DE1299766B - Thyristor und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit vier aufeinanderfolgenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einem Halbleiterplättchen mit Kontaktelektroden an den beiden äußeren und mit einer Steuerelektrode an einer der beiden inneren Zonen.

Der Erfindung hegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor so auszubilden, daß er nach dem z. B. aus der Zeitschrift »Scientia Electrica«, Bd. 9 (1963), Nr. 2, S. 67 bis 91, bekannten Planarverfahren unter Ausnutzung der Vorteile dieses Verfahrens herstellbar ist.

Die Erfindung, die diese Aufgabe löst, besteht darin, daß die beiden äußeren Zonen nebeneinander an einer Oberflächenschicht des Halbleiterplättchens, die einen höheren spezifischen Widerstand als das Halbleiterplättchen besitzt, und die mit der Steuerelektrode versehene innere Zone zwischen einer der beiden äußeren Zonen und der Oberflächenschicht angeordnet sind.

Aus den ausgelegten Unterlagen des belgischen Patents 630 858 ist zwar eine ähnliche Halbleiteranordnung bekannt. Diese ist aber eine Festkörperschaltung mit einem Transistor und einer Diode, die nach dem Ersatzschaltbild über einen Widerstand mit einer Zone des Transistors verbunden ist und beispielsweise in Planarbauweise nach der Zeitschrift »Scientia Electrica«, Bd. 9 (1963), Nr. 2, S. 67 bis 91, hergestellt werden kann. Im Unterschied zu einer Halbleiteranordnung nach dem belgischen Patent besteht ein Thyristor aus zwei Teiltransistoren, deren Kollektorzonen und Basiszonen zu den zwei inneren Zonen einer Vierzonenfolge zusammengefaßt sind, so daß beim Anlegen einer Spannung, bei der der mittlere pn-übergang sperrt, die beidgn äußeren Zonen als Emitter wirken und Minoritätsladungsträger in die Raumladungszone des mittleren pn-Übergangs injizieren.

Ein Siliziumthyristor nach der Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 stellt schematisch den Aufbau des bekannten Thyristors und seine bekannte Schaltung in einem elektrischen Stromkreis dar;

F i g. 2 zeigt in schematjscher Form eine Abwand-, lung der Zonenanordhuhg nach F i g. 1;

F i g. 3 zeigt schematisch den Aufbau des Thyristors nach der Erfindung;

F i g. 4 stellt im Querschnitt einen Siliziumthyristor entsprechend dem Aufbau nach F i g. 3 dar, und

F i g. 5 zeigt den Querschnitt eines Siliziumthyristors, wie er in F i g. 4 dargestellt ist, jedoch mit einer Weiterbildung zur Steuerbarkeit mit Hilfe des Feldeffekts;

Fig. 6 zeigt im Grundriß einen Siliziumthyristor des in F i g. 5 dargestellten Auf baus.

Die Funktionsweise eines als elektronischer Schalter benutzten Thyristors ist aus der Zeitschrift »Proc. IRE«, Bd. 44 (1956), Nr, 9, S. 1174 bis 1182, bekannt. Die Bezeichnung »Thyristor« wird nun für Halbleiterbauelemente, deren Wirkungsweise auf diesem Prinzip beruht, verwendet. .Gemäß F i g. 1 ist Ib = 0, wenn Ie = Ic- An-den pn-übergang 2 ist eine Vorspannung in Sperrichtung angelegt; der durch den pn-übergang 2 fließende Strom ist gegeben durch

Ic = Ic₀ + Oi₁Icl· X₂ I_c,

wobei Ic₀ der Reststrom des in Sperrichtung betriebenen pn-Übergangs 2 ist. Oc₁ ist der Basisschaltung-Stromverstärkungsfaktor des npn-Teiltransistors mit den pn-Übergängen 1 und 2. k₂ ist der Basisschaltung-

Stromverstärkungsfaktor des pnp-Teiltransistors mit den pn-Übergängen 2 und 3.

