DE1514593C - Steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents
Steuerbares HalbleiterbauelementInfo
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Description
i 514
Steuerbare Halbleiterbauelemente mit einem scheibenförmigen einkristallinen Halbleiterkörper und mit
vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von denen die beiden äußeren Zonen und
ihre Kontaktelektroden schichtförmig auf den beiden Flachseiten des Halbleiterkörpers angeordnet sind
und bei dem eine Steuerelektrode für die innere Zone in einer Aussparung in der benachbarten "äußeren
Zone angeordnet ist, sind z. B. aus der deutschen Auslegeschrift 1132 247 bekannt.
Der ältere Vorschlag in dem deutschen Patent 1261603 betrifft ein steuerbares Halbleiterbauelement
mit einem scheibenförmigen einkristallinen Halbleiterkörper und mit vier Zonen abwechselnd
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von denen die beiden äußeren injizierenden Zonen und ihre Kontaktelektroden
flächenhaft auf den beiden Flachseiten des Halbleiterkörpers angeordnet sind und bei dem
eine im Verhältnis zu diesen Kontaktelektroden kleinflächige Steuerkontaktelektrode für die eine
innere Basiszone in einer Aussparung in der ihr benachbarten äußeren Zone angeordnet ist. Der
ältere Vorschlag besteht darin, daß die Fläche der der kontaktierten inneren Zone benachbarten äußeren
Zone mindestens einen langgestreckten und die durch die äußere Zone an der Oberfläche getrennten
Teile der inneren Zone verbindenden Einschnitt aufweist, in dem die kontaktierte innere Zone an die
Oberfläche tritt, und daß die kontaktierte innere Zone an ihrer nicht kontaktierten Oberfläche eine
Dotierungskonzentration von mehr als 3 · 1017 cm"3 hat.
Die Erfindung bildet ein derartiges steuerbares Halbleiterbauelement weiter. Sie betrifft ein steuerbares
Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen einkristallinen Halbleiterkörper und mit vier
Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von denen die beiden äußeren Zonen und ihre
Kontaktelektroden schichtförmig auf den beiden Flachseiten des Halbleiterkörpers angeordnet sind,
bei dem eine Steuerkontaktelektrode für die eine innere Zone in einer Aussparung in der benachbarten
äußeren Zone angeordnet ist, bei dem die der kontaktierten inneren Zone benachbarte äußere Zone
in Scheibenebene mindestens einen langgestreckten Einschnitt aufweist, in dem die kontaktierte innere
Zone an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt, und bei dem die kontaktierte innere Zone an der
nicht kontaktierten Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Dotierungskonzentration von mehr als
3 ·1017αη-:>
hat.
Die Erfindung besteht darin, daß jeder Einschnitt in der äußeren Zone von der Aussparung für die
Steuerkonlaktclektrode räumlich getrennt angebracht ist und eine Länge von der Größenordnung der
linearen Abmessungen der äußeren Zone in Scheibenebene aufweist.
Durch diese Ausbildung läßt sich die Herstellung des Thyristors nach dem älteren Vorschlag vereinfachen,
und /war unter grundsätzlicher Beibehaltung der günstigen Wirkungsweise des Thyristors nach
dem älteren Vorschlag, die im folgenden näher erläulcrt wird.
Häufig ist an einer der beiden inneren Zonen eines Thyristors eine als Steuer- oder Zündelektrode bezeichnete
Kontaktelektrode angebracht, mit deren Hilfe sich ein Strom, der das Zünden des Thyristors,
d. 1). den Übergang vom nichtleitenden in den leitenden Zustand, bewirkt, durch den zwischen der kontaktierten
inneren Zone und der benachbarten äußeren Zone befindlichen pn-übergang schicken läßt.
Durch passende Wahl der Dicken der genannten Zonen sowie Höhe und Verlauf ihrer Dotierungskonzentration
kann der zum Zünden erforderliche Steuerstrom auf eine ,erträgliche Höhe begrenzt werden.
