strom pro Chip-Fläche wesentlich größer bei gleichzeitig kleinerer Durchlaßspannung. Außerdem iεt daε Bauelement für hohe Sperrεpannungen geeignet. Zum Einschalten müssen demgegenüber bei dem aus der DE 41 26 491 AI bekannten Halbleiterbauelement der erεte und dritte MOSFET eingeεchaltet und der zweite MOSFET gleichzeitig abgeεchaltet εein. Hierfür εind für die verschiedenen MOSFETs unterεchiedliche Gatesignale erforderlich, wie dies insbeεondere in Spalte 7, Zeilen 21 - 25 der DE 41 26 491 beεchrieben wird.
Weitere zweckmäßige Auεgestaltungen der Erfindung εind in den Anεprüchen 3 bis 6 beschrieben.
Die Erfindung wird nun anhand von in einer Zeichnung darge¬ stellten Ausführungεbeiεpielen näher erläutert, auε denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
Es zeigen
Fig. 1 eine Einheitεzelle eineε Leiεtungshalbleiterbauele- ments in einer zum Abschalten ausgebildeten Form
(normale Zelle), Fig. 2 daε Leistungshalbleiterbauelement nach Fig. 1 mit
Potentialwerten beim Abεchalten, Fig. 3 ein Leistungshalbleiterbauelement mit einer normalen und einer sowohl zum Abεchalten alε auch zum Zünden auεgebildeten Einheitεzelle.
Wie Fig. 1 im Querεchnitt zeigt, weiεt ein Halbleiterkörper ei¬ nes Leistungεhalbleiterbauelementε eine pnpn-Thyriεtorstruktur auf, bestehend auε einer an die Anode A angrenzenden p-Emitter- zone 1, einer εich daran anεchließenden schwach dotierten n-Ba- εiεzone 2, einer darauf folgenden p-Baεiε-Zone 3, auch p-Baεiε genannt, und einer darin eingebetteten n-Emitterzone 4, die in Richtung εenkrecht zur Bildebene vorzugεweiεe εtreifenför ig ausgebildet iεt. Die n-Emitterzone iεt bevorzugt in einen hoch dotierten zentralen Bereich 4a und in schwächer dotierte Seitenbereiche 4b unterteilt. In die Seitenbereiche der Zone 4 εind je ein Paar hoch dotierte p+-Zonen 5a,5b eingebettet, die parallel zum Rand der n-Emitterzone verlaufen. Jedes Paar der p+-Zonen bildet zusammen mit dem Zwiεchengebiet der n-Zone 4 und einem darüber angeordneten iεolierten Gate G einen p-Kanal- MOSFET Ml. Die n-Emitterzone ist im mittleren, höher dotierten Bereich 4a mit einer floatenden KathodenmetaUisierung K' ver- sehen, die auch den nach innen liegenden p+-Streifen 5a jedes p+-Zonenpaareε ohmsch kontaktiert. Die am Rand der n-Emitter¬ zone 4 gelegenen p+-Streifen 5b εind mit einer Metallεchicht K kontaktiert, die alε äußere Kathode des Bauelements dient und keinen Kontakt mit der n-Emitterzone 4 hat. Die Kathode iεt mit einem Kathodenanεchluß KA verεehen. Der MOSFET (Ml) liegt in Serie mit der Thyristorstruktur unterhalb der floatenden Kathode K' . In Vorwärts- oder Schaltrichtung ist die Anode A positiv gegenüber der äußeren Kathode K gepolt.
Fig. 1 zeigt einen zweiten MOSFET-Bereich M2 zwischen p-Basiε 3 und der mit der Kathode kontaktierten p+-Zone 5b. Daε durch ein Dielektrikum, in Fig. 1 alε Si02 eingezeichnet, iεolierte Gate dieεes MOSFETε M2 wird von der Kathodenmetalliεierung mitgebildet oder überdeckt.
