DE1564420B2

DE1564420B2 - Symmetrisch schaltendes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1564420B2
Application number: DE1564420A
Authority: DE
Inventors: Gerald David Bushey Heath Hertfordshire Bergman; Ralph David Greenford Middlesex Knott
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1965-07-23
Filing date: 1966-07-21
Publication date: 1975-09-25
Also published as: BE684419A; NL156541B; AT269217B; DE1564420C3; NL6610061A; SE339514B; DK112039B; US3443171A; CH437541A; DE1564420A1; GB1053937A; ES329326A1

Description

Die Erfindung betrifft ein aus mindestens fünf Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehendes, symmetrisch schaltendes Halbleiterbauelement mit zwei Emitterübergängen, die an den die Kontaktelektroden tragenden Oberflächen des Halbleiterkörpers durch diese Elektroden kurzgeschlossen sind. Bei solchen Bauelementen, die in J. App. Phys. 30 (1959), 1819, beschrieben sind, verläuft der Weg, auf dem der Strom fließt, jeweils von einem Emitterübergang zu der gegenüberliegenden Kontaktelektrode. Das Bauelement kann in beiden Richtungen leiten, je nach der Polarität der angelegten Spannung und dem Wert der an Torzonen zwischen den Emitterübergängen und den Kontaktelektroden angelegten Spannung. Solche Vielschichtbauelemente haben mindestens fünf Zonen, wobei die etwaigen sechsten und weiteren Zonen Torübergänge bilden können. Bei mit einer Torelektrode versehenen Bauelementen, auf die sich die Erfindung auch bezieht, wird die Leitung durch eine Injektion von Ladungsträgern mittels der Torelektrode ausgelöst. Bauelemente dieser Art sind in »Solid State Design«, September 1964, S. 25 ff., beschrieben. Eine Torelektrode hat nur die Aufgabe, den Stromfluß durch eine Injektion von Ladungsträgern auszulösen und ein Einschalten des Bauelements zu bewirken. Die beiden Elektroden des Bauelements, zwischen denen der Strom fließt, werden als Anode und Kathode bezeichnet, je nach der Flußrichtung des Stromes. Der Ausdruck »symmetrische Schaltkennlinie« zeigt an, daß das Bauelement Schalteigenschaften im ersten und dritten Quadranten der Strom-Spannungs-Kennlinie hat, und die Elektroden, die in einem Quadranten als Anode und Kathode wirksam sind, sind nach Umschaltung im anderen Quadranten als Kathode bzw. Anode wirksam.

F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein solches bekanntes, aus fünf Zonen bestehendes, mit zwei Elektroden versehenes Bauelement.

Das dargestellte Bauelement besteht aus einem Einkristallsiliziumkörper mit fünf aneinander grenzenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. Eine mittlere N-Ieitende Zone 2 liegt zwischen einer ersten und einer zweiten P-leitenden Zone 3 bzw. 4 und bildet mit diesen die PN-Übergänge 5 bzw. 6. Eine erste und eine zweite N-Ieitende Emitterzone 7 und 8 grenzen an die P-leitenden Zonen 3 bzw. 4, mit denen sie einen ersten und einen zweiten Emitter-PN-Übergang 9 bzw. 10 bilden. Der Einfachheit halber wird das Bauelement so betrachtet, als bestehe es aus zwei Teilen A und B. die durch die gestrichelte Linie 15 voneinander getrennt sind, die sich parallel zur Richtung des Stromflußes in jedem Teil erstreckt und die Punkte miteinander verbindet, an denen die Emitterübergänge 9 und 10 von den Elektroden 13 und 14 kurzgeschlossen werden.

