DE1214790B - Leistungsgleichrichter mit einkristallinem Halbleiterkoerper und vier Schichten abwechselnden Leitfaehigkeitstyps - Google Patents

Leistungsgleichrichter mit einkristallinem Halbleiterkoerper und vier Schichten abwechselnden Leitfaehigkeitstyps

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DE1214790B DES81478A DES0081478A DE1214790B DE 1214790 B DE1214790 B DE 1214790B DE S81478 A DES81478 A DE S81478A DE S0081478 A DES0081478 A DE S0081478A DE 1214790 B DE1214790 B DE 1214790B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
HOIl
Deutsche Kl.: 21 g -11/02
S 81478 VIII c/21 g
15. September 1962
21. April 1966
Die Erfindung betrifft einen Leistungsgleichrichter mit einem einkristallinen Halbleiterkörper, enthaltend vier aufeinanderfolgende Schichten von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, von denen die erste, zweite und dritte Schicht einen ersten Transistor und die zweite, dritte und vierte Schicht einen zweiten Transistor bilden und dessen zweite Schicht eine höhere Dotierungskonzentration als die dritte Schicht hat. Ein solcher Leistungsgleichrichter ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß der Strom-Verstärkungsfaktor des ersten Transistors im Stromdichtebereich unterhalb 10 mA/cm2 sehr klein gegen eins ist und im Stromdichtebereich zwischen 10 und 100 mA/cm2 steil gegen eins ansteigt und daß der Stromverstärkungsfaktor des zweiten Transistors in dem zuletzt genannten Stromdichtebereich praktisch stromunabhängig ist. Auf diese Weise können die Leistungsgrenzen des Halbleitergleichrichters erhöht werden, insbesondere die Stabilität des Kippvorgangs, der bekanntlich durch Impulsgabe z. B. über einen Hilfskontakt gesteuert werden kann.
Es ist bekannt, daß steuerbare Halbleitergleichrichter der beschriebenen Art, auch Thyristoren genannt, in Durchlaßrichtung sperren, wenn die Summe der Stromverstärkungsfaktoren der beiden Transistören kleiner als eins ist. Aus der umfangreichen Literatur über Transistoren und Thyristoren sind ferner eine Reihe verschiedener Mittel bekannt, die es ermöglichen, den Kennlinienverlauf der Stromverstärkungsfaktoren im gewünschten Sinn zu beeinflüssen.
Leistungsgleichrichter für Starkstromzwecke müssen nach Möglichkeit zwei Anforderungen genügen. Sie sollen in Durchlaßrichtung in durchlässigem Zustand einen hohen Nutzstrom mit möglichst kleinem Spannungsabfall passieren lassen und in gesperrtem Zustand wie auch in Sperrichtung eine möglichst hohe Spannung blockieren können, und zwar bei möglichst hoher Betriebstemperatur. Die durch den Spannungsabfall des Nutzstroms in Durchlaßrichtung bedingte Verlustleistung in Verbindung mit der zuverlässigen Betriebstemperatur einerseits und die Sperrfähigkeit andererseits bestimmen Betriebsstrom und Betriebsspannung und damit die mit dem Bauelement beherrschbare Leistung. Die beiden erwähnten Anforderungen sind nun aber keineswegs stets ohne weiteres miteinander verträglich, sie stehen vielmehr häufig sogar im Gegensatz zueinander. Stellt man nämlich Leistungsgleichrichter her, die einen niedrigen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung haben, so findet man im allgemeinen, daß die Sperrspannung in Vorwärtsrichtung — die sogenannte Leistungsgleichrichter mit einkristallinem
Halbleiterkörper und vier Schichten
abwechselnden Leitfähigkeitstyps
Anmelder:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Dr. rer. nat. Adolf Herlet, Pretzfeld (OFr.)