Die obige Gleichung kann wie folgt umgeformt werden:

Ic = ^Ico

⁰ 1 — (Oc₁ + oc₂)

Es ist ersichtlich, daß der Thyristor aus dem im wesentüchen nichtleitenden Zustand in den leitenden ίο Zustand umschaltet, wenn {k₁ + k₂) größer als 1 ist. Der Wert von k₁ kann wesentlich vergrößert werden, wenn Basisstrom Ib fließt. Da k₁ durch den Basisstrom Ib vergrößert werden kann, ist es nicht erforderlich, daß k₂ groß ist.
Der Stromweg zwischen den pn-Übergängen 2 und 3 kann nun jedoch durch Vergrößern der Breite der dazwischenliegenden inneren n-Ieitenden Zone vergrößert werden. Die Impedanz der Zonenanordnung wird nicht wesentlich erhöht, wenn die Breite der ao inneren η-leitenden Zone dadurch vergrößert wird, daß eine η-leitende Zone mit niedrigem spezifischem Widerstand, die als n+-leitende Zone bezeichnet ist, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, eingefügt wird. Diese n⁺-Zone wird durch die nn⁺-Übergänge 4 und 5 begrenzt.

Da es nicht erforderlich ist, die verschiedenen Zonen . in einer Reihe, wie in F i g. 2 gezeichnet, anzuordnen, können sie so angeordnet werden, daß die zusätzlich eingefügte n+-Zone außerhalb statt innerhalb der inneren η-leitenden Zone liegt. Eine solche Zonenanordnung ist in F i g. 3 dargestellt. Der nn+-Übergang 6 ersetzt also die beiden nn+Übergänge 4 und 5. ; Der durch den pn-übergang 2 fließende Strom tritt in die innere η-leitende Zone 9 ein und hat dann zwei Wege, um den pn-übergang 3 zu erreichen. Der erste Weg entspricht dem Stromzufluß der Zonenanordnung nach Fig. 2; der Strom fließt, wie durch den Pfeil7 bezeichnet, durch die innere η-leitende Zone 9 und durch die n⁺-leitende Zone 10, bevor er wieder in die innere η-leitende Zone 9 eintritt und durch sie wiederum hindurchgeht, um den pn-übergang 3 zu erreichen. Der zweite Weg, der'durch den Pfeil 8 bezeichnet ist, ist kürzer. Der Strom fließt vom pnübergang 2 zum pn-übergang 3 und bleibt dabei innerhalb der inneren η-leitenden Zone 9. Das Verhältnis der Impedanzen der zwei verfügbaren Stromwege? und 8 hängt von dem Verhältnis der spezifischen Widerstände der zwei Zonen 9 und 10 ab. F i g. 4 zeigt im' Querschnitt. die praktische Verwirklichung des in Fig. 3 schematisch dargestellten Thyristorauf baus. Ein Siliziumplättchen 10 mit ^-Dotierung hat eine η-leitende Oberflächenschicht 9, die auf einer Hauptfläche epitaktisch aufgewachsen ist. Eine doppelt diffundierte npn-Transistoranordnung wird in der Oberflächenschicht 9 nach dem Planarverfahren hergestellt: Die innere Zone 2 a und damit der Kollektor-Basis-pn-Übergang 2 wird dabei durch Diffusion eines Akzeptorelementes, wie beispielsweise Bor, hergestellt, und anschließend die äußere Zone la und damit der Emitter-Basis-pn-Übergang 1 durch Diffusion eines Donatorelementes, wie beispielsweise Phosphor. Zusätzlich wird gleichzeitig mit der Herstellung des pn-Übergangs 2 eine weitere getrennte p-leitende Zone 3 a hergestellt, die durch den pn-Übergang 3 begrenzt wird. Besonders geeignete spezifische Widerstände sind für das Siliziumplättchen 10 mit n⁺-Dotierung 0,01 Ohmcm und für die n-leitende epitaktische Oberflächenschicht 9 2 Ohmcm. Die Dicke