Die Oberfläche 11 bzw. 12 des Halbleiterkörpers wird durch die in derselben Ebene liegende Außenfläche der aneinander grenzenden Emitterzone 7 (bzw. 8) und der P-leitenden Zone 3 (bzw. 4) gebildet. Diese einander gegenüberliegenden Außenflächen 11 und 12 tragen Kontaktelektroden 13 (bzw. 14), die einen ohmschen Kontakt mit der angrenzenden Emitterzone und der ebenfalls angrenzenden P-leitenden Zone machen, wobei diese Elektroden je über einem Emitterübergang liegen und diesen kurzschließen. Auf den Elektroden sind elektrische Kontakte angebracht, durch die dem Bauelement elektrische Signale zugeführt werden können.

Das Bauelement ist ein symmetrischer Schalter; seine Strom-Spannungs-Kennlinie ist in F i g. 2 dargestellt. Das Bauelement kann im 1. oder 3. Quadranten leiten und durch Umkehrung der angelegten Spannung von einem zu dem anderen Quadranten umgeschaltet werden.

Wie F i g. 3 zeigt, erstreckt sich ein Bereich 16 mit einer Ladungsträgerkonzentration bis jenseits des Stromweges 17 zwischen dem Emitterübergang und der gegenüberliegenden Kontaktelektrode. Dieser Stromweg wird durch die Strichlinie 15 begrenzt. Die Ladungsträgerkonzentration im Stromweg 17 ist nahezu konstant und nimmt außerhalb des Stromweges im nichtleitenden Teil des Bauelements mit einer logarithmischen Funktion ab. Wenn die angelegte Spannung derart ist, daß das Bauelement im Teil A leitet, d. h.

durch Emission von Ladungsträgern über dem ersten Emitterübergang 9 und Kollektion bei der zweiten Kontaktelektrode 14, besteht eine gewisse Konzentration von Ladungsträgern jenseits der Strichlinie 15 im Teil B zwischen dem zweiten Emitterübergang 10 und der ersten Kontaktelektrode 13. Wenn das Bauelement schnell zwischen dem 1. und dem 3. Quadranten umgeschaltet wird, ist es möglich, daß sich über dem zweiten Emitterübergang der Ladungsträger von vorhergehenden Schaltzustand infolge eine Vorwärtsspannung entwickeln kann, so daß der Teil B des Bauelements vorzeitig leitend wird.

Ein derartiges Bauelement hat wegen den gespeicherten Ladungsträgern den Nachteil, daß es im Betrieb bei einer niedrigen Spannung eingeschaltet wird, wenn die angelegte Spannung rasch umgekehrt wird, also die Geschwindigkeit, mit der sich der Strom ändert, groß ist.

Das bekannte Bauelement ist also nur verwendbar, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes unterhalb eines normal zulässigen Wertes liegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Bauelement der eingangs genannten Art diesen Nachteil zu vermeiden, also die zulässige Änderungsgeschwindigkeit des Stromes heraufzusetzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Emitterzonen derart angeordnet sind, daß ihre Projektionen auf einen parallel zu den die mittlere Zone begrenzenden PN-Übergängen verlaufende Ebe-

ne in einem Abstand voneinander liegen.

Der Abstand kann ΙΟΟμίτη oder größer oder vorzugsweise 500 μπι oder größer sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 2 einen senkrechten Schnitt durch ein aus fünf Zonen bestehendes, mit vier Elektroden versehenes Bauelement nach der Erfindung, und

F i g. 3 eine Draufsicht auf das Bauelement nach F ig. 4.

Das Umschaltverhalten ist bei dem erfindungsgemäßen Bauelement verbessert. Bei diesem Bauelement hat die Ladungsträgerkonzentration zwar einen noch hohen Wert außerhalb des Stromweges, aber diese Ladungsträgerkonzentration 16 erstreckt sich entweder gar nicht oder nur geringfügig bis in den Stromweg des anderen Teiles des Bauelements, der im anderen Quadranten leitet.