Kippspannung — mit wachsender Temperatur sehr schnell abnimmt, so daß man nur eine niedrige Betriebstemperatur und damit nur eine niedrige Verlustleistung zulassen darf und mithin auch einen entsprechend niedrigen Grenzwert des zulässigen Durchlaßstroms erhält. Umgekehrt erhält man eine gute Temperaturstabilität der Kippspannung, wenn man schlechte Durchlaßeigenschaften, d. h. also hohen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung, in Kauf nimmt. Demgegenüber lassen sich durch die erfindungsgemäße Kennliniengestalt der Stromverstärkungsfaktoren zugleich sowohl eine temperaturstabile Kippspannung als auch niedrige Durchlaßspannungen erreichen, weil die Summenkurve der Stromverstärkungsfaktoren den Wert eins so steil durchläuft, daß damit der Kippvorgang eindeutig und praktisch unabhängig von anderen Betriebsgrößen an einen besimmten Stromwert gebunden ist. Vorteilhaft kann der Leistungsgleichrichter so ausgebildet sein, daß der Stromverstärkungsfaktor des ersten Transistors auch bei voller Kippspannung so weit unter dem Wert eins hegt, daß die Summe der beiden Stromverstärkungsfaktoren den Wert eins erst bei einem Wert der Stromdichte überschreitet, bei welchem der Stromverstärkungsfaktor des ersten Transistors bereits einen erheblichen Teil seines Teilanstiegs durchlaufen hat.
Zur Erzielung des gewünschten Verlaufs der beiden Stromverstärkungsfaktoren kann es wesentlich beitragen, wenn man die Dotierungskonzentration der zweiten Schicht in einem der ersten Schicht benachbarten Teilbereich zu etwa 1017cm~3 wählt, während sie in einem der dritten Schicht benachbarten Teilbereich mehrere Zehnerpotenzen niedriger ist. Außerdem ist es von Vorteil, wenn wenigstens
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die zweite Schicht des Halbleiterkörpers zusätzlich mit Rekombinationszentren angereichert ist, deren Energieniveau der Mitte des verbotenen Energiebandes des Halbleiters zwischen seinem Valenz- und Leitungsband näher liegt als dem nächstgelegenen Rand des verbotenen Energiebandes und die gegenüber den Minoritätsträgern der zweiten Schicht einen wesentlich größeren Einfangsquerschnitt haben als gegenüber deren Majoritätsträgern.
Ist also beispielsweise die zweite Schicht des Halbleiterkörpers p-leitend (p-Basis) und höher dotiert als die η-leitende dritte Schicht (η-Basis), was normalerweise bei Leistungsgleichrichtern der Fall ist, die aus η-Silizium hergestellt sind, so soll der Einfangsquerschnitt der eingebrachten Rekombinations-Zentren für Elektronen wesentlich größer sein als für Defektelektronen; in diesem Fall sind ja die Elektronen die Minoritätsträger im höher dotierten p-leitenden Gebiet. Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf dieses Beispiel, bei dem also die p-Basis höher dotiert ist als die η-Basis. Ist umgekehrt die zweite Schicht des Halbleiterkörpers η-leitend und höher dotiert als die p-leitende dritte Schicht, so soll der Einfangsquerschnitt der eingebrachten Rekombinationszentren für Defektelektronen wesentlich größer sein als für Elektronen.
Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden. Die
F i g. 1 zeigt das Querschnittsprofil eines Leistungsgleichrichters aus Silizium als Beispiel und eine Grundschaltung, in der ein solcher als gesteuerter Gleichrichter verwendet werden kann;
Fig. 2 enthält ein Schema eines gesteuerten Leistungsgleichrichters, das als Ausschnitt aus dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiterbauelement aufgefaßt werden kann;
Fig. 3 ist ein Diagramm der Dotierungskonzentration in den vier verschiedenen Schichten des Bauelements, aufgetragen über der Dicke dieser Schichten als Ortskoordinate; in der
Fig. 4 ist das typische Kennliniendiagramm eines Leistungsgleichrichters aus Silizium dargestellt, in welchem die mit der Erfindung erzielte Verbesserung durch Varianten wiedergegeben wird; die
Fig. 5a und 5b schließlich zeigen den Verlauf der Verstärkungsfaktoren in Abhängigkeit von der · Strombelastung.
Der Leistungsgleichrichter gemäß Fig. 1 kann z. B. aus einer als Ausgangskörper dienenden einkristallinen Platte oder Scheibe von schwachdotiertem Silizium mit einer Donatorenkonzentration von 1015cm~3 oder weniger, z.B. etwa 1014cm~3, hergestellt sein, von dem ein unverändert bleibender Teil am fertigen Bauelement die η-Basis bildet. Der Deutlichkeit halber ist in der Zeichnung ein stark vergrößerter und bezüglich des Verhältnisses der Dicke zur Breite bzw. zum Durchmesser verzerrter Maßstab gewählt worden. Die wirklichen Abmessungen einer praktisch verwendeten Scheibe waren 18 mm Durchmesser und 0,3 mm. Dicke. In diese Scheibe wurde allseitig Gallium aus der Gasphase eindiffundiert, bis die Scheibe von einer p-leitenden Schicht überzogen war. Statt Gallium kann unter anderem Aluminium oder Bor dazu verwendet werden. Ein besonders gutes Ergebnis wurde durch einen ^5 zweistufigen Diffusionsprozeß erzielt, wobei in der ersten Stufe Gallium und in der zweiten Stufe Aluminium zum Dotieren benutzt wurde.
Anschließend wurden in einem einzigen Arbeitsgang auf der einen Seite (rechts in Fig. 1) zur Schaffung des p-Emitters und des Kontakts K2 eine etwa die ganze Fläche bedeckende Aluminiumfolie und auf der anderen Seite (links in Fig. 1) zur Schaffung des Steuerkontakts 5 eine kleine Ronde, ebenfalls aus Aluminiumfolie gestanzt, sowie zur Schaffung des η-Emitters und des Kontakts^ eine ringförmige Goldfolie mit etwa 0,5 % Antimongehalt einlegiert. Die beiden Emitter bestehen dabei aus Rekristallisationsschichten mit entsprechend hohen Dotierungskonzentrationen, die Kontakte aus Legierungen der betreffenden Metalle mit Silizium im eutektischen Verhältnis. Durch passende Wahl der Foliendicken kann bei gegebener Legierungstemperatur von etwa 800° C ein Verhältnis der Eindringtiefen bzw. Legierungstiefen erzielt werden, das qualitativ der Darstellung in Fig. 1 entspricht, nämlich so, daß die p-leitende Diffusionsschicht auf der Unterseite durch den Legierungsprozeß vollständig erfaßt ist, auf der Oberseite hingegen nur ein Teil der Diffusionsschicht, während der restliche Teil der letzteren als p-Basis bestehen geblieben ist. Damit diese mit dem p-Emitter keine niedrigohmige Verbindung hat, ist die Diffusionsschicht durch einen ringförmigen Graben G unterbrochen, der vor oder nach dem Legierungsprozeß durch mechanische bzw. chemische Bearbeitung hergestellt werden kann. Das Bauelement kann in an sich bekannter Weise mit einem Oberflächenschutz, ζ. B. Oxydschicht oder Lackschicht, versehen und in einem Gehäuse im Vakuum oder unter Schutzgas gekapselt sein.
An die beiden Emitter bzw. an die Kontakte K1 und K2 kann ein Laststromkreis angeschlossen sein, der nach F i g. 1 eine Wechselspannungsquelle A und einen Verbraucher V enthalten kann. Der Steuerstromkreis, enthaltend eine Steuerspannungsquelle, z. B. eine Batterie B und ein HilfsSteuerelement oder Hilfsschaltelementi?, ist einerseits an den Steuerkontakt S und somit an die p-Basis, andererseits an den benachbarten Emitter, also an den n-Emitter, über den Kontakt K1 angeschlossen. Er ist in Durchlaßrichtung des pn-Übergangs zwischen diesen beiden Bereichen gepolt. Als Durchlaßrichtung des ganzen Bauelements wird die Richtung vom p-Emitter zum η-Emitter bezeichnet. Wird das Hilfsschaltelementi? synchron zur Wechselspannung von A so gesteuert, daß in jeder positiven Halbwelle ein Steuerimpuls dem Steuerkontakt des Stromtors zugeführt wird, so fließt im Verbraucherstromkreis Gleichstrom. Durch Veränderung der zeitlichen Lage der Impulse innerhalb des Halbwellenbereichs ist es bekanntlich möglich, den Mittelwert der Gleichspannung zu ändern.
Die rein schematische Darstellung der vier verschiedenen Schichten nebst Kontakten!^ und K2 gemäß Fig. 2 kann als Ausschnitt aus Fig. 1 durch die Bruchlinien Π-ΙΙ aufgefaßt werden, jedoch ohne Beachtung eines bestimmten Dickenmaßstabs. Sie dient lediglich zur Veranschaulichung der Bereichsgrenzen in Verbindung mit dem Diagramm der Fig. 3.
Dieses zeigt in logarithmischem Maßstab die Dotierungskonzentrationen in den einzelnen Zonen oder Bereichen, welche den vier verschiedenen Schichten entsprechen. Dabei sind die Akzeptorendichten mit größerer Strichstärke dargestellt als die Donatorendichten. Nach dem Diagramm hat der durch den beschriebenen Legierungsprozeß erzielte Akzeptorüber-
schuß im p-Emitter einen über die gesamte Schichtdicke nahezu konstanten Wert von 3-1O18Cm-3. In der unverändert gebliebenen η-Basis beträgt die Donatorendichte, wie früher erwähnt, etwa 1014cm~3 und ist ebenfalls über die ganze Dicke dieser Schicht konstant. Im Gegensatz dazu ist die Akzeptorenkonzentration in der p-Basis durch den beschriebenen Diffusionsvorgang ungleichmäßig über die Schichtdicke verteilt, wie die entsprechende Kurve in Fig. 3 zeigt, die am rechten Rand des Bereichs von einem Wert 1014cm~3 ausgeht und am linken Rand einen Wert von 1017 cm"3 erreicht.
Nach dem dargestellten Verlauf liegt der Mittelwert der Dotierungskonzentration in diesem Bereich etwas höher als 3 · 1016 cm~3. Die erforderliche mittlere Dotierungskonzentration dieses Bereichs kann natürlich auch durch einen Legierungsvorgang erzielt werden, indem beispielsweise eine Goldfolie mit einem geringen Gehalt an Bor in die linke Seite des Halbleiterkörpers einlegiert wird. Hierbei bildet sich eine Rekristallisationsschicht vom p-Typ. Die darüberliegende Legierungsschicht, bestehend aus einer Gold-Silizium-Legierung mit Borgehalt, kann nach beendetem Legierungsvorgang durch Ätzen entfernt werden. Die auf diese Weise erhaltene Rekristallisationsschicht bildet dann die p-Basis mit einer über die ganze Dicke gleichmäßigen Dotierungskonzentration von beispielsweise etwa 1017 cmr3, wie eine gestrichelte Linie im Diagramm der F i g. 3 andeutet. Auf dieser durch Legierung erhaltenen p-Basis können der Steuerkontakt und der n-Emitter mit dem zugehörigen Kontakt K1 in derselben Weise erzeugt werden, wie oben für die durch Diffusion erhaltene p-Basis beschrieben wurde. Der η-Emitter hat nach F i g. 3 eine über seine ganze Dicke etwa konstante Donatorendichte zwischen 1018 und 1019cm~~3.
Die F i g. 4 veranschaulicht die mit der Erfindung erzielte Verbesserung durch die Gegenüberstellung verschiedener Kurven im Kennliniendiagramm des Siliziumthyristors. Hierbei wurde die im dritten Quadranten links unten dargestellte Sperrkennlinie für beide Ausführungsformen einheitlich angenommen. Sie zeigt den Rückwärtsstrom IT pro Flächeneinheit des sperrenden pn-Ubergangs nach unten abgetragen, in Abhängigkeit von der nach links abgetragenen Sperrspannung Us, mit der die beiden äußeren pn-Übergänge, und zwar hauptsächlich der vom p-Emitter zur η-Basis, beansprucht werden. Demgegenüber sind im ersten Quadranten rechts oben zunächst die Kennlinien in Durchlaßrichtung des Thyristors, d. h. in Sperrichtung"des-.mittleren pn-Übergangs, bis zur Kippspannung dargestellt. Die Kippspannung U2 ist nach rechts abgetragen. Außerdem sind zwei Kurven ILi und I12 der Durchlaßstromdichte oder Laststromdichte eingetragen. Für diese gilt ein wesentlich verkleinerter Strommaßstab, der auf der rechten Seite der Ordinatenachse aufgetragen ist. Die Kurven geben die gegenseitige Abhängigkeit dieser Stromdichte und der Durchlaßspannung U0 wieder, welch letztere in einem wesentlich vergrößerten Maßstab auf einer Parallelen zur Abszissenachse am oberen Rand des Diagramms angegeben ist.
Die bisher bekannten Thyristoren zeigen häufig bei Raumtemperatur von etwa 20° C eine Kippspannung von mehr als 1000 V. Steigt jedoch die Temperatur des Thyristors während des Betriebes, so ergibt sich ein starker Rückgang der Kippspannung Uk, wie im Diagramm für 90, 100, 120 und 1500C beispielsweise dargestellt. Diesen Rückgang der Kippspannung mit steigender Temperatur zeigen insbesondere solche Thyristoren, deren Durchlaßspannung bei vollem Betriebsstrom verhältnismäßig niedrig ist, insbesondere den Wert 1 V nicht wesentlich übersteigt. Diese bekannten Siliziumthyristoren dürfen auf die Dauer nicht mit einem so hohen Strom beansprucht werden, daß sie die an sich zulässige Höchsttemperatur um
ίο 150° C erreichen, weil dann die Kippspannung auf einen so niedrigen Wert absinken würde, daß eine Zündung in jeder positiven Halbwelle der Betriebsspannung, unabhängig von dem eingestellten Zeitpunkt des Zündimpulses, bereits am Anfang der Halbwelle stattfinden und somit die Steuerfähigkeit des Thyristors verlorengehen würde. Ein solcher Thyristor kann also im Betrieb nicht voll ausgenutzt werden. Andere bekannte Thyristortypen, die eine größere Temperaturstabilität der Kippspannung aufweisen, bei denen also die Kippspannung mit zunehmender Temperatur bis 120 oder 150° C gar nicht oder nur wenig zurückgeht, zeigen dafür den Nachteil, daß ihr Durchlaßstrom nach einer Kurve ähnlich der Kurve ILl im Diagramm der F i g. 4 verläuft, bei
denen also die Durchlaßspannung im Betrieb mit höherer Stromdichte ebenfalls hohe Werte annimmt, indem sie den Wert 1 V wesentlich übersteigt. Infolgedessen sind die Verluste bei diesen Thyristoren wesentlich höher, so daß die höchstzulässige Temperatur bereits bei einem wesentlich geringeren Strom eintritt als bei den vorher beschriebenen Thyristoren.
Auch die zuletzt geschilderten Thyristoren können daher im Betrieb nicht voll ausgenutzt werden.
Während also bei den bekannten Thyristoren jedesmal ein Vorteil mit einem Mangel erkauft werden muß, ermöglicht es demgegenüber die Erfindung, die Vorteile der bekannten beiden Thyristorarten miteinander zu vereinigen und ihre Mangel zu vermeiden. Die neuen Thyristoren haben also auch bei der hochstzulässigen Temperatur ihre volle Steuerfähigkeit, weil ihre Kippspannung nicht wesentlich niedriger ist als bei Raumtemperatur, und sie haben ferner verhältnismäßig geringe Verluste, weil ihre Durchlaßspannung beim höchstzulässigen Strom den Wert 1 V nicht oder nicht wesentlich übersteigt.
Diese wesentliche Verbesserung läßt sich wie folgt erklären: Störstellen, deren Energieniveau etwa in der Mitte des verbotenen Energiebandes des Halbleiters zwischen seinem Valenz- und Leitungsband liegt, beeinflussen die Dotierungsverhältnisse im Halbleiter nur unwesentlich. Sie bilden Rohrkombinationszentren, an denen die Vorgänge der Rekombination und Paarerzeugung ablaufen, und bestimmen damit die Lebensdauer % der Stromträger bzw. deren Diffusionslänge im Halbleiterkörper, vor allem in den beiden Basisgebieten.
Durch das vorgeschlagene Einbringen von Störstellen mit den vorbezeichneten besonderen Eigenschaften wird nun bewirkt, daß die Lebensdauer der Stromträger in der niederohmigen Basis, in unserem obigen Beispiel also in der p-Basis, stark stromabhängig wird, und zwar in dem Sinn, daß bei kleinen Strömen die Lebensdauer sehr klein ist und daß erst bei verhältnismäßig hohen Stromdichten von mehr als 10 mA/cm2 die Lebensdauer sehr groß wird. Dies hat zur Folge, daß die Stromverstärkung in dieser p-Basis bei kleinen Strömen zunächst sehr niedrig ist und erst bei Stromdichten zwischen 10 und
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100 mA/cm2 steil gegen den Wert eins ansteigt. Bei notwendig, daß im Bereich hoher Durchlaßströme genügend hoher Dotierung der p-Basis bleibt dieser die Diffusionslängen in beiden Basisgebieten gecharakteristische Verlauf des Stromverstärkungsfak- nügend groß sind im Vergleich zur Breite dieser tors bis zu verhältnismäßig sehr hohen Temperaturen Basisgebiete. Man kann diese Forderung auch so von 150° C und mehr unverändert erhalten. 5 formulieren:
Rekqmbinationszentren der beschriebenen Art, die Die Summe der Stromverstärkungsfaktoren anpn
in dem einen Basisgebiet eine stromabhängige des ersten und «npil des zweiten Transistors muß im
Lebensdauer erzeugen, bewirken, wenn sie auch im Bereich hoher Durchlaßströme deutlich größer als
zweiten Basisgebiet von umgekehrtem Leitfähigkeits- der Wert eins sein. Dies wird aber ebenfalls mit der
typ vorhanden sind, dort eine praktisch stromunab- io Erfindung erreicht. Da der Stromverstärkungsfaktor
hängige Lebensdauer und damit einen weitgehend anpn des ersten Transistors bis zu verhältnismäßig
stromunabhängigen Wert der Stromverstärkung des hohen Sperrströmen sehr klein ist, kann man, wie
zweiten Transistors. Man erhält also für die Strom1 schon gesagt, den Stromverstärkungsfaktor O11P11 des
Verstärkungsfaktoren a^ des ersten Transistors und zweiten Transistors relativ hoch machen, z. B. 0,5
oipnp des zweiten Transistors den in Fig. 5 a skizzier- 15 bis 0,8. Da nun der Stromverstärkungsfaktor anpn des
ten Verlauf, wenigstens soweit sie durch die Volumen- ersten Transistors bei höheren Strömen sehr groß
lebensdauer bestimmt sind. Dieser Verlauf kann wird, d. h. näherungsweise den Wert eins erreicht,
noch durch Oberflächeneffekte modifiziert sein sowie liegt also im Gebiet hoher Durchlaßströme die
— vor allem bei sehr kleinen Strömen — durch eine Summe beider Stromverstärkungsfaktoren deutlich
verstärkte Rekombination in den Raumladungsgebie- 20 über eins. Damit ist aber auch die zweite Forderung,
ten zwischen Emitter und Basis. Diese zusätzlichen nämlich die nach kleinen Durchlaßspannungen,
Einflüsse beeinträchtigen nicht die Gültigkeit der hier ebenfalls erfüllt.
geschilderten Überlegungen. Den Absolutwert der Alles Gesagte gilt in analoger Weise für solche
Stromverstärkungsfaktoren bei hohen Strömen kann Thyristoren, deren η-Basis höher dotiert ist als die
man durch die Zahl der eindiffundierten Rekombina- 25 p-Basis. Hier wird in der niedrigdotierten p-Basis
tionszentren und durch die Wahl der Dicke der eine annähernd stromunabhängige Stromverstärkung
Basisgebiete einstellen. erreicht, in der höher dotierten η-Basis eine Strom-
Mit einem derartigen Verlauf der Stromverstär- verstärkung, die in der beschriebenen Weise stromkungsfaktoren kann man nun die eingangs geforderte abhängig ist, sofern man in die η-Basis Störstellen Kombination von niedrigen Durchlaßspannungen 30 einduffundiert, deren Wirkungsquerschnitt für Defekt- und hoher Temperaturstabilität der Kippspannung elektronen größer als für Elektronen ist.
erreichen. Wie schon erwähnt wurde, sperren die Obgleich es genügt, die Rekombinationszentren Thyristoren in Vorwärtsrichtung nur so lange, wie der geforderten Art allein in das höher dotierte Basisdie in F i g. 5 b dargestellte.Summe der Stromverstär- gebiet einzubringen, wird es im allgemeinen einfacher kungsfaktoren kleiner als eins ist; sie kippen dann, 35 sein, die beschriebenen Rekombinationszentren über wenn diese Summe den Wert eins erreicht. Durch die den ganzen Halbleiterkristall etwa gleichmäßig zu geschilderte Anreicherung der p-Basis mit besonde- verteilen. Dies wird durch die Eigenschaften derarren Rekombinationszentren ist nun der Stromverstär- tiger Rekombinationszentren erleichtert, da z. B. Rekungsfaktor OnP11 bei kleinen Strömen auf einen sehr kombinationszentren, deren Energieniveau etwa in niedrigen Wert festgelegt. Solange die Dichte des 40 der Mitte des verbotenen Energiebandes des Siliziums Stromes in Vorwärtsrichtung also nicht mindestens zwischen seinem Valenz- und Leitungsband liegt, wie 10 mA/cm2 und mehr beträgt, kann der Thyristor Kupfer, Gold, Mangan, Eisen, normalerweise eine nicht kippen, wenn außerdem der Stromverstärkungs- recht hohe Diffusionskonstante in Silizium haben, faktor Opnp einen vernünftigen Wert hat, der nicht Läßt man diese Stoffe also während eines Diffusionsallzunah am Wert eins liegt. Dies letztere ist aber 45 oder Legierungsprozesses in einen beispielsweise z. B., wie schon gesagt, durch Einbringen der beson- scheibenförmigen Rohkristall eindiffundieren, so deren Rekombinationszentren auch in die η-Basis werden sie sich im allgemeinen gleichmäßig über den und durch eine passende Bemessung der Dicke der ganzen Sniziumkristall verteilen. Auch das gleichn-Basis innerhalb eines Bereiches von 0,05 bis mäßige Einbringen dieser Rekombinationszentren in 0,15 mm möglich. Derartig hohe Ströme (Leck- 50 einem Siliziumstab beim Zönenschmelzprozeß ist ströme) erreicht nun der Thyristor im gesperrten Zu- wegen der sehr niedrigen Verteilungskoeffizienten stand erst bei der durch »Punch-through« oder dieser Stoffe in Silizium verhältnismäßig einfach »Breakdown« bestimmten maximalen Sperrspannung. durchführbar. Mit beiden Verfahren ist auch der Erst bei sehr hohen Temperaturen werden derartige Absolutgehalt an derartigen Störstellen mit normalen Leckströme auch schon bei kleineren Spannungen 55 Mitteln regulierbar.
erreicht. Da nun aber der angegebene τ-Verlauf, wie Die oben angeführten Stoffe, Cu, Fe, Mn, Au, sind schon gesagt, weitgehend temperaturunabhängig be- als Rekombinationszentren in Silizium bekannt. Bestehenbleibt, wenn die p-Basis genügend hoch dotiert züglich der Einfangquerschnitte dieser Stoffe für ist, z. B. mit einer mittleren Akzeptorenkonzentration Elektronen und Defektelektronen steht auf Grund 1016 cm~3 oder mehr, bleibt also auch die Kippspan- 60 von allgemeinen theoretischen Überlegungen zu ernung temperaturstabil, und zwar ist sie bis zu sehr warten, daß Rekombinationszentren mit Akzeptorhohen Temperaturen von 150° C und mehr gleich Charakter einen größeren Einfangquerschnitt für der »Breakdown«- bzw. »Punch-throughÄ-Spannung. Defektelektronen besitzen, während umgekehrt bei Die erste der angestrebten Forderungen wird daher Donatoren der Einfangquerschnitt normalerweise für mit der Erfindung erreicht. 65 Elektronen größer sein wird. Demnach wird emp-
Mit der vorgeschlagenen Maßnahme erreicht man fohlen, zur Anreicherung mit Rekombinationszentren,
jedoch auch zugleich gute Durchlaßeigenschaften. wie beschrieben, für solche Leistungsgleichrichter aus
Um gute Durchlaßeigenschaften zu erreichen, ist es Silizium,. deren p-Basis höher dotiert ist als die
η-Basis, vorzugsweise Mangan zu benutzen, während es für Leistungsgleichrichter aus Silizium mit höher dotierter η-Basis als aussichtsreich erscheint, diese mit Kupfer anzureichern. Eisen und Gold bilden sowohl Donator- als Akzeptorstörstellen, haben also in beiden Fällen günstige Eigenschaften.
Die Erfindung ist hier am Beispiel eines aus Silizium hergestellten Halbleiterbauelementes geschildert worden, ohne jedoch an dieses Halbleitermaterial gebunden zu sein, vielmehr kommen auch andere Halbleiterstoffe, die sonst für ähnliche Zwecke wie Silizium in elektronischen Anlagen verwendet werden, für die praktische Verwirklichung der Erfindung in Betracht, insbesondere solche, die im Diamantgitter kristallisieren. Als Beispiel seien noch genannt: Germanium, Siliziumkarbid, intermetallische Verbindungen der III. und V. Gruppe sowie der II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente wie Galliumarsenid bzw. Zinkselenid. Auch für diese Halbleitermaterialien sind die genannten Zusatzstoffe als Rekombinationszentren bildende Stoffe bekannt. Allgemein sind geeignete Zusatzstoffe für jedes Halbleitermaterial an Hand seines Bändermodells auszuwählen oder zu ermitteln.

Claims (8)

Patentansprüche:
1. Leistungsgleichrichter · mit einkristallinem Halbleiterkörper, enthaltend vier aufeinanderfolgende Schichten von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, von denen die erste, zweite und dritte Schicht einen ersten Transistor und die zweite, dritte und vierte Schicht einen zweiten Transistor bilden und dessen zweite Schicht eine höhere Dotierungskonzentration als die dritte Schicht hat, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärkungsfaktor des ersten Transistors im Stromdichtebereich unterhalb 10 mA/cm2 sehr klein gegen eins ist und im Stromdichtebereich zwischen 10 und 100 mA/cm2 steil gegen eins ansteigt und daß der Stromverstärkungsfaktor des zweiten Transistors in dem zuletzt genannten Stromdichtebereich praktisch stromunabhängig ist.
2. Gleichrichter nach Anspruch 1, dadurch ge- 45 S. kennzeichnet, daß im Bereich.des Steilanstiegs des Stromverstärkungsfaktors des ersten Transistors der Stromverstärkungsfaktor des zweiten Transistors noch so weit unter dem Wert eins liegt, daß die Summe der beiden Stromverstärkungsfaktoren den Wert eins erst bei einem Stromwert überschreitet, bei welchem der Stromverstärkungsfaktor des ersten Transistors bereits einen erheblichen Teil des Steilanstiegs durchlaufen hat.
3. Gleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration der zweiten Schicht in einem der ersten Schicht benachbarten Teilbereich etwa 1017cm~3 beträgt und in einem der dritten Schicht benachbarten Teilbereich um mehrere Zehnerpotenzen niedriger ist.
4. Gleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die zweite Schicht zusätzlich Rekombinationszentren enthält.
5. Gleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auch die übrigen drei Schichten des Halbleiterkörpers Rekombinationszentren gleicher Art enthalten.
6. Gleichrichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Rekombinationszentren aus solchen Störstellen bestehen, deren Energieniveau der Mitte des verbotenen Energiebandes des Halbleitermaterials zwischen seinem Valenz- und Leitungsband näher liegt als dem nächstgelegenen Rande des verbotenen Energiebandes und die gegenüber den Minorkätsträgern der zweiten Innenschicht einen wesentlich größeren Einfangquerschnitt haben als gegenüber ihren Majoritätsträgern.
7. Gleichrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Rekombinationszentren aus Gold bestehen.
8. Gleichrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer p-leitenden zweiten Schicht die zusätzlichen Rekombinationszentren aus Mangan bestehen.
In Betracht gezogene Druckschriften:
IRE Transact, on Electron Devices, Januar 1959, bis 35;
Proc. IRE, September 1956, S. 1174 bis 1182.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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