Zunächεt wird daε Abεchalten auε dem Durchlaßzuεtand beεchrie- ben. Ein Durchlaßεtrom kann nur fließen, wenn daε Potential deε Gateε G gegenüber der floatenden Kathode K', die die Source- Elektrode deε MOSFETε (Ml) darεtellt, negativ iεt und einen p- leitenden Inverεionεkanal zwiεchen der daε Sourcegebiet bilden¬ den Zone 5a deε MOSFETε (Ml) und der daε Draingebiet bildenden Zone 5b erzeugt. Der von der floatenden Kathode K1 zur Kathode K fließende Löcherstrom findet in der anderen Richtung seine Fortsetzung in einem gleich großen Elektronenstrom von K' in die Thyriεtorεtruktur hinein. Zum Abεchalten wird die Gate¬ εpannung, absolut genommen, auf einen Wert unterhalb der Schwellenspannung VT , z. B. auf 0, abgesenkt, so daß der p-Ka- nal zwischen Sourcegebiet 5a und Draingebiet 5b verschεchwin- det. Somit fließen von K' keine Elektronen mehr in den Thyri¬ stor hinein. Da aber noch viele überεchüεεige Ladungεträger in der Struktur vorhanden sind und der zwischen den n- und p-Ba- εiεzonen vorhandene pn-übergang J2 , der allein eine hohe Sperr¬ spannung aufnehmen kann, noch nicht εperrt, würde daε Bauele- ment εo ohne weitere Vorkehrungen nur gegen eine Spannung ab¬ schalten, die kleiner ist alε die Durchbruchεpannung deε MOSFETs Ml von z. B. 12 V. Nur bei sehr langsamen Spannungsan- εtieg, bei dem die Ladungεträger Zeit hätten, durch Rekombina- tion zu verschwinden, wäre ein Abschalten gegen höhere Spannun¬ gen möglich. Bei den üblichen höheren Spannungen und Schaltge- εchwindigkeiten aber würde der MOSFET in den Durchbruch getrie¬ ben, und die Thyriεtorεtruktur 1,2,3,4a würde weiter voll mit Strom verεorgt, wobei die Spannung am Bauelement um die Durchbruchspannung deε MOSFETs erhöht ist.
Um ein Abεchalten gegen höhere Spannungen und bei schnellem Spannungεanεtieg zu ermöglichen, enthält daε erfindungεgemäße Bauelement den MOSFET M2, dessen Gate von der
KathodenmetaUisierung mitgebildet wird. Um die Funktion des MOSFETs M2 zu verdeutlichen, iεt die Struktur in Fig. 2 mit Werten für daε Potential in einem Zeitpunkt beim Abεchalten verεehen, in welchem die Anode schon eine Spannung von 100 V gegenüber der Kathode habe. Die angegebenen Werte gelten für das äußere Potential ohne die durch die pn-übergänge eingeprägten Spannungen, wobei das Potential der Kathode K gleich null gesetzt ist. Da das Gate G zum Abεchalten auf daε Potential des Source K' gelegt ist und Sourcegebiet 5a und Draingebiet 5b nicht mehr durch einen p-Kanal verbunden εind, baut εich zwiεchen K' und K eine Spannung auf, die in dem Beiεpiel 8 V beträgt. Um dieεe Spannung iεt der pn-übergang J zwischen Draingebiet 5b und n-Emitterzone 4b in Sperrichtung gepolt. Iεt nun die Schwellenεpannung des MOSFETs M2 kleiner, z. B. 4 V, εo bildet εich über der n-Zone zwiεchen dem p+-Ge¬ biet 5b und p-Baεiε ein p-Kanal, weil daε Gate von M2 gegenüber dem Halbleiter negativ gepolt ist. Da aus der floatenden Kathode K' kein Elektronenεtrom mehr in die darunterliegende Thyristorstruktur fließt, liegt auch die p-Basiε 3 in dem mittleren Bereich auf dem gleichen Potential wie die n-
Emitterzone 4. In den εeitlichen Bereichen iεt es etwaε niedri¬ ger, z. B. 7 V, da zum Abbau der Ladungεträger in der p-Baεiε 3 und der n-Basiεzone 2 und zum Aufbau der Raumladungεzone (RLZ) Löcher dorthin und durch den Kanal zur Kathode K fließen. Alε Vorbedingung für die beεchriebene Funktionεweise wird die
Durchbruchspannung VBΓ(MI) des extern ansteuerbaren MOSFETε Ml, die durch den pn-übergang J beεtimmt wird, größer eingeεtellt alε die Schwellenspannung Vτ(M2) des MOSFETs M2. Indem man den Kanal des MOSFETs Ml durch Kurzεchließen deε Gateε mit dem Source zum Verschwinden bringt, wird also zum einen der Elektronenεtrom auε der floatenden Kathode K' in den Thyriεtor unterbrochen, zum anderen aber bildet εich automa- tiεch ein p-Kanal im MOSFET M2 und damit ein Strompfad für die Löcher zur Kathode.
Damit ein gut leitender p-Kanal im MOSFET M2 entεteht, εollte die Durchbruchεpannung VBΓ(MI) deε MOSFETε Ml die Schwellen- εpannung Vτ(M2) von M2 um mindestens 2 V übersteigen. Zweckmä¬ ßig iεt eine Differenz von 10 V. Die Schwellenspannung Vτ(M2) von M2 wird klein gewählt, vorzugεweiεe in dem Bereich 1 V bis 5 V, damit der MOSFET M2 beim Abschalten von Ml schnell einschaltet. Kleiner als 1 V darf die Schwellenεpannung Vτ(M2) nicht εein, da εonεt schon im ON-Zustand deε Bauelementε ein Nebenweg zwiεchen p-Baεis und Kathode vorhanden ist.
Um eine kleine Schwellenspannung zu bekommen, ist es günstig, als Gatematerial Bor-dotiertes Polyεilizium zu verwenden, daε bei dem MOSFET M2 daher vorteilhafterweiεe daε unmittelbar dem Oxid aufliegende Gate bildet, daε bei der Auεführungεform gemäß Fig. 1 noch von der Kathodenmetalliεierung bedeckt iεt.
Die Kennlinie deε Bauelements im On-Zustand, also bei negativer Spannung des Gates gegenüber der floatenden Kathode K' , geht mit steigender Spannung in einen Bereich nahezu konstanten Stroms über, der zum Unterschied von der deε MOSFETε Ml biε zu sehr hohen Spannungen reicht. Ähnlich wie in Fig. 2 für das Ab- schalten dargestellt, bildet sich dabei ein p-Kanal in dem in¬ ternen MOSFET M2, εobald die Spannung am MOSFET Ml die Schwel¬ lenεpannung deε MOSFETs M2 übersteigt. Von diesem Punkt ab fällt der effektive Stromverstärkungεfaktor αnpn,eff deε npn- Teiltransiεtors (4a,3,2) infolge des Nebenweges mit weiterer Erhöhung deε Stromε εtark ab, εo daß der Thyristor auε der Sättigung geht und der mittlere pn-übergang J2 Spannung auf¬ nimmt. Die Kennlinie wird dann durch den pnp-Tranεiεtor (beεtehend auε p-Emitterzone 1, n-Baεiεzone 2 und p-Baεis 3) beεtimmt, der mit konεtantem Baεiεtrom auε dem MOSFET Ml aufge- εteuert wird und deεεen Kollektorεtrom im aktiven Bereich nicht εtark mit der Spannung anεteigt. Der Teil dieεeε Kollek¬ torstroms, der nicht zur Aufsteuerung des npn-Teiltranεiεtorε (beεtehend auε n-Emitterzone 4, p-Baεiε 3 und n-Baεiεzone 2) benötigt wird, fließt durch den p-Kanal deε internen MOSFETε M2 zur Kathode und ergibt zuεammen mit dem Strom deε MOSFETε Ml den Strom deε Geεamtbauelements. Dieεer εteigt daher nicht mehr εtark mit der Spannung an. Im Kurzεchlußfall läuft der Arbeitε- punkt in dieεen Kennlinienbereich annähernd konεtanten Stromε, von dem auε man daε Bauelement dann abschaltet, indem man die Gatespannung kleiner als die Schwellenεpannung macht.
Das Bauelement nach Fig. 1 und 2 kann alε Integration einer εo- genannten Kaεkodenεchaltung angeεehen werden, die ein εchnelles Abschalten z. B. eines Hochleiεtungε-GTOε mit geringer Steuer¬ leistung ermöglicht, indem ein in Serie liegender Niederspan- nungε-MOSFET abgeschaltet wird und die sich daran aufbauende Spannung als Gatespannung den GTO abschaltet. Die diεkrete Kaεkodenεchaltung wird jedoch nicht häufig eingeεetzt, da sie wegen der zusätzlich zum GTO benötigten Bauelemente im allge¬ meinen kostenungünstig ist und viel Raum in Anspruch nimmt. Die monolithische Integration nach der Erfindung ist in dieser Hin- εicht weεentlich günεtiger. Geringe Störanfälligkeit und Abwe- senheit von Streuinduktivitäten sind weitere Vorteile.
Zum Einschalten des Leistungshalbleiterbauelements aus dem (Vorwärtε-)Sperrzuεtand in den Durchlaßzuεtand reicht eε im allgemeinen nicht auε, den in Serie liegenden MOSFET Ml einzu- schalten, da der Thyristor weiterhin εperrt. Nur bei einer in Vorwärtsrichtung an sich nicht sperrenden Thyristorεtruktur würde man daε Bauelement in der in Fig. 1 und 2 gezeigten Form so einschalten können. Eine solche Thyriεtorεtruktur iεt aber bei schnellen Bauelementen nur εchwer erreichbar und liegt insbeεondere dann nicht vor, wenn der anodenεeitige
Emitterbaεiεübergangε Ji zur Verbeεεerung der dynamiεchen Ei- genεchaften geεhortet iεt. Daher muß die Struktur noch mit ei¬ nem Mechanismus zum Zünden des Thyristors versehen werden. Eine Anordnung mit einer Einheitεzelle, bei daε Zünden ohne zuεätz- licheε Gate durch die Struktur deε Halbleiterε erreicht wird, εobald der MOSFET Ml eingeεchaltet wird, iεt in Fig. 3 darge- εtellt. Die Einheitεzelle mit. Zündvorrichtung (Zündeinheitεzelle) befindet εich in der Figur zusammen mit ei¬ nem Teil einer benachbarten Zündeinheitszelle auf der linken Seite, nach rechtε εchließt εich eine normale Zelle an, mit der nur abgeεchaltet werden kann. Die Kathodenmetalliεierung er- εtreckt εich auch über das Gate und die floatende Kathode, die durch eine Zwischenεchicht, die in der Regel auε Siliziumdioxid beεteht, isoliert sind.
Die Zündeinheitεzelle ist dadurch gekennzeichnet, daß an ihrem Rande die n-Basiε 2 biε an die Oberfläche geführt iεt und die p-Baεiε 3 an der Oberfläche endet, wie Fig. 3 zeigt. In den
Oberflächenbereich der p-Baεiε iεt jedoch ein n-Kanal 6 eindo¬ tiert, der die n-Emitterzone 4 mit der n-Baεiε 2 verbindet und zuεa men mit einem iεolierten Gate einen n-Kanal-MOSFET M3 vom Verarmungstyp bildet. Daε Gate liegt auf Kathodenpotential und wird in der gezeigten Ausführungεform gleichzeitig durch die Kathodenmetalliεierung dargeεtellt, die daε Gateoxid mit über¬ deckt. Wird nun durch eine negative Spannung am äußeren Gate G ein p-Kanal zwischen den Gebieten 5a und 5b erzeugt, der die Kathode K über die floatende Kathode K' mit der Thyristorεtruk- tur verbindet, εo fließt über den n-Kanal 6 deε internen
MOSFETε M3 ein Elektronenstrom in die n-Basiεzone und zündet den Thyriεtör der Zündeinheitszelle. Der eingeεchaltete Zuεtand breitet εich dann durch laterale Ströme in der p- und n-Baεiε in bekannter Weiεe auf die nächεten Einheitszellen auε, εo daß nur ein kleiner Prozentsatz der Zellen eine Zündstruktur be¬ sitzen muß.
Daε Sperrvermögen und Abεchaltverhalten wird durch die Zündein¬ heitszelle nicht beeinträchtigt. Wird nämlich der p-Kanal deε externen MOSFETε Ml durch Kurzεchließen deε Gateε G mit K' zum Verεchwinden gebracht, εo steigt das Potential der p-Basiε auf poεitive Werte gegenüber der Kathode K, wie bei der Erläuterung deε Abεchaltenε anhand von Fig. 2 beεchrieben. Sobald die Potentialdifferenz gegenüber K die Schwellenspannung Vτ(M3) deε MOSFETs M3 übersteigt, verschwindet der n-Kanal des MOSFETs M3, da deεεen Gate K gegenüber dem Halbleiter negativ gepolt iεt. Damit iεt die Verbindung zwiεchen n-Baεiε 2 und n-Emitterzone 4 unterbrochen, und der pn-übergang J2 zwischen n- und p-Basiε wird voll εperrfähig. Damit die Schwellenεpannung Vτ(M3) - ab- εolut genommen - überschritten werden kann, muß εie wie beim MOSFET M2 kleiner als die Durchbruchεpannung VBΓ(MI) deε MOSFETε Ml εein.
Die Bedingung einer kleinen Schwellenεpannung und einer deut¬ lich höheren Durchbruchεpannung der MOSFETε kann durch die Do¬ tierung deε Bereichε 4b der n-Emitterzone 4 und durch den Do- tierungεgradienten am pn-übergang J auf verεchiedener Weiεe technologiεch realiεiert werden. Um den Einfluß deε auε den Zo¬ nen 5b, 4b und 3 gebildeten paraεitären Transistorε zu unter¬ drücken und um einen Punch-Through zu vermeiden, darf die Do¬ tierung der Zone 4b andererεeitε nicht zu niedrig εein. Für die integrale Dotierung hat εich der Bereich 5*1013/cm2 biε 5*1014/cm2 alε zweckmäßig erwiesen.
In den bisherigen Ausführungsbeiεpielen war der extern ansteu- erbare Feldeffekttransistor Ml ein MOSFET vom Anreicherungstyp, bei dem der Kanal durch Inverεion deε Substrats, der n-Emitter- zone 4, erzeugt wird. Der MOSFET Ml kann aber auch ein solcher vom Verarmungstyp sein, bei dem der p-Kanal zwischen den Gebie¬ ten 5a und 5b infolge einer p-Dotierung, also schon ohne Gate¬ spannung, vorhanden ist und durch positive Gateεpannung zum Verschwinden gebracht werden kann. Die anderen Auεgeεtaltungen der Erfindung bleiben unverändert. Ohne Spannung am Gate befin¬ det εich dieεeε Bauelement im eingeschalteten Zustand, durch positive Spannung zwischen G und K' wird eε abgeεchaltet.
In den Ausführungsbeiεpielen wurde eine konkrete Aufeinander- folge der p- und n-Zonen angenommen, εo wie εie praktiεch i. a. bevorzugt wird. Jedoch ergeben sich durch Vertauschung des p- und n-Leitungstyp ebenfalls funktionsfähige Bauelemente im Rahmen der Erfindung, die als inverse Bauelemente für beεtimmte Anwendungen erwünεcht εind.
Die inverεe Struktur hat den Vorteil, daß der in Serie mit dem Thyriεtor liegende MOSFET Ml und auch der MOSFET M2 nun n- Kanal-MOSFETε εind, die einen weεentliehen geringeren Kanalwiderεtand haben alε p-Kanal-MOSFETε. Andererεeits werden die Schalteigenεchaften des Thyristor nun dadurch verschlechtert, daß er von der Anodenseite her abgeεchaltet wird, waε bei vergleichbarem εicheren Arbeitεbereich eine dickere schwach dotierte Basiε erfordert.

Claims

Patentansprüche
1. Durch MOS-Gate εchaltbares Leistungεhalbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der eine Vielzahl nebeneinan¬ der angeordneter, parallel geεchalteter, eine Thyri¬ storstruktur bildende Einheitszellen aufweiεt, die auε ei- ner an die Anode angrenzenden p-Emitterzone (1), einer εich daran anεchließenden εchwach dotierten n-Basiεzone (2), einer darauf folgenden p-Baεiεzone (3) und einer εich daran anεchließenden n-Emitter-zone (4) beεtehen, in die paarweiεe p+-Zonen eingebettet εind, die zuεammen mit dem zwischen ihnen liegenden n-Gebiet und einem darüber ange¬ ordneten iεolierten Gate (6) einen lateralen erεten p-Ka¬ nal-MOSFET (Ml) bilden, wobei einerεeitε daε am Rande der Emitterzone liegende Draingebiet mit der äußeren Kathode (K) verbunden ist, die keinen Kontakt mit der n-Emitter- zone hat, und andererseitε daε innen liegende Sourcegebiet mit einem floatenden Kontakt (K' ) verεehen ist, der gleichzeitig die n-Emitterzone (4) kontaktiert, und wobei aus der mit der äußeren Kathode (K) kontaktierten p+-Zone (5b), dem Oberflächenbereich der p-Basiεzone (3) und dem dazwiεchen liegenden Bereich der n-Emitterzone (4b) zuεammen mit einem iεolierten Gate (G2) ein zweiter p-Ka¬ nal-MOSFET (M2) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchεεpannung deε erεten lateralen p-Kanal- MOSFETε (Ml) zwiεchen der äußeren Kathode (K) und dem floatenden Kontakt (K1) den Abεolutbetrag der Schwellen¬ εpannung deε zweiten MOSFETε (M2) um mehr alε zwei Volt überεteigt und daß die Gateelektrode deε zweiten MOSFETε (M2) von der Kathodenmetalliεierung mitgebildet oder über- deckt wird.
2. Leiεtungεhalbleiterbauelement nach Anεpruch 1, wobei in einem Teil der Einheitεzellen ein Oberflächenbereich der n-Baεiszone (2), die n-Emitterzone (4b) und der dazwi¬ schenliegende Oberflächenbereich der p-Basiεzone (3) zu¬ εammen mit einem iεolierten Gebiet einen n-Kanal-MOSFET (M3) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der n-Kanal-MOSFET (M3) vom
Verarmungstyp iεt und daß der Abεolutbetrag der Schwellen¬ εpannung deε n-Kanal-MOSFETε (M3) vom Verarmungεtyp wenig- εtenε um zwei Volt kleiner als die Durchbruchsεpannung deε erεten p-Kanal-MOSFETε iεt und daß die Gateelektrode deε n-Kanal-MOSFETε (M3) von der Kathodenmetalliεierung mitge¬ bildet oder überdeckt wird.
3. Leiεtungεhalbleiterbauelement nach Anεpruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellenεpannungen deε zweiten MOSFETε (M2) und deε n-Kanal-MOSFETε (M3) im Be¬ reich von 1 V biε 5 V liegen.
4. Leiεtungεhalbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die n-Emitterzone (4) im Be¬ reich (4a) unter dem floatenden Kathodenkontakt (K' ) höher dotiert iεt alε im übrigen Bereich (4b), der die Durch- bruchεεpannungen und Schwellenεpannungen der MOSFETs (Ml, M2, M3) beεtimmt.
Leiεtungεhalbleiterbauelement nach Anεpruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die integrale Dotierung im übrigen Bereich (4b) der n-Emitterzone (4) im Bereich 5 x 1013/cm2 biε 5 x 1014/cm2 liegt.
Inverεeε Leiεtungεhalbleiterbauelement entsprechend einem oder mehreren der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungεtyp der Zonen (1, 2, 3, 4, 5) und Gebiete jeweilε durch den komplementä¬ ren Dotierungstyp ersetzt iεt.
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