DE3542570A1 - Gate-turnoff-thyristor mit integrierter antiparalleler diode - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Gate-Turnoff-Thyristor, kurz GTO-Thyristor genannt, mit einem Halbleiterkörper mit den Merkmalen:
a) der Halbleiterkörper weist ein GTO-Gebiet mit zwei äußeren Emitterbereichen und zwei inneren Basisbereichen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps auf;
b) einer der beiden Basisbereiche ist schwach dotiert;
c) der andere Basisbereich ist mit einer Gateelektrode versehen;
d) der eine Emitterbereich ist mit einer Anodenelektrode und der andere Emitterbereich mit einer Kathodenelektrode versehen.

Ein solcher GTO-Thyristor ist z. B. in den Siemens-Forschungs- und Entwicklungsberichten, Band 14, 1985, Nr. 2, auf den Seiten 39 und folgende beschrieben. GTO-Thyristoren können durch einen Impuls abgeschaltet werden. Das Abschalten wird dadurch bewirkt, daß ein der Polarität des Steuerstromes entgegengesetzter Strom aus dem Halbleiter abgezogen wird. Dieser Strom ist wesentlich höher als der zum Einschalten erforderliche Strom.

GTO-Thyristoren werden beispielsweise in Wechselrichtern für Antriebe bei der Motorregelung eingesetzt. Dazu wird ein Gleichstrom in einen Wechselstrom umgeformt.

Bei einem Großteil der Anwendungen wird dem GTO-Thyristor extern eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet, über die der Laststrom bei abgeschaltetem GTO-Thyristor kurzzeitig weiterfließen kann. Bei diesen Dioden handelt es sich um Leistungsdioden.

Der Nachteil einer solchen Zusammenschaltung von diskreten Bauelementen liegt im zusätzlichen Aufwand bei der Montage und bei der Kühlung der beiden Bauteile. Außerdem sind externe Zuleitungen, die störend wirken können, nötig und der Aufbau einer Schaltung mit GTO-Thyristor und Freilaufdiode beansprucht relativ viel Platz.

Aufgabe der Erfindung ist eine Integration der antiparallelen Diode und des GTO-Thyristors.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale gelöst:
e) das Diodengebiet des Halbleiterkörpers weist nur zwei Bereiche entgegengesetzten Leitungstyps auf, die eine Diode bilden;
f) die Diode hat eine schwach dotierte Mittelregion, die zusammen mit der höher dotierten Schicht gleichen Leitungstyps einen Bereich der Diode bildet;
g) die Diode ist antiparallel zum GTO-Gebiet angeordnet;
h) der schwach dotierte Basisbereich im GTO-Gebiet bildet zusammen mit der schwach dotierten Mittelschicht im Diodengebiet eine schwach dotierte Schicht im Halbleiterkörper;
i) der mit der Gateelektrode versehene innere Basisbereich im GTO-Gebiet ist von dem Bereich gleichen Leitungstyps im Diodengebiet mindestens teilweise getrennt;
j) die Trennung verläuft entlang der gesamten Grenze zwischen GTO-Gebiet und Diodengebiet;
k) die beiden Bereiche im Diodengebiet sind mit Elektroden versehen;
l) die Elektrode des p-dotierten Bereichs im Diodengebiet ist mit der Kathodenelektrode des GTO-Gebietes verbunden;
m) die Elektrode des n-dotierten Bereiches im Diodengebiet ist mit der Anodenelektrode des GTO-Gebietes verbunden.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert.

Fig. 1 und Fig. 3 zeigen Querschnitte durch zwei verschiedene Ausführungsbeispiele eines GTO-Thyristors mit integrierter antiparalleler Diode.

Fig. 2 und Fig. 4 zeigen die entsprechenden Aufsichten auf den Halbleiterkörper. Auf die detaillierte Darstellung der Emitterinseln und der Gateelektrodenausführung des GTO in den Fig. 1 bis 4 ist aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit verzichtet worden. Entscheidend in den Fig. 1 bis 4 ist die Art und Weise der Integration des GTO-Thyristors und der Diode in den Halbleiterkörper.

Die Herstellung des in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Halbleiterkörpers erfolgt in Mesatechnik und Planartechnik. Der quaderförmige Halbleiterkörper nach Fig. 1 und Fig. 2 weist ein zylinderförmiges inneres GTO-Gebiet A auf, das von einem äußeren Diodengebiet B umgeben ist. An die Oberseite des schwach n-dotierten Halbleitersubstrates, das den schwach n-dotierten Basisbereich 3 im GTO-Gebiet A und die schwach n-dotierte Mittelregion 16 im Diodengebiet B bildet, grenzt eine p-dotierte Schicht. Diese p-dotierte Schicht ist durch einen Trenngraben 12 zwischen GTO-Gebiet A und Diodengebiet B getrennt. Die durch den Trenngraben 12 getrennte p-dotierte Schicht bildet im GTO-Gebiet A den inneren Basisbereich 2 und im Diodengebiet B einen Bereich 8 gleicher Dotierung. Der Trenngraben 12 reicht z. B. bis zum mittleren pn-Übergang und ist vorzugsweise 50 µm bis 500 µm breit. Der Trenngraben 12 wird vorteilhaft mit einer Passivierungsschicht versehen, die den Trenngraben 12 elektrisch und mechanisch schützt. An die innere p-dotierte Basiszone 2 grenzt ein n-dotierter äußerer Emitterbereich 1 derart, daß ein Teil der Oberfläche der inneren p-dotierten Basiszone 2 frei bleibt. Die äußere Emitterzone 1 ist mit einer Kathodenelektrode 7 versehen, die mit der an den p-dotierten Bereich 8 im Diodengebiet B angebrachten Elektrode 9 verbunden ist. An der inneren p-dotierten Basiszone 2 ist eine Gateelektrode 4 angebracht. An die untere Seite des schwach n-dotierten Halbleitersubstrates ist im GTO- Gebiet A ein p-dotierter äußerer Emitterbereich 5 diffundiert, der mit einer Anodenelektrode 6 in Kontakt steht. Im Diodengebiet B ist an die untere Seite des Halbleitersubstrates eine n-dotierte Schicht 11 diffundiert, die mit einer Elektrode 10 versehen ist. Diese beiden Elektroden 10, 6 sind durch einen Kontakt 13 der sich über die gesamte Fläche des Halbleiterkörpers erstreckt, realisiert.

Beim Abschaltvorgang liegt zwischen Gateelektrode 4 und Kathodenelektrode 7 eine Spannung U. Diese Spannung U liegt aufgrund der Antiparallelschaltung von Diode und GTO- Thyristor auch zwischen Gateelektrode 4 und Diodenelektrode 9. Das negative Potential der Gateelektrode 4 soll dazu dienen, im Inneren des GTO-Gebietes A ein elektrisches Feld derart zu erzeugen, daß die Ladungsträger aus dem GTO-Gebiet A abgezogen werden. Der Trenngraben 12 zwischen GTO-Gebiet A und Diodengebiet B verhindert, daß infolge der Spannungsdifferenz zwischen Diodenelektrode 9 und Gateelektrode 4 und des damit verbundenen elektrischen lateralen Feldes ein Querstrom aus dem p-dotierten Bereich 8 zur Gateelektrode 4 fließt. Solch ein Querstrom würde das Einsammeln der Ladungsträger des GTO-Gebietes A durch die Gateelektrode 4 beeinträchtigen und das Abschalten des GTO-Thyristors verhindern. Je tiefer der Trenngraben 12 reicht, desto geringer ist der Querstrom und desto besser ist die Abschaltverstärkung. Die Trennung des inneren Basisbereiches 2 vom Diodenbereich 8 erfolgt durch einen Trenngraben 12, der entlang der gesamten Aneinandergrenzung von GTO-Gebiet A und Diodengebiet B verläuft.

Der Trenngraben 12 zwischen GTO-Gebiet A und Diodengebiet B verhindert, wie bei nicht abschaltbaren Thyristoren mit integrierter antiparalleler Diode bereits bekannt, daß der GTO-Thyristor beim Umkommutieren umgewollt leitend wird. Liegt am GTO-Thyristor eine Spannung derart an, daß das Kathodenpotential höher als das Anodenpotential ist, so befindet sich die Diode im leitenden Zustand.

Ein Umpolen der Spannung führt jetzt dazu, daß der GTO- Thyristor vorwärts und die Diode in Sperrichtung vorgespannt ist. Dann können die in der Diode noch vorhandenen Ladungsträger zum GTO-Thyristor fließen und dazu führen, daß der GTO-Thyristor ohne Zündimpuls leitend wird.

Der Halbleiterkörper nach Fig. 3 weist ein inneres Diodengebiet B auf, daß von einem äußeren GTO-Gebiet A umgeben ist. Das Ausführungsbeispiel ist in Planartechnik hergestellt.

Im Ausführungsbeispiel von Fig. 3 wird von einem schwach n-dotierten Halbleitersubstrat ausgegangen, das Quaderform aufweist. Auf der oberen Seite ist im Diodengebiet B ein p-dotierter Bereich 8 und im GTO-Gebiet A ein p-dotierter Basisbereich 2 derart angeordnet, daß diese nicht aneinandergrenzen. Das schwach n-dotierte Halbleitersubstrat, das die schwach n-dotierte Zone 17 bildet, grenzt zwischen p-dotierten Bereich 8 im Diodengebiet B und p-dotierten Basisbereich 2 im GTO-Gebiet A an die Oberfläche des Halbleiterkörpers. Der Abstand des p-dotierten Basisbereichs 2 vom p-dotierten Bereich 8 im Diodengebiet B beträgt mehrere Diffusionslängen. Innerhalb des Basisbereiches 2 ist ein kleinerer Emitterbereich 1 angeordnet, der mit einer Kathodenelektrode 7 versehen ist. Der Basisbereich 2 ist am Rand des Halbleiterkörpers mit einer Gateelektrode 4 verbunden. Der p-dotierte Bereich 8 im Diodengebiet B ist mit einer Elektrode 9 in Kontakt. Durch Anordnung der Gateelektrode 4 am Rand auf der oberen Seite des Halbleiterkörpers ist es möglich, die beiden inneren Elektroden 9, 7 leicht miteinander zu verbinden. Die Ausführung des Halbleiterkörpers in Planartechnik erlaubt eine einfache Druckkontaktierung der Elektroden 7 und 9, da die Elektrodenflächen auf gleicher Ebene liegen. An die gesamte untere Seite der schwach n-dotierten Zone 17 grenzt eine n-dotierte Zone 15. Im GTO-Gebiet A ist zusätzlich ein p-dotierter Emitterbereich 5 in die n-dotierte Zone 15 diffundiert. Auf der planen Unterfläche dieses Halbleiterkörpers ist ein Kontakt 13 angeordnet.

Zwischen Gateelektrode 4 und Diodenelektrode 9 bestehen zwei pn-Übergänge. Liegt zwischen Gateelektrode 4 und Diodenelektrode 9 eine Spannungsdifferenz, so fällt diese Spannungsdifferenz voll an dem in Sperrichtung beanspruchten pn- Übergang zwischen 2 und 17 ab. Dies hat einen sehr geringen Sperrstrom zur Folge, der bei genügend großem Abstand zwischen innerem Basisbereich 2 im GTO-Gebiet A und p-dotierten Bereich 8 im Diodengebiet B keinen Einfluß mehr hat. Das Abschaltverhalten des GTO wird nicht beeinträchtigt.