Claims (11)

der epitaktischen Oberflächenschicht 9 beträgt vorzugsweise 10 μπι und der Abstand zwischen den pn-Übergängen 2 und dem nn+-Übergang 6 sowie zwischen dem pn-übergang 3 und dem nn+-Übergang 6 vorzugsweise 5 μιη. Der Abstand der pn-Übergänge2 und 3 entlang der Oberfläche des Siliziumplättchens kann etwa 100 μπι oder mehr betragen. Es ist selbstverständlich, daß der Stromweg durch die n+-ZonelO der Weg niedrigster Impedanz zwischen den pn-Übergängen 2 und 3 ist und daß der größte Teil des Stromes auf diesem Wege fließen wird (s. den Pfeil 7 in F i g. 3). Durch das Einfügen eines weiteren pn-Übergangs 11 zwischen den pn-Übergängen 2 und 3 — wie in Fig. 5 dargestellt — wird eine weitere Steuerungsmöglichkeit geschaffen. Dieser pn-übergang 11 grenzt mit seiner einen Seite an eine weitere p-leitende Zone lic und wird durch Eindiffusion eines Akzeptor-^, elementes, wie beispielsweise Bor, in das Siliziumplättchen hergestellt. Die an der p-leitenden Zone IIa angebrachte Elektrode 13 kann wie eine Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors verwendet werden, d. h., daß eine an den pn-übergang 11 angelegte Sperrspannung eine an beweglichen Ladungsträgern verarmte Schicht erzeugt, welche den verfügbaren Stromweg vom pn-übergang 2 zum pn-übergang 3, durch den ein gegebener Strom fließt, einengt. In diesem Fall entspricht der tatsächliche Stromweg dem Pfeil 7 in F i g. 3. Die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger ist im schwach dotierten Material, aus dem die Oberflächenschicht 9 besteht, höher als im stark dotierten Material, aus dem das SiUziumplättchen 10 besteht. Der Stromverstärkungsfaktor des durch die pn-Übergänge2 und 3 gebildeten pnp-Teiltransistors wird deshalb fast vollständig durch die von dem pn-übergang 3 durch die Oberflächenschicht 9 hindurch zu dem pn-übergang 2 hin wandernden Defektelektronen bestimmt. Dieser Defektelektronenstrom kann durch die Verarmungsschicht des pn-Übergangs 11 beeinflußt werden, die durch die an den pn-übergang 11 angelegte Sperrspannung hervorgerufen wird und die die gesamte Oberflächenschicht 9 durchsetzt. Ein Thyristor mit einer solchen Steuerbarkeit der Stromverstärkung kann in der bekannten Weise mit Hilfe eines der Steuerelektrode 12 zugeführten positiven Impulses eingeschaltet und durch Zuführung eines negativen Impulses an die zweite Steuerelektrode 13 abgeschaltet werden. Die Abschaltgeschwindigkeit ist bei dieser Ausbildung des Thyristors schneller als so beim bekannten Thyristor. Da die zweite Steuerelektrode 13 zum Absperren des Defektelektronenstromes zwischen den pn-Übergängen 2 und 3 dient, sollte sie vorteilhaft einen oder beide dieser pn-Ubergänge umgeben. Ein Grundriß dieser Ausbildung des Thyristors ist in F i g. 6 dargestellt. Dieser Grundriß ist dem Muster der Belichtungsmaske entnommen, die bei der Herstellung benötigt wird. Die pn-Übergänge 3, 11 und 2 werden durch Diffusion von Akzeptormaterial hergestellt und haben die Abmessungen 0,76 · 0,15 mm, 0,61 · 0,33 mm (Außenmaß) und 0,38 · 0,22 mm. Der pn-übergang 11 umgibt praktisch den pn-übergang 2, da die vierte Seite des letzteren an der Kante des Siliziumplättchens Hegt, die als Rekombinations-Zentrum für Minoritätsladungsträger wirkt. Der pn-übergang 1 wird durch Diffusion von Donatormaterial hergestellt und hat die Abmessungen 0,33 · 0,18 mm (Außenmaß). Die kreuzförmig schraffierten Gebiete 12,14 und 15 sind durch Metallisierung aufgebrachte Kontaktelektroden. Alle Austrittsstellen der pn-Übergänge an die freie Oberfläche der Oberflächenschicht 9 werden mit Siliziumoxyd bedeckt, wie es nach dem Planarverfahren bekannt ist. Die erläuterte Ausführungsform des Thyristors kann mit einem Durchlaßstrom von 500 mA und einer Spannung von 140 V am pn-übergang 2 betrieben werden. Ein kleiner »Kurzschlußpunkt«, der mit 16 in Fig. 6 bezeichnet ist, wird im pn-übergang 1 erzeugt. Das ist ein bekanntes Verfahren zur Reduzierung der geringen Stromverstärkung des npn-Teiltransistors des Thyristors. Er wird deshalb erzeugt, um ein zufälliges Umschalten des Thyristors durch Spannungsspitzen, die an den Kontaktelektroden durch die äußere Schaltung hervorgerufen werden, zu verhindern. Thyristoren mit ähnlichen Arbeitskennlinien werden auch bei einer pnpn-Anordnung in einem p-leitenden Halbleiterplättchen erhalten. Zur Herstellung eines oder aller pn-Übergänge können auch andere Diffusionsverfahren, beispielsweise Verfahren zur Herstellung von Mesa-Halbleiterbauelementen, verwendet werden. Außer Silizium können auch Halbleitermaterialien wie halbleitende intermetallische Verbindungen verwendet werden. Patentansprüche:

1. Thyristor mit vier aufeinanderfolgenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einem Halbleiterplättchen mit Kontaktelektroden an den beiden äußeren und mit einer Steuerelektrode an einer -der beiden inneren Zonen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Zonen (la, 3a) nebeneinander an einer Oberflächenschicht (9) des Halbleiterplättchens (10), die einen höheren spezifischen Widerstand als das Halbleiterplättchen (10) besitzt, und die mit der Steuerelektrode (12) versehene innere Zone (2 a) zwischen einer der beiden äußeren Zonen (la, 3a) und der Oberflächenschicht (9) angeordnet sind.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der pn-Übergänge (2, 3) zwischen der mit der Steuerelektrode (12) versehenen inneren Zone (2 a) und der ihr nicht benachbarten äußeren Zone (3 a) etwa 100 μ beträgt.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenschicht (9) sich über die gesamte Oberflächenseite des Halbleiterplättchens (10) erstreckt.

4. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Zonen (la, 3a) und die mit der Steuerelektrode^-^) versehene innere Zone in die Oberflächenschicht^) eingesetzt sind.

5. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des Minoritätsladungsträgerstromes mit Hilfe des Feldeffektes eine weitere Zone (IIa) des zu dem der Oberflächenschicht (9) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps an der Oberflächenschicht (9) zwischen der mit der Steuerelektrode (12) versehenen inneren Zone (2 a) und der an diese Zone (2 a) nicht angrenzenden äußeren Zone (3 a) angeordnet ist.

6. Thyristor nach Anspruch 5, dadurch gekenn-

zeichnet, daß die zusätzliche Zone (IIa) mindestens eine der beiden benachbarten Zonen (2a, 3d) vom gleichen Leitfähigkeitstyp umgibt.

7. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Halbleiterplättchens (10) aus Silizium die Oberfläche mindestens teilweise mit Hilfe von Siliziumdioxyd geschützt ist.

8. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des Halbleiterplättchens (10) auf einer Unterlage die Köntaktelektroden (12 bis 15) so angebracht sind, daß sie über die Oberfläche des 'Halbleiterplättchens (10) hinausragen.

9. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 8, da-

durch gekennzeichnet, daß die Metallkontaktelektroden (12 bis 15) teilweise aus Lot bestehen.

10. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem pn-übergang (1) zwischen der mit der Steuerelektrode versehenen inneren Zone (2a) und der ihr benachbarten äußeren Zone (la) ein punktförmiger Kurzschluß (16) erzeugt ist.

11. Verfahren zum Herstellen eines Thyristors nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Piahärverfahren gleichzeitig mit der mit der Steuerelektrode (12) zu versehenen inneren Zone (2a) die dieser Zone (2ä) nicht benachbarte äußere Zone (3 a) des Thyristors diffundiert wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen