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Halbleiterbauelement mit mindestens einer Emitter-Basis-
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Struktur, deren Emitterwirksamkeit bei kleinen Stromdichten klein
ist und in einem gewünschten höheren Stromdichtebereich stark ansteigt Technisches
Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit mindestens einer
Emitter-Basis-Struktur, deren Emitterwirksamkeit bei kleinen Stromdichten klein
ist und in einem gewünschten höheren Stromdichtebereich stark austeigt.
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Stand der Technik Es ist bekannt, daß für die Sperr-, Schalt- und
Durchlaßeigenschaften von Thyristoren die Stromabhängigkeit der Stromverstärkungsfaktoren
der Teiltransistoren von großer Bedeutung ist. Bei kleinen Strömen, wie sie bei
du/dt-Belastung im Vorwärtssperrbereich als kapazitiver Strom und bei Wiederkehr
der positiven Spannung nach Umkommutierung aus der Durchlaßphase infolge der noch
vorhandenen Restladung auftreten, soll die Summe der Stromverstärkungsfaktorcn αPNP
+ a NPN der Teiltransistoren wesentlich kleiner als 1 sein, damit der Thyristor
durch diese Ströme nicht in den leitenden Zustand versetzt wird. Auch das Sperrvermögen,
vor allem in Vorwärtsrichtung, ist bei gegebenen anderen Dimensionnierungen um so
größer, je kleiner die Stromverstärkungsfaktoren bei den auftretenden Sperrströmeij
sind. Bei den in der Durchlaßphase auftretenden größeren Stromdichten soll die Summe
αPNP + αNPN der an den ungesättigten Teiltransistoren definierten Stromverstärkungsfaktoren
den
Wert 1 dagegen möglichst weit übersclxreitell, damit die Durchlaßverluste klein
sind. I3ci dcii durch negativen Steuerstrom ausschaltbaren G'rO-Thyristoren bestimmt
der a-Verlatif auch die hicrfür spezifischen Ausschalteigenschaften, zusätzlich
zum Zündverhalten, der du/dt-Festigkeit, den Sperreigenzschaften und der Durchlaßspaiinung.
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Die Stromverstärkungsfaktoren in Silizium-Baueiemeiit en zeigen an
sich schon bei kleinen Strömen einen Anstieg mit der Stromdichte, der jedoch bei
so kleinen Stromdichten (10-6 bis 10-3 A/cm²) erfolgt, daß ein Thyristor mit diesem
natürlichen Verlauf der Stromverstärkungsfaktoren bei weitem zu zündempfindlich
ist (Iclcine dU/dt-i'estigkelt große Freiwerdezeit, verkleinerte Sperrbelastbarkeit).
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Es ist bekannt, daß der Anstieg von «PNp + aNPN in den gewünschten
Bereich höherer Stromdichten verlegt werden kann (10-2 bis 100 A/cm²), indem die
Steuerbasis mit dem benachbarten Emitter in einem System von Shortungsstellen kurzgeschlossen
wird. Tritt im Vorwärtssperrzustand eine zeitliche Spannungserhöiiung dU/dt auf
1 so kann der kapdzitive Löclierstrom bis zu einer gewissen Grenze einer die Shortungsstellen
abfließen, ohne daß der pn-Übergang zwischen Emitter und Steuerbasis so weit vorwärts
gepolt wird, daX der Thyristor zündet. Aucli eine Verkürzung der Freiwerdezeit wird
durch die Shortung erreicht, da bei Wiederkehr der positiven Spannung nach Umkommutierung
ein Teil der in der Struktur noch vorhandenen Löcher ebenfalls in die Shortungsstellen
abfließen kann und somit nicht zum 'v'ieSerzünden beiträgt. Im Prinzip wird durch
die Shortung der effektive Stromverstärkungsfaktor αNPNeff des NPN-Teiltransistors
bei kleinen Strömen praktisch gleich Null gemacht, während αNPNeff bei größeren
Strömen schnell auf den ohne Shortung gegebenen Wert ansteigt (Solid State Electe.
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Bd. 3, 1965, S. 655-671).
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Dic Shortung bringt jedoch auch Nachteile mit sich. Ihre Wirksamkeit
nimmt ab mit dem Flächenwiderstand der P-Basis, den man aus verschiedener. Gründen
(N-Emitterwirksamkeit Ausräumen der Ladung beim Umkommutiercn, Vorwärtssperrvermögen)
vorzugweise größer als 200 # wählt. Zur Erreichung einer genügenden Shortungswirksamkeit
muß der Abstand der Shortungspunkte daher klein gewählt werden, z. 13. 500 µm.
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Da der in ei nein bestilnlntell Umkrcis um die Shortungsstellen gelegene
Teil des N-Emitters bei Durchlaßbelastung nicht odcr nur sehr wenig zur Stromfiihrung
bei trägt, wird dadurch zunächst schon die Flächenausnutzung der Dauelemente reduziert.
Ein wesentlicher Nachteil einer sehr dichten Shortung ist besonders, dan dadurch
die Züiidausbreituiig beim Ei Einschalten verlangsamt und behindert wird, derart,
daß die gezündete Fläche sich bei einer Erhöhung des Laststromes sprunghaft ausdehnt,
wodurch sogenannte "springende" Kennlinien entstchen. Ein anderer Nachteil besteht
darin, daß beim Umkommutieren während der negativen Spannungsphase die P-Zonenbereiche
unter den Shortungsstellen Löcher injizieren, so duß die Ausschltverluste vergrößert
werden und es bei sehr schnellem Umkommutieren durch Aufschmelzen eines Kanals in
dem Halbleiterbereich unter den Shortungsstellen zur Zerstörung des Bauelements
kommen kann (Forschungsbericht T76-24, Bundesministerium f. Forschung und Technologie,
Dez. 1976).
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Einc starke Shortung an den Emitterrändern, die fiir eine Störzündung
bei dU/dt- Belastung und bei Wiederkehn der positiven Spannung nach Kommutierung
besonders kritisch sind, hat außerdem den Nachteil, daß der zuiii Zünden erforderliche
Steuerstrom zu stark heraufgesetzt wird.
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Aus diesen Gründen ist die Verdichtung der Shortung bcj.
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Thyristoren für eine Herabsetzung der Freiwerdezeit unter ciil bestimmtes
Maß und cinc Erhöhung der dU/dt-Festigkeit t
über eine bestimmte
Grenze kein geeignetes Mittel mehr.
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Bei Thyristoren, die durch negativen Steuerstrom ausschaltbar siii<i
(GTO' 5) oder deren Freiwerdezeit durch negativen Steuerstrom verkürzt werden kann
(GATO-Thyristoren, gate assisted turn-off) ist eine Shortung der Steuerbasis mit
dem benachbarten Emitter an sich schon zur Kontrolle des Stromverstärkungsfaktors
ungeeignet, weil dadurch der negat4ve Steuerstrom weitgehend unwirksaln gemacht
wird. Die Tatsache, daß man den Stromverstärkungsfaktor a NPN über der Steuerbasis
beim GTO-Thyristor nicht durch Shortung bei kleinen Stroiiidi eht en klein und erst
bei höheren Stromdichten stark ansteigen lassen kann, wirkt sich auf die dU/dt-Belastbarkeit
sowie auf den zulässigen Spannungsanstieg bein1 Ausschalten des Bauelementes nachteilig
aus, und zwar insbesondere auf die Heißwerte dieser Größen. Weiter hat sie zur Folge,
daß das Vorwärtssperrvermögen UBO beim GTO-Thyristor kleiner ist als die maxima
e Rückwärtssperrspnxlnung UPiV. Eine Shortung des P-Enijtters init der auf schwimmendem
Potential befindllichen N-Basis zieht den Verlust des Rückwärtssperrvermögens nach
sich.
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flei Thyristoren mit inversem Schichtaufbau (schwach dotierte P-Hauptbasiszone,
N-Steuerbasiszone) ist der erwähnte, auf die Shortung zurückgehende Zerstörungsmechanismus
schon bei relativ kleinen Ausschltbelastungen wirksam.
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Unter anderem aus diesem Grunde hat sich der Thyristor mit inversem
Schichtaufbau bisher in der Praxis nicht eiligeführt, obwehl ein solcher Thyristor
ohne Shortung gegeneiner dem konventionellen Schicht aufbau den Vorteil eines schnelleren
und verlustärmeren Ausschaltens aufweist (Forschungsbericht T76-24, Dez. 1976, Bundesministerium
f. Forschung und Technologie).
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Es ist weiter bekannt, daß man die Freiwerdezeit reduzieren und die
dU/dt-Belastbarkeit heraufsetzen kann, indem man durch Einbringen von Rekombinationszentren
die Minorität st rägerlchensdaucr verkleinert. Eine Verringerullg der Minoritätsträgerlebensdauer
unter eine bestimmte Grenze hat jedoch den Nachteil hoher Durchlaßverluste. Ein
Bekombinationszentrurn, das schon durch die Variation der LebCIIS-dauer den gewünschten
Anstieg der Stromverstärkungsfaktoren bewirkt, ist bisher nicht bekannt.
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Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement
mit mindestens einer Emitter-Basis-Struktur zu schaffen, deren Emitterwirksamkeit
bei kleinen Stremdicht en klcin ist und in einem gewünscht en höheren Stromdichtebereich
stark ansteigt, wobei eine Shortung nicht erforderlich ist, jedoch zusätzlich vorgesehen
sein kaiin.
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Lösung Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen
der Emitterzone und Basiszone der Emitter-Basis-Struktur eine Zone angeordnet ist,
deren Dotierungskonzentration klein ist gegen die Dotierungskonzentration der benachbarten
Emitter und Basiszonen.
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Vorteile Dic durch die Erfindung erzielten Vorteil bestehen insbesondere
darin, daß bei einem Thyristorbauelement infolge des Wegfalls der Shortung die Zündausbreitung
beim Einschalten schneller und nicht mehr sprunghat t erfolgt so daß die Durchschaltgeschwindigkeit
erhöht wird und "springende" kennlinien nicht mchr auftreten. Infolge Wegfal is
der nicht stromführenden Bereiche um die Shortungsstellen ist das Bauelement bei
gegebener Fläche mit einem höheren Durchlaßstrom belastbar. Ein weiterer Vorteil
besteht
darin, daß beim Umkommtieren während der negativen Spannungsphase
nun der an die Shortungsstellen gebundene Transistormechanismus nicht mehr auftritt,
so daß das Bauelement durch Vermeidung der Stromkanäle eine höhere Aus schaltverlustarbeit
verträgt. Zusätzlich wirkt sich vorteilhaft aus, daß während dieser Betriebsphase
durch Shortungsstellcn keine Ladungstriger injiziert werden, so daß die Ausschlaltverlustarbeit,
die Rückstromspitze und das Rückstromzeitintegral verkleinert werden. Die Heraufsetzung
des Sperrvermögens durch die erfindungsgemäße Zone verstärkt den vorstehend beschriebenen
Effekt infolge späteren Einsatzes der Lawinenbilduiig bei Erreichen der Sperrspannung
der Emitter-Basis-Struktur. Eir weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der erfindungsgemä.ßen
Struktur mit einer weitmaschigen Shortung dyiiainische Eigenschaften zu erzielen
sind (dU/dt-Festigkeit, Freivterdezeit), die bei bekaiinteii Thyristoren nur durch
eine sehr diclite Shortung mit dcii erwähnten Nachteilen erreichbar sind. bei durch
negativen Steuerstrom ausschaltbaren Thyristoren (GT0) und Thyristoren, deren Freiwerdezeit
durch negativen Steuerstrom verkiirzt werden kann (GATO), und bei denen sich eine
kathodenseitige Shortung verbietet, ist es nunmehr erst möglich, den Stromverstärkungsfaktor
des steuerbasisseitigen Teiltransistors bei kleineren Stromdichten klein zu machen
und in einem gewünseliton Stromdichtebereich stark ansteigen zu lassen. Dadurch
wird die dU/dt-Belastbarkeit sowie der zulässige Spannungsanstieg beim Ausschalten
dieser Bauelemente erhöht. Durch die Abnahme der Summe der beiden St romvcrstärkunSsfa:ctorcll
Init abnehmendem Strom wird bei gegebenem Durchlaßspannungsabfall auc die Ausschaltverstärkung
erhöht. Auch rückt das Vorwärtssperrvermögen des GTO-Tliyristors und des GATO-Thyristors
an das IiLickwärtssperrverliögen heran und zeigt eiiie erhöhte Temperaturstabilität.
Die Erfindung ist audi mit Vorteil auf Thyristoren mit inversem Schichtaufbau anwend-
bar.
Die genannten Vorteile ergeben sich ohne Shortung und oline die Anwendung einer
so hohen Rekombinationszentrendichte, daß überhohte Durchlaßverluste entstehen.
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Darstellung der Erfindung Dic Erfindung wird naciistehend aniiaiid
von in der Zeiciiiiujig schematisch dargestellten Ausführungsbeispispielen näher
erläutert. Es zeigeIi Fig. 1 einen Teilquerschnitt einer Thyristorstruktur nach
der Erfindung mit dem zugehörigeii Verlauf der Dotierungskonzentrationen und der
Minoritätsträgerkonzentrationen bei Belastung im Vorwärtssperrbereich, Fig. 2 in
einem Diagramm das Verhältnis der Minoritätsträgerkonzentration in der erfindungsgemäßen
Zone schwacher Dotierung zur Minoritätsträgerkonzentration in der Basiszone an der
Emitterseite als Funktion der crstcrcn Minoritätsträgerkonzentration, Fig. 3 ein
Diagrainiii, in welchem die Abnahme des Elektro neiistroms in Richtung von. Emitter
zum Kollektorübergang bei einer kleinen und einer hoiicii Stroiiidichte dargestellt
ist, Fig. 4 ein Diagramm mit dem Verlauf der Emitterwirksamkeiten bei einem bekannten
geshorteten Emitter und der erfindungsgemäßen Ausbildung mit der zwischen Emitter
und Dasiszone angeordneten schwach dotierten Zone ohne Shortung, Fig. 5 ein Diagramm
mit den emitterwirksamkeiten bei einem bekannten geshorteten Emitter, einer erfindungsgemäßn
Struktur online Siiortung uiid einer erfindungsgemäßen Struktur mit Shortung, Fig.
6 einen Teilquerschnitt einer Thyristorstruktur mit PNN-Basis und der erfindungsgemäßen
Zonc schwacher Dotierung zwischen kathoden- und anodenseitigem Emitter und den jeweils
benachbarten Basiszonen,
Fig. 7 einen Teilquerschnitt einer Thyristorstruktur
nach der Erfindung mit mesaförmiger Ausbildung der gateseitigen und äußeren Randzone,
Fig. 8 einen Teilquerschnitt einer planaren Thyristorstruktur nach der Erfindung,
Fig. 9 einen Teilquerschnitt einer Transistorstruktur mit der erfindungsgemäßen
Zone schwacher Dotierung zwischen Emitter und Basiszone.
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Fig. 10 ein Diagramm zum Stromverstärkungsfaktor d.Transistors Wie
aus Fig. la ersichtlich, besteht die erfindungsgemäße Thyristorstrulctur aus einer
N -Emitterzoiie 1 einer P-Steuerbasiszone 2, einer zwischen den Zonen 1 und 2 angeordneten
I-Zone 3 mit wesentlich schwächerer Dotieruiigskonzcnt ration, einer N-Hauptbasiszone
4 und einer P-Emitterzone 5. Die äußeren Zonen 1 und 5 sind init einem metallischen
Katiloden-und Anodenkontakt 6, 7 versehen. Im Gegensatz zu den üblichen Thyristoren
sind Kurzschlüsse der N+-Emitterzone 1 mit der P-Steuerbasiszone 2 (Shortungsstellen)
nicht vorhanden.
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Wie aus dem Verlauf der Dotierungskonzentration in Yig. Ib ersichtlich,
ist die Dotierungskonzentration ND+(3) der erfin<iungsgemäßen I-Zone 3 klein
gegen die Doticrungskonzentration NA (2) und ND+(1) der benachbarten P-Steuerbasis-und
N+ -Emitterzonen. Die schwach dotierte I-Zone 3 ist als n-leitend angenommen, sie
kann jedoch auch p-lcitcnd sein.
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Wesentlich ist nur, dab die Zonen 2, 3 urd 1 eine unsymmetrische PSN-Struktur
darstellen. Die Zonen 1, 2, 4 und 5 weisen an sich bekannte Vorteilungen der Dotierungskonzentration
auf. Die Dotierungskonzentration NA - (2) der P-Steuerbasiszone 2 reicht in die
Größeiiordnung 1016/@@3 bis 1017/cm³.
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Die vorstehend und nachfolgend in Klammern nachgestellten Ziffern
verweisen auf die entsprechenden Zonen.
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In Fig. ib sind weiter die Minoräts- und Majoritätsträgerkonzentrationen
in den Zonen der vorwärtsgepolten Thyri atorstruktur für den Fall eingetragen 1
daß die beiden Teiltransistoren dcs Thyristors sich im ungesattistell Zustand befinden.
Es ist angenommen, daß die Minoritätsträgerkonzentration p(3) in der 1-Zone 3 wesentlich
größer ist als die Dotierungskonzentration ND + (3), do daß die Minoritätstragerkonzentration
p(3) nur wenig kleiner ist als die Majoritätsträgerkonzentration n(3) = p(3)+ND+(3)
der Zone 3.
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Die Minoritätsträgerkonzentrationen n(2) in der P-Basiszonc 2 und
p(1) in der N+-Emitterzone 1 sind klcin gegen die Dotierungskonzentrationen NA -
(2) bzw. ND + (1). Die Werte von NA - (2) und n(2) in der Zone 2 am Rand zur I-Zone
3 hin sind mit NA-R(2) bzw. nR(2) bezeichnet. Dargestellt sind auch die Minoritäts-
und Majoritätsträgerkonzentrationen n(1i) , p(4) und die Dotieurungskonzentration
ND + (4) in der N-Hauptbasiszone 4 sowie die Minoritäts- und Majoritätsträgerkonzentrationen
n(5), p(5) in der P-Emitterzone 5.
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Aus der Fig.2 ist ersichtlich, wie das Verhältnis der Minoritätsträgerkonzentration
p(3) in der I-Zonc 3 zu der Minoritätsträgerkonzentration nR(2) in der P-Basis-Zone
2 am emitterseitigen Rand zur I-Zonc 3 von der Alinoritätsträgerlconzentration p(3)
abhängt. Der dargestellte Verlauf ergibt sich untcr Benutzung der Gleichung
die unter der Voraussetzung gilt, daß das Produkt np aii den Dotierungsübergängen
konstant ist. Wie ersichtlich.
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ist bei überall schwacher Injektion die Minoritätsträgerkonzentration
p(3) in der 1-Zone 3 um das Dotierungsverhältnis NA - R(2)/ND + (3) an dem N+I-Emitter-P-Basis-Übergang,
das z.B. gleich 350 ist, größer als die Minoritätsträgerkonzentration nR(2) in der
P-Zone 2 am Rande
zur I-Zonc hin. Vom Bereich überall schwacher
Injektioii über den Bereich hoher Injektion in der I-Zone 3 bis zum ßereicii hoher
Injektion in der I-Zone 3 und der T-Zone 2 nimmt p(3)/nR(2) von NA - R(2)/ND + (3)
über NA - R(2)/p(3) bis auf 1 ab. Aus der Figur geht auch hervor, daß die stärkste
Abnahme in dem Bereich hoher Injektion in der I-Zone 3, aber noch schwacher Injektion
in der P-Zone 2 erfolgt.
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Ein analoger Verlauf gilt fiir das Veriiältiiis der Minoritätsträgerkonzentration
p(3) zur Minoritätsträgerkonzentra tion PR(1) in der N+-Zone 1 am sande zur T-Zonc
3 hin.
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Daraus, daß die Dotierungskonzentration ND + (3) in der I-Zone 3 klein
ist gegen die Dotierungskonzentrationen NA (2), ND + (1) <1er benachbarten Zonctl,
folgt also, daß das Verhältnis der Minoritätsträgerkonzentration in der I-Zone 3
zu den Minoritätsträgerkonzentrationen in den benachbarten Zoiieii 1 und 2 bei klcincii
Strömen groß ist und mit steigendem Strom abnimmt.
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Durch die Minoritätsträgerkonzentration nR(2) ist der vom N+I-Emitter
1, 3 in die P-Zone 2 injizierte Elektronenstrom jnR(2) bestimmt. Aus den Minoritätsträgerkonzentrationen
p(3) und nR(1) ergeben sich durch Divison mit der Minoritätsträgerlebensdauer und
Integration die Rekombinationsstromdichten jr(3) und jr(1) der Zonen 3 und 1. Die
Gesamtstromdichte j ist gleich der Summe von jnR(2), jr(3) und jr(1). Aus der Abnahme
des Verhältnisses p(3)/n (2) (Fig. 2) folgt auch eine Abnahme des Verhältnisses
des Rekombinationsstroms jr(3) in der I-Zone 3 zum Injektionsstrom jnR(2) mit steigender
Injektion.
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Die Verhältnisse werden anhand der fig. 3 näher erläutert in welcher
die Abnahme der Elcktronenstrolndichtc von der N+-Emitterzone 1 bis Kollektorsperrschicht
zwischen P-Steuerbasiszone 2 und N-Hauptbasiszone 4 (x = 0) darge-
stellt
ist. Bei einer großen Stromdichte j2 (100 A/cm²) nimmt der Elektronenstrom jn2 bis
zur Kollektorsperrschicht (x = 0) nur relativ wenig ab; insbesondere ist die Abnahme
des Elektronenstromes jn über der I-Zone 3 um den Rekombinationsstrom jr2(3) gering.
Bei der Stromdichte 10-2 A/cm² ist die Abnahme des Elektronenstromes um den Rekombinationsstrom
jr1(3) über der I-Zone 3 jedoch so groß, daß der in die P-Steuerbasiszone 2 injizierte
Elektronenstrom jnR(2) und der Kollektorsperrschicht bei x = 0 ankommende Elektronenstrom
jn1 klein gegen die Gesamtstromdichte j1 ist.
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Daraus folgt, daß die Emitterwirksamkeit des aus den Zonen 1 und 3
gebildeten N+ I-Emitters
in dem technisch besonders interessanten Stromdichtebereich 10-2 A/cm² # j # 10²
A/cm² mit der Stromdichte stark ansteigt. Dicscr Anstieg erfolgt durch die relativ
Abnahme des Rekombinationsstroms jr(3) in der Zone 3.
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Setzt man für eine annäheinde Beschreibung die Injektion in der P-Basiszone
2 als schwach voraus, so ist die Emitter wirksamkeit des N+I-Emitters 1, 3 gegeben
durch
wobei w die Dicke der Zone 3, # die Minoritätsträgerlebensdauer und ii = P + ND+
die Majoritätsträgerkonzentration in der I-Zone 3 bedeuten, während h(2), h(1) Injektionsparameter
der P-Basiszone 2 und der N+-Emitterzone 1 sind die so definiert sind, daß der Injektionsstrom
jnR(2) in die
P-Basiszone 2 durch jnR(2) = q h(2)NA - R(2)nR(2)
(4) = g h(2)p(3)n(3) und der Injektionsstrom in die N+ -Zone 1 analog gegcbcii ist
(q F,1 ement arladung) . Bezüglich der Injektionsparameter wird atif die Zcitschrift
"Sol. State Electr., Ud. 22, 1979, S. 299-301", verweisen. Für eine homogen dotierte
P-Basiszone 2 ist
wobei NA-, Dn, Ln Dotierungskonzentration, Elektronendiffusionskoeffizient und Elektronendiffusionslänge
in der P-Basiszone 2 bedeutet und w deren Dicke bezeichnet.
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Gleichung 3 stellt die Emitterwirksamkeit γ des N+I-Emitters
als Funktion der Majoritätsträgerkonzentration n in der I-Zone 3 dar. γ steigt
mit zunehmenden n(3) an, und zwar von dem unteren Grenzwert
bis maximal zu dem Wert
der ohne I-Zone 3 die Emitterwirksamkeit darstellt. Bei der Majoritätsträgerkonzentration
nimmt γ den Mittelwert (γ0 + γ#)2 an.
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Als Funktion der Gesamtstromdichte j ist die Emittcl-wirksainkeit
des N+I-Emitters gegeben dtlrcìl
Bei der Stromdichte j1/2 = 2q#[(h(2) + h(1)](ND + (3) + w(3)/[h(2) + h(1)])² (10)
ist γ = (γ0 + γ#)/2. In der Umgebung dieser Stromdichte ist der
Anstieg der Emitterwirksamkeit am stärksten.
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Die in Fig. 4 darstellte Emitterwirksamkeit γ als Funktion der
Stromdichtc j crgibt sich für die Verläufe A und U aus Gleichung 9. Die Verläufe
C uiid D gelten fiir einen geshorteten Emitter nach dein Stand der Technik, wobei
C die maximale Emitterwirksamkeit γShmax an den von den Shortungsstellen am
weitesten entfernt liegenden Punktion und der Verlauf D die über die Fläche gemittelte
Emitterwirksamkeit #Sh darstellt. Bei allen Strukturen wurde für die Injektionsparameter
h(2) = 10 h(1) = 5 x 10-13 cm4/s zugrunde gelegt, wobei der h(2)-Wert einem Flächenwiderstand
der P-Zone 2 von 500 # entspricht, der in die Verläufe C und D eingeht. Weiter gilt
die Darstellung für folgende Bemessungsgrößen: Verlauf A: Rekombinationsgescwindigkeit
w/#(3) = 100 cm/s Dotierungskonzentration ND + (3) = 5 x 1014/cm³ Verlauf B: Rekombinationsgeschwindigkeit
w/#(3) = 3000 cm/s Dotierungskonzentration ND + (3) = 1 x 1014/cm³ Verläufe C und
D: Abstand der Shortungsstellen 2R = 500µm
Eine Rekombinationsgeschwindigkeit
von 1000 cm/s bei Verlauf A küllll nlit ei iier Dicke w von etwa 1 bis 5 zum und
einer Minoritätsträgerlebensdauer von 0,1 µs bis 0,5 µs eingestellt werden. Bei
Verlauf 13 wählt man beispielsweise eine Dicke w von 1 µm bis 10 µm bei einer Minoritätsträgerlebensdauer
von 0,033 µs bis 0,33 lis, um auf eine Rekombinationsgeschwindigkeit von 3000 cm/s
zu kommen.
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Wie ersichtlich, nimmt die Emitterwirksamkeit in der N+IP-Struktur
(Verläufe A, B) in dem technisch für Thyristoren interessanten Stromdichtebereich
von 10-2 bis 100 A/cm² stark zu. Bei einer Thyristorstruktur nach Fig. 1 ist somit
ohne Shortung eine hohe dU/dt-Festigkeit und kleine Freiwerdezeit bei kleinem Durchlaßspannungsabfall
erreichbar. Wie die Beispiele A und B zeigen, kann der Bereich des starken Anstiegs
der Emitterwirksamkeit γ durch die Auslegung der Zone 3 nach Wunsch gewihlt
werden. In dem Beispiel B ist γ für kleine Ströme nahezu gleich Null, wodurch
bei einer Thyristorstruktur nach Fig. 1 zusätzlich der Vorteil erreicht wird, daß
das Vorwärtssporrvermögen gleich dem Sperrvermögen in Rückwärtsrichtung ist. Bei
der Bewertung des langsameren Anstiegs von γ in der erfindungsgemäßen Struktur
gegenüber deiii geshorteten Emitter ist zu berücksichtigeii, daß bei dicsem für
eine Zündujig die maximale Emitterwirksamkeit an den von den Shortungspunkten am
weitesicn entfernten Stellen maßgebend ist (Vcrlauf C, Fig. Z während es für die
Schnelligkeit des Durchziindens und für die Durchlaßspannung mehr auf die über die
Elementfläche gemittelte Emitterwirksamkeit (Verlauf D, Fig. 4) ankommt, die wesentlich
kleiner als maximale Emitterwirksamkeit (Abstand PC-PD, Fig. 4) ist. Bei einer homogenen
Aufzündung der erfindungsgemäßen Struktur entfällt dieser Unterschied.
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Während die Injektionsparameter h(2) und h(1) im allgemeinen so einzustellen
sind, daß γ# nahe an 1 herankomm'r. (Gleichung
7), sind
die Rekombinationsgeschwindigkeit w/#(3) und Datierungskonzentration ND + (3) der
Zone 3 so auszulegen, daß γ0 (Gleichung 6) wesentlich kleiner als γ#
ist und der Anstieg von γ in dem gewünschten Stromdichtebereich erfolgt. Um
vorgegebene Werte für γ0, γ# und J1/2 zu bekommen, ist w/#(3) und ND+(3)
nach folgenden Glcichungen zu wählen:
Besonders wichtig ist dabei der Fall Die Rekombinationsgeschwindigkeit w/#(3) ist
dann nach Gleichung 11 durch die Stromdichte j1/2 des stärksten Anstiegs γ
bestimmt, ND + (3) ist nach Gleichung 12 proportional γ0 und w/#(3). Soll
γ0 < 1/2γ# sein, so muß nach den Gleichungen 6 und 7 w/#ND + (3)
< h(2) + h(1) sein.
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Der Wert yX = h(2)/ Lli(2) + h(1)j kann praktisch bis zum Übergang
von schwacher zu hoher Injektion in der P-Basiszone 2 [n(3)#NA - R(2)] niciit ganz
erreicht werden. Da die Variation von p(3)/nR(2) und der darauf zurückgehende Anstieg
von t beim Übergang zu hoher Injektion iii der P-Basis zone 2 schwach wird (Fig.
2), ist jedoch im allgemeinen zu fordern, daß æ bei n(?) = NA - R(2) in Gleichung
3 wenigstans die Größenordnung von γ# erreicht, da sonst die Zwischenzone
3 den Stromverstärkungsfaktor bei hohen Strömen ZU sehr reduziert. Verlangt man
γ[n = NA - R(2)]# γ#/2, so folgt aus Gleichung 3 die Bedingung w/#(3)
<[h(2) + h(1)]NA - R(2).
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Insgesamt soll die Auslegung der Zone 3 delullaell die Uedingung [h(2)
+ h(1)]ND+(3)#w/#(3)<[h(2) + h(1)] NA - R(2) erfüllen.
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Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich also, daß durch Einstellung
der Dotierungskonzentration ND + (3), der Dicke w(3) und der Minorstätsträgerlebensdauer
# (3) der schwach dotierten Zone 3 erreicht ist, daß dcr von der Emitterzone 1 injizierte
Elektronen- oder Löchorstrom bei kleinen Stromdichten j1 zu einem wesentlichen Teil
[jr1(3)] durch Rekombination in der schwach dotierten Zone 3 verschwindet uii<l
bei großen Stromdichten j2 weniger verandert die sc:iwacii doticrtc Zone 3 und die
anschließende Basiszone 2 durchfließt (Fig. 3).
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Die erfindungsgemäße I-Zone kaiin bei Thyristoren auch zusammen mit
der an sich bekannten Shortung verwendet werden.
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Durch diese Kombination ist ein weiterer Freiheitsgrad in der Kontrollierbarkeit
von Stromverstärkungsfaktoren gegebeii. Durch rille relativ weitmaschige Shortung
lassen sich so in Verbindung mit der 1-Zone 3 Schalteigenschaften (dU/dt-Belastbarkeit,
Freiwerdezeit) erzielen, die ohne die Zoiic 3 nur mit einer sehr viel dichteren
Shortung und den damit verbundenen Nachteilen erreicht werden können. Dies wird
nachstehend anhand der Fig. 5 erläutert, in der für drci Beispiele die Emitterwirksamkeit
als Funktion der Strontlichte dargestellt ist, wie bei den in Fig. 4 zugrundegelegten
Strukturen sind für die Injektionsparameter der P-Basiszone 2 und der N+-Emitterzone
1 die werte h(2) = 10h(1) = 5 x 10 cm/s und für den Flächenwiderstait<i der P-Basiszone
2 cin Wert von 500 # gewählt Der Verlauf E gilt für die erfindungsgemäße Struktur
ohne Shortung, wobei für die I-Zone 3 das Verhältnis der Dicke zur Minoritätsträgerlebensdauer
w/t(3) = 2000 cm/s und die Dotierungskonzentration ND + (3) = 1015/cm³ gesetzt wurde.
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Wie ersichtlich ist die Emitterwirksamkeit r fiir klcine Ströme #
0,2 und steigt ab etwa 1 A/cm² stark an.
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Um ein möglichst hohes Sperrvermögen einer Thyristorstruktur nach
Fig. 1 zu erhalten, ist es erforderlich, dcii Stromverstärkungsfaktor des steuerbasisseitigen
Teiltransistors für kleine Ströme (Sperrströmc) bis nahe Null zu verringern. Dies
wird bei der erfindungsgemäßen Struktur durch einc weitmaschige Siiortung erreicht,
wie aus dem Verlauf F hervorgeht, dem ein Abstand der Shortungsstellen voll 2 mm
zugrunde gelegt ist. Dic Stromdichtegrenze j = 5 x 10 A/cm, untcrhalb der γ
praktisch verschwindet ist für eine Stel lisieruiig der Sperreigenschaften groß
genug. Die Stromdichte, bei der die Emitterwirksamkeit im Falle F Werte (# 0,5)
erreicht, die zu einer Zündung des Thyristors führen, da die Summe der Stromverstärgungsfaktoren
den Wert 1 überschreitet, liegt dagegen um etwa zwei Zehnerpotenzen höher. Daher
wird trotz der geringen Shortung eine hohe dU/dt-Festigkeit und eine kleine Freiwerdezeit
erreicht. Demgegenüber ergibt sich aus dcni Verlauf G fiir den in glcicher Weise
geshorteten L'mi ttcr ohne die l-Zoiie 3, den die Zündbedingung bei wesentlich kleineren
Stromdichten (# 0,2 A/cm²) erreicht wird. Ein zu F ähnlicher Verlauf ist auch ohne
Siiortung erreichbar, wic der Verlauf U in lig. 4 zeigt. Di c in Fig. 5 zugrundegelegte
Dotierungskonzentration N +(3) ist jedoch technisch einfacher einstellbar.
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D Bei dem vorstehend erläuterten Anstieg der Emittcrwii'ksaiiikeit
γ und damit des Stromverstärkungsfaktors wurde die Minoritätsträgerlebensdauer
in der I-Zone 3 und der P-Basiszone 2, d.h. w/#(3) und h(2), als konstant vorausgesetzt.
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Ein steilerer Anstieg des Stromverstärkungsfaktors ist erreichbar
durch einen Anstieg der Minoritätsträgerlebensdauer in der Zone 3 und der P-Uasiszone
2 mit der Injektion.
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Die durch Rekombination aii Zentren mit tiefen Energieniveaus in der
Bandlücke bestimmte Minoritätsträgerlebensdauer steigt in vielen Fällen mit der
Minoritätsträgerkonzentration an, wobei der Hauptanstieg der Lebensdauer
typischerweise
in einem Bereich der Minoritätsträgerkonzentrationerfolgt, der nach oben bis etwa
den Faktor 3 über die Betierungskonzentration [ND + (3), NA - (2)] hinausreicht.
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Ein Anstieg der Minoitätsträgerlebensdauer in der I-Zone 3 erfolgt
daher schon bei sehr kleinen Stromdichten und führt zu einem steileren Anstieg der
Emitterwirksamkeit als Funktioii voll j bei kleinen Werten von Ein Anstieg der Lebensdauer
in der P-Basiszone 2 erfolgt erst bei höheren Stromdichten. Dieser hat zwar über
eine Verkleinerung von h(2) (Gleichung 5) eine Verkleinerung des Anstiege von γ
(j) im Bereich oberer γ-Werte zur Folge; jedoch steigt der Stromverstärkungsfaktor
αN + IPN = ß(2)γN + IP (13) ingolge Vergrößerung des Transportfaktors
ß(2) stärker an als bei konstanter Minoritätsträgerlebensdauer. Während der Einfluß
einer Lebensdauervariation in der P-Basiszone 2 in typischen Fällen, in denen ß(2)
nahe an 1 herankommt, nur gering ist, kann der Anstieg des Stromverstärkungsfaktors
αN + IPN durch Anstieg der Minoritätsträgerlebensdauer in der I-Zone 3 merklich
steiler gemacht werden.
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Wie aus <ler FiS. 6 ersichtlich, kann bei Thyristoren mit PNN-Basisstrukturen
(PIN-Thyristoren) die erfindungsgemäße I-Zone 3' auch zwischen P-Emitterzone 5 und
der im allgemeinen auf schwimmendem Potential befindlichen NN-Basiszonen 4, 4' oder
wie dargestellt in beiden Teiltransistoren angeordnet sein. Durch die zweite I'-Zone
3' kann das Vorwärts- und Rückwärtssperrvermögen bis auf das der entsprechenden
Gleichrichterstruktur erhöht und der Temperaturbereich, in welchem volles Sperrvermögen
gewährleistet ist, über 125°C hinaus ausgedehnt werden. Bei dieser Struktur ist
auch eine weitmaschige Shortung der N+-Emitterzone 1 vorgesehen. Mit K ist der Kathodenanschluß
und mit A der Anodenansclllu!3 bezeichnet.
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Wie aus den Figuren 7 und 8 ersichtlich, kann die Ausbildung der Zonc
3 am Emitterrand zum Gate G und zum äußeren fland S hin mesaförmig oder planar sein.
Das Gate s bcfiiidet sich bei der mesaförmigen Ausbildung nach Fig. 7 in höhe der
Grcnzfläche zwischen P-Basiszone 2 und I-Zoiie 3, bei der planaren Ausbildung nach
Fig. 8 in Höhe der N+-Emitteroberfläche. Die Zonenfolge im Inneren stimmt mit der
in Fig. la überein.
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Der für Störzündungen besoiiders anfällig Thyristorbereich in Gatenähe
kann zusätzlich störunanfälliger gemacht werden, indem nach Fig. 7 die I-Zone 3
am gateseitigen Rand bis zu einer bestimmten Ureite 8 nicht mit der N+-Emitterzone
1 bedeckt wird.
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Die N+IP- und PIN-Strukturen 2, 3, 1. und 5j 3' , 1s sind auch als
Emitter-Basis-Strukturen bei GTO-Thyristoren anwendbar.
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Durch Auslegung der I-Zone 3 kann zunächst der Strom, bei dem die
Summe der beiden Stromverstärkungsfaktoren den Wert 1 überschreitet (Zündempfindlichkeit,
dU/dt-Festigkeit Einraststrom) günstig gewählt werden. Dadurch, daß im Gegensatz
zum GT0-Thyristor nach dem Stand der Technik die Summe der Stromverstärkungsfaktoren
nunmehr unterhalb dieses Stromwertes bis auf nahezu Null abfallen kann (siche Fig.
4) wird das Sperrvermögen vor allem bei erhöhten Temperaturen verbessert. Das hat
auch eine erhöhte dU/dt-Belastbarkeit und eine höhere zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
beim Abschalten bei erhöhter Temperatur zur Folge. Durch den Abfall der α-Summe
im Durchlaß mit abnehmenden Strom oder infolge Absenkung der Ladungsträgerkonzentration
durch negativen Gatestrom wird eine höhere Ausschaltverstärkung
erreicht.
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Die Figur 9 zeigt eine Transistorstruktur für Schalteranwendungen,
bei der zwischen N+-Emitterzone 1 und P-Dasiszone 2 die schwach dotierte I-Zone
3 angeordnet ist. Der P-Basiszone 2 folgen eine N-Zonc 4 und eine N -Zone 9.
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Mit E ist der Emitteranschluß, mit C der Kollektoranschluß und mit
U der llasisanschluß bezeichnet.
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Der Stromverstärkungsfaktor dieser Transistorausbildung ist bei kleinen
Strömen llein und steigt noch im Bereich kleiner Ströme, in dem die Schalteigenschaften
unkritisch sind, auf den bei höheren Strömen (> 1 A/cm²) eingestellten Stromverstärkungsfaktor
an Dies ist in deii Figurell 10a und lOb für dcn Stromverstärkungsfaktor hFE in
Emitterschaltung dargestellt. Die Fig. lOb zeigt den Anstieg des Stromvorstärkungsfaktors
im Bereich kleiner Ströme für die crfindungsgemäße Struktur (Verlauf A ) , wie audi
für einen Transistor nach dem Staiid der Technik (Verlauf b). Die Schnittpunkte
der Verlaufe A und U mit der hFE-Achse sind in beidcii Figuren mit C und D bezeichnet.
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Uei dem Transistor nach dem Stand der Technik hat der hohe Stromverstärkungsfaktor
bei kleinen Strömen eine Verkleinerung des Sperrvermögens UEC zwischen Emitter und
liollektor unter die maximale Sperrspannung UbC zwischen Basis und Kollektor zur
Folge, wobei UEC oft bis ur.i den Faktor 2 kleiner ist als UBC. Wegen des kleinen
Stromverstärkungsfaktors bei kleinen Stromdichten (Verlauf A) wird bei der erfindungsgeiuäßen
Struktur das Sperrvermögen UEC zwischen Emitter und Kollecktor bis nahe an das Sperrvermögen
UBC der Basis-Kollektor-Diode heraufgesetzt und eine bessere Sperrstabilität erreicht.
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Es ist bekannt, daß bei üblichen, als Schalter verwendeten Transistoren
ein ähnlicher Effekt dadurch erreicht wird, daß Emitter und Basis durch einen äußeren
oder integrierten
Widerstand verbunden werden. Die erfindungsgemäße
Anordnung hat demgegenüber den Vorteil, daß das Sperrvermögen zwischen Emitter-
und Basisanschluß nicht verloren, sondern noch erhöht wird, und daß wegen des Fehlond
eiiies Parallelwiderstandes die erforderliche Steuerleistung geringer ist.
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Die N+IP- und P+IN-Strukturen 1, 3, 2 uiid 5, 3', 4 sind Illit Hilfe
der Epitaxie herstellbar. Dcsoiidcrs eignen sich dazu Verfahren der Tieftemperaturepitaxie,
da dann die Minoritätsträgerlebensdauer in der I-Zone 3 klein eingestellt werden
kann, ohne die Lebensdauer in den l'- und N-Basis zohen 2, Ii wesentlich lierabzusetzen.
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L e e r s e i t e