Claims (11)

1. GTO-Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit den Merkmalen:
a) der Halbleiterkörper weist ein GTO-Gebiet (A) mit zwei äußeren Emitterbereichen (1, 5) und zwei inneren Basisbereichen (2, 3) abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps auf;
b) einer der beiden Basisbereiche (3) ist schwach dotiert;
c) der andere Basisbereich (2) ist mit einer Gateelektrode (4) versehen;
d) der eine Emitterbereich (5) ist mit einer Anodenelektrode (6) und der andere Emitterbereich (1) mit einer Kathodenelektrode (7) versehen; gekennzeichnet durch die Merkmale:
e) daß Diodengebiet (B) des Halbleiterkörpers weist nur zwei Bereiche entgegengesetzten Leitungstyps auf, die eine Diode bilden;
f) die Diode hat eine schwach dotierte Mittelregion (16), die zusammen mit der höher dotierten Schicht (11) gleichen Leitungstyps einen Bereich der Diode bildet;
g) die Diode ist antiparallel zum GTO-Gebiet (A) angeordnet;
h) der schwach dotierte Basisbereich (3) im GTO-Gebiet (A) bildet zusammen mit der schwach dotierten Mittelregion (16) im Diodengebiet (B) eine schwach dotierte Schicht (14) im Halbleiterkörper;
i) der mit der Gateelektrode (4) versehene innere Basisbereich (2) im GTO-Gebiet (A) ist von dem Bereich (8) gleichen Leitungstyps im Diodengebiet (B) mindestens teilweise getrennt;
j) die Trennung verläuft entlang der gesamten Grenze zwischen GTO-Gebiet (A) und Diodengebiet (B);
k) die beiden Bereiche im Diodengebiet (B) sind mit Elektroden (9, 10) versehen;
l) die Elektrode (9) des p-dotierten Bereichs (8) im Diodengebiet (B) ist mit der Kathodenelektrode (7) des GTO-Gebietes (A) verbunden;
m) die Elektrode (10) des n-dotierten Bereichs im Diodengebiet (B) ist mit der Anodenelektrode (6) des GTO- Gebietes (A) verbunden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit einer Gateelektrode (4) versehene innere Basisbereich (2) im GTO-Gebiet (A) durch einen Trenngraben (12) von dem Bereich (8) gleichen Leitungstyps im Diodenbereich (B) getrennt ist.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenngraben (12) bis mindestens zum pn-Übergang zwischen innerem Basisbereich (2) und schwach dotierter Schicht (14) reicht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem mit einer Gateelektrode (4) versehenen inneren Basisbereich (2) im GTO- Gebiet (A) und dem Bereich (8) gleichen Leitungstyps im Diodengebiet (B) die schwach dotierte Schicht (14) derart angeordnet ist, daß diese bis an die Oberfläche des Halbleiterkörpers reicht.

5. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die schwach dotierte Schicht (14) aus einer übereinander liegenden schwächer dotierten Zone (17) und einer stärker dotierten Zone (15) besteht, und daß die schwächer dotierte Zone (17) so angeordnet ist, daß diese den mittleren pn-Übergang im GTO-Gebiet (A) bildet.

6. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (9) des p-dotierten Bereichs (8) im Diodengebiet (B) mit der Kathodenelektrode (7) des GTO-Gebietes (A) derart angeordnet ist, daß diese durch Druckkontaktierung miteinander verbunden werden können.

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (10) des n-dotierten Bereichs im Diodengebiet (B) mit der Anodenelektrode (6) des GTO-Gebiets (A) derart angeordnet ist, daß diese durch Druckkontaktierung miteinander verbunden werden können.

8. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Halbleiterkörper auf seiner der Gateelektrode (4) gegenüberliegenden Seite eine Kontaktfläche (13) angeordnet ist, die über den gesamten Halbleiterkörper reicht.

9. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Diodengebiet (B) innerhalb des GTO-Gebietes (A) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das GTO-Gebiet (A) innerhalb des Diodengebietes (B) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trenngraben (12) mit einer Passivierungsschicht versehen ist.