Im Gegensatz zu diesem beabsichtigten Zünden kann bei höheren Betriebstemperaturen ein unerwünschtes
spontanes Durchzünden (Kippen) infolge eines erhöhten Leckstromes in Vorwärtsrichtung des
Thyristors, d. h. in der Sperrichtung seines mittleren pn-Uberganges, auftreten, und zwar unter gewissen
Umtsänden schon bei einem wesentlich niedrigeren Spannungswert als dem der Spannung für das Durchzünden
eines mittleren pn-Überganges mit niedrigem Leckstrom bei einer nur wenig über Raumtemperatur
liegenden Betriebstemperatur. Ferner können Thyristoren infolge eines raschen Spannungsanstieges an
dem mittleren pn-übergang spontan durchzünden, weil infolge des raschen Aufbaues des Raumladungsgebietes ein so großer Strom durch den zwischen
der mit der Zündelektrode versehenen inneren Zone (Basis) und der benachbarten äußeren Zone (Emitter)
befindlichen pn-übergang fließt, daß der für das Zünden notwendige Grenzstromwert je Flächeneinheit
überschritten wird.. Die obenerwähnte günstige Wirkungsweise des Thyristors nach dem älteren
Vorschlag besteht nun darin, daß die vorstehend geschilderten Nachteile nur in abgeschwächtem Grad
oder überhaupt nicht auftreten, so daß der Thyristor auch bei verhältnismäßig raschem Anstieg der angelegten
Vorwärtsspannung gegen spontanes Durchzünden sperrt und seine Sperrfähigkeit in Durchlaßrichtung
auch bei höheren Betriebstemperaturen im wesentlichen erhalten bleibt. Das läßt sich nach
einer neuen Erkenntnis damit erklären, daß Einschnitte nach dem älteren Vorschlag wie ein Nebenschluß
zur steuerbaren Emitter-Basis-Strecke des Thyristors wirken. Bekanntlich läßt sich durch einen
Nebenschluß der Wirkungsgrad eines Emitters herabsetzen; schaltet man nämlich beispielsweise einen
Widerstand parallel zur Emitter-Basis-Strecke eines Transistors, so wird hierdurch seine Stromverstärkung
herabgesetzt. Dementsprechend kann man durch einen Nebenschluß von der Art des älteren
Vorschlags bei einem Thyristor erreichen, daß er auch bei steilem Spannungsanstieg nicht vorzeitig
durchzündet und bei höheren Betriebstemperaturen ähnlich hohe Vorwärtspannungen wie bei Raumtemperatur
sperrt.
An Hand der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel eines steuerbaren Halbleiterbauelementes
nach der Erfindung dargestellt ist, wird im folgenden die Erfindung näher erläutert. In
F i g. 1 ist das Querschnittsprofil eines Thyristors schematisch dargestellt;
F i g. 2 veranschaulicht die verschiedenen Halbleiterzonen in einem vergrößerten Ausschnitt aus
Fig.l;in
F i g. 3 ist ein Teil des Thyristors nach F i g. 1 vergrößert wiedergegeben;
■ F i g. 4 zeigt die obere Flachseite desselben Thyristors,
von oben gesehen, und
F i g. 5 in gleicher Sicht eine abgeänderte Ausführungsform
des Thyristors nach den Fig. 1 bis 4.
In F i g. i bezeichnet 2 eine erste beispielsweise η-leitende innere Zone. An diese Zone schließt sich
an der einen Flachseite eine p-leitende innere Zone 3
an und auf der gegenüberliegenden Flachseite eine weitere p-leitende Zone 4, die einen inneren Teilbereich
einer p-leitenden Außenzone bildet. Die p-leitenden Zonen können mittels eines bekannten
Diffusionsverfahrens oder eines anderen in der Halbleitertechnik als Epitaxialverfahren bekannten Verfahrens
hergestellt sein. Der äußere Teilbereich der p-leitenden Außenzone ist durch Einlegieren eines
Akzeptoren enthaltenden Metalls, beispielsweise einer Aluminiumfolie, die die ganze Scheibenfläche
bedeckt, hergestellt. Dadurch ist eine hochdotierte p-leitende Rekristallisationsschicht in Gestalt der
Zone 5 entstanden, die von einer als Kontaktelektrode dienenden eutektischen Aluminium-Silizium-Legierung
6 bedeckt wird. An dieser ist ein Anschlußkörper 12, der beispielsweise aus Molybdän
bestehen kann, angebracht. Die Zonen 4 und 5 bilden zusammen den p-Emitter. An die äußere Flachseite
der p-leitenden inneren Zone 3 schließt sich eine . η-leitende Außenzone an, die beispielsweise
durch Einlegieren eines Donatoren enthaltenden Metalls hergestellt sein kann. Vorteilhaft wird dazu
eine Goldfolie mit etwa 0,5 % Antimongehalt verwendet. Nach Erhitzen bis über die eutektische Temperatur
(etwa 370° C) hinaus auf etwa 700° C ist nach Abkühlung eine Rekristallisationsschicht in
Gestalt der Zone 7 entstanden, die eine hohe Donatorenkonzentration aufweist und als η-Emitter bezeichnet
wird. Die entstandene eutektische Gold-Silizium-Legierung bildet die Kontaktelektrode 8 des
η-Emitters. Ihre Gestalt und Dicke sind nach dem vollständigen Einlegieren der Goldfolie durch deren
ursprüngliche Gestalt und Dicke eindeutig bestimmt. Sie sei beispielsweise kreisförmig und habe eine Aussparung.
Auch die Rekristallisationsschicht und damit die äußere Zone 7 hat infolgedessen Kreisform
mit einer Aussparung, in der die p-leitende Zone 3 bis an die Kristalloberfläche reicht. Dort ist diese
Zone sperrfrei kontaktiert, z. B. durch Einlegieren einer borhaltigen Goldfolie. Die von dieser mit einer
entsprechenden benachbarten Siliziummenge gebildete Legierung hat eine verhältnismäßig kleinflächige
Steuerkontaktelektrode 10 erzeugt, die zum Steuern des Gleichrichterelementes dient. Alle Legierungsvorgänge
werden zweckmäßig in einem Arbeitsgang vorgenommen.
An die beiden Kontaktelektroden 6 und 8 bzw. die Molybdänscheibe 12 sei über nicht dargestellte
Anschlußteile ein Laststromkreis angeschlosesn, der nach Fig. 1 eine Wechselspannungsquelle 13 und
einen Verbraucher 14 enthalten kann. Der Steuerkreis, enthaltend eine Steuerspannungsquelle, z. B.
eine Batterie 15 und ein Hilfsschaltelement 16, das durch einen Schalter symbolisch angedeutet sei, ist
einerseits an der Steuerkontaktelektrode 10 und somit an die p-leitende innere Zone 3 (die p-Basis), andererseits
an die benachbarte Kontaktelektrode 8 des η-Emitters angeschlossen. Die Spannungsquelle 15
ist in Durchlaßrichtung des pn-Überganges Z1 (F i g. 2) zwischen den Zonen 3 und 7 gepolt. Als
Durchlaßrichtung, Vorwärtsrichtung oder Kipprichtung des ganzen Bauelementes wird die Stromrichtung
vom p-Emitter zum η-Emitter bezeichnet, in welcher der mittlere pn-übergang Z2 zunächst sperrt,
jedoch unter gewissen, oben angegebenen Voraussetzungen kippt, d. h. durchlässig wird. Die entgegen- '·,.
gesetzte Stromrichtung, nämlich vom η-Emitter zum p-Emitter, ist die Sperrichtung des Halbleiterbauelementes.
Die Sperrspannung liegt dabei im wesentlichen am pn-übergang Z3. Wird das Hilfsschaltelement
16 synchron zur Wechselspannung von 13 so gesteuert, daß in jeder positiven Halbwelle ein
Steuerimpuls der Steuerkontaktelektrode 10 zugeführt und damit ein Strom durch den pn-übergang Z1 geschickt
wird, so fließt im Verbraucherkreis Gleichstrom. Durch Verändern der zeitlichen Lage der Impulse
innerhalb des Halbwellenbereiches ist es bekanntlich möglich, den Mittelwert der Gleichspannung zu
ändern. Zu Beginn der positiven Halbwelle wird daher der mittlere pn-Ubergang X2 sperren, und es
wird sich um den sperrenden pn-übergang X2 ein
Raumladungsgebiet aufbauen, wie in F i g. 2 durch Schraffur angedeutet ist. Der Strom durch den
pn-übergang Z1 wird sich daher während des Aufbaues
des Raumladungsgebietes um den pn-ÜbergangZ2
zusammensetzen aus einem Sperrstrom und einem kapazitiven Strom, mit dem das Raumladungsgebiet
aufgebaut wird und der um so größer ist, je schneller der Aufbau des Raumladungsgebietes stattfindet,
also je steiler der Anstieg der angelegten Spannung ist. Die F i g. 3 bis 5 dienen der Erläuterung,
wie der Strom durch den pn-übergang Z1 durch eine Art Nebenschluß vermindert werden kann.
In F i g. 3 ist das Grenzgebiet zwischen der p-leitenden inneren Zone 3, der η-leitenden Außenzone 7
und deren Kontaktelektrode 8 verdeutlicht, und zwar in einem Bereich, der der Steuerkontaktelektrode 10
nicht benachbart ist. Durch das Herstellen der p-leitenden inneren Zone 3 mittels eines Diffusionsoder Epitaxialverfahrens ist erreicht, daß ihre Dotierungskonzentration
einen von innen nach außen ansteigenden Verlauf aufweist und daß ihr äußerster Teil von einem hochdotierten niederohmigen Bereich
mit einer Dotierungskonzentration von etwa 3 · 1017 oder höher gebildet wird, der bis an die Oberfläche
des Halbleiterkörpers reicht. Mittels eines Diffusionsverfahrens können in dem gewünschten Bereich Oberflächenkonzentrationen
von 8 · 1017 bis 5 · IO18 cmr3 erzielt werden. Wird ferner das nach dem Legieren
häufig angewandte Ätzen des Halbleiterkörpers auf dem Gebiet um die Steuerkontaktelektrode 10 beschränkt,
so grenzt dieser niederohmige Oberflächenbereich unmittelbar' an die Kontaktelektrode 8 des
η-Emitters. Infolgedessen besteht zwischen der Kontaktelektrode 8 und dem niederohmigen Oberfiächenbereich
der inneren Zone 3 kein hochsperrender Übergang, sondern eine leitende, mit verhältnismäßig
niedrigem Widerstand behaftete Brücke, über die, mit dünnen Linien angedeutet, Teile des Sperrstromes
und des kapazitiven Stromes fließen können.
Besondere Vorteile bietet eine solche Überbrükkung, wenn sie über die ganze Flachseite des Thyristors
möglichst gleichmäßig verteilt ist. Das kann, wie beispielsweise aus F i g. 4 ersichtlich, durch Verlängern
der Randlinie der äußeren Zone 7 erreicht werden. Da deren Gestalt und Dicke nach dem vollständigen
Einlegieren der Donatoren enthaltenden Folie, z. B. einer Gold-Antimon-Folie, durch ursprüngliche
Gestalt und Dicke dieser Folie eindeutig bestimmt sind, versieht man sie vor dem Einlegieren
mit Einschnitten, beispielsweise mittels einer Schere, so daß nach dem Einlegieren die Kontaktelektrode 8
und die äußere Zone 7 außer der Aussparung für die Steuerkontaktelektrode 10 Einschnitte 11 aufweisen,
die sich vom Rande aus nach innen er-
Claims (12)
1. Steuerbares Halbleiterbauelement mit einem scheibenförmigen einkristallinen Halbleiterkörper
und mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von denen die beiden
äußeren Zonen (4, 5 und 7) und ihre Kontaktelektroden (6 und 8) schichtförmig auf den beiden
Flachseiten des Halbleiterkörpers angeordnet sind, bei dem eine Steuerkontaktelektrode (10)
für die eine innere Zone (3) in einer Aussparung in der benachbarten äußeren Zone (7) angeordnet
ist, bei dem die der kontaktierten inneren Zone (3) benachbarte äußere Zone (7) in Scheibenebene
mindestens einen langgestreckten Einschnitt (11) aufweist, in dem die kontaktierte
innere Zone (3) an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt, und bei dem die kontaktierte
innere Zone (3) an der nicht kontaktierten Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Dotierungskonzentration
von mehr als 3 · 1017 cm~3 hat, dadurch gekennzeichnet, daß jeder
Einschnitt (11) in der äußeren Zone (7) von der Aussparung für die Steuerkontaktelektrode (10)
räumlich getrennt angebracht ist und eine Länge von der Größenordnung der linearen Abmessungen
der äußeren Zone (7) in Scheibenebene aufweist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Einschnitt
(11) vom Rand der äußeren Zone (7) nach innen erstreckt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der der
kontaktierten inneren Zone (3) benachbarten äußeren Zone (7) mehrere wenigstens annähernd
gleichmäßig über diese Fläche verteilte Einschnitte (11) aufweist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtfläche der
der kontaktierten inneren Zone (3) benachbarten äußeren Zone (7) eine zusammenhängende Fläche
ist.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einschnitt (11)
eine mittlere Breite von 0,2 bis 5 mm, insbesondere von 0,3 bis 0,8 mm, hat.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper
eine kreisrunde Scheibe ist und die Länge jedes Einschnittes (11) mindestens ein Fünftel und
höchstens die Hälfte des Scheibendurchmessers beträgt.
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kontaktierte innere
Zone (3) an der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine Dotierungskonzentration im Bereich von
8 · 10" bis 5 · 1018 cm-s hat.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung in
der äußeren Zone (7) für die Steuerkontaktelektrode (10) an der inneren Zone (3) die Randlinie
der benachbarten äußeren Zone (7) nicht schneidet und durch einen weiteren Einschnitt (17) mit
den durch die äußere Zone (7) an der Oberfläche getrennten Teilen der inneren Zone (3) verbunden
ist.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Oberfläche
der mit Einschnitten versehenen Kontaktelektrode (8) an der äußeren Zone (7), auf dem
sie umgebenden Randstreifen der äußeren Zone (7) und auf den in den Einschnitten (11) freiliegenden
Oberflächenteilen der kontaktierten inneren Zone (3) ein elektrisch leitender Überzug
befindet.
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug aus
aufgedampftem Gold besteht und weniger als 1 μ, vorzugsweise etwa 0,1 μ, dick ist.
11. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß in eine äußere Zone von gegebenem Leitfähigkeitstyp des Halbleiterkörpers eine mit
einer Aussparung und mit mindestens einem von der Aussparung räumlich gesondert angebrachten
Einschnitt versehene Folie aus einem Werkstoff, welcher einen den entgegengesetzten Leitungstyp
bewirkenden Dotierungsstoff enthält, einlegiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine äußere p-leitende
Zone des Halbleiterkörpers eine mit einer Aussparung und mindestens einem von der Aussparung
räumlich gesondert angebrachten Einschnitt versehene Goldfolie mit etwa 0,5% Antimongehalt
einlegiert wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen nnp 548/307
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