F i g. 4 zeigt ein Bauelement auf fünf Zonen und zwei Torkontakten nach der Erfindung-. Bei einem scheibenförmigen Einkristallkörper 18 aus N-leitendem Silizium mit einer Dicke von 155 μπι, einem Durchmesser von 14 mm und einem spezifischen Widerstand von 35 Ω cm wurde bis zu einer Tiefe von 40 μπι in die beiden einander gegenüberliegenden Außenflächen Gallium eindiffundiert, wodurch sich eine Oberflächenkonzentration von 2 ■ 10¹⁸ Atomen/cm³ ergab. Durch die Galliumdiffusion entstanden P-leitende Zwischenzonen 19 und 35, die an eine N-leitende mittlere Zone 21 mit einer Dicke von 75 μιτι grenzten. N-leitende Emitterzonen 22 und 23 mit einer Tiefe von 14 μιτι und einer Oberflächenkonzentration von 10²¹ Atomen/cm³ wurden dann dadurch gebildet, daß durch mittels photolithographischer Verfahren in einer Oxidmaske hergestellte Fenster hindurch Phosphor eindiffundiert wurde. Dann wurden vernickelte Molybdänscheiben 24 und 25 mit einer Dicke von 250 μπι mit Hilfe von Schichten 26 und 27 eines aus einer Blei-Nickel (0,1%)-Legierung bestehenden Lotes auf die einander gegenüberliegenden Außenflächen des Körpers 18 gelötet. Die Scheiben 24 und 25 bilden einen ohmschen Kontakt mit den angrenzenden N-Ieitenden Emitterzonen und P-leitenden Zwischenzonen und somit einen Kurzschluß für die Emitterübergänge entlang den Linien, mit denen diese Übergänge an die Oberfläche treten. Diese Linien sind in F i g. 4 durch die Punkte 28 dargestellt. Auf den P-leitenden Zwischenzonen 19 und 35 wurden mit Hilfe von Ultraschallschweißverfahren Aluminiumkontakte 29 und 30 angebracht.

Die Scheibe 25 des Bauelements wurde dann mit einem Zinnlot auf einem Kupferträger 31 befestigt, während ein biegsamer Kupferdraht 32 an die Scheibe 24 gelötet wurde. Das Bauelement wurde anschließend mit einer Hülle versehen. An die Torkontakte 29 und 30 können Schaltspannungen angelegt werden.

F i g. 5 zeigt eine Draufsicht aus der durch den Pfeil 36 in F i g. 4 angegebenen Richtung auf eine Fläche des Körpers 18 vor dem Anbringen der Hülle. An den frei liegenden Teil der P-leitenden Zwischenzone 19 ist der Torkontakt 29 aus Aluminium geschweißt, und die Scheibe 24 bildet einen ohmschen Kontakt mit der Zone 19 nur die Projektion und der N-leitenden Emitterzone 22 von der in der Figur dargestellt ist. Der biegsame Kupferdraht 32 macht elektrischen Kontakt mit der Scheibe 24, und die Projektion der Emitterzone 23 auf eine sich senkrecht zur Stromflußrichtung erstreckende Ebene ist durch eine Strichlinie 33 bezeichnet. Der Pfeil 36 verläuft parallel zur Stromflußrichtung in diesem Bauelement. Der Abstand 34 zwischen den Projektionen der Emitterzonen beträgt etwa 1 mm.

Bei einem auf die im Beispiel beschriebene Weise hergestellten Bauelement zeigte sich, daß die Spannung bei der Umschaltung gesperrt wurde, bei der die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes mindestens 20 A^sek betrug. Dieser Wert bildete die Grenze der bei der Untersuchung benutzten Vorrichtung. Ein zweites Bauelement wurde auf die im Beispiel 1 beschriebene Weise hergestellt, jedoch ohne Abstand zwischen den Projektionen der Emitterzonen, d. h. mit einer Gestaltung der Emitterzonen ähnlich der nach Fig. 1. Dieses zweite Bauelement war nicht im Stande, die angelegte Spannung zu sperren, wenn die Änderungsgeschwindigkeit des Stromes 3 A^sek oder höher war.

Die Anwendung der Erfindung schafft somit ein Bauelement mit verbessertem Umschaltverhalten.

Ein Bauelement nach der Erfindung kann auch so ausgebildet sein, daß die Emitterzonen und die mittlere Zone aus P-leitendem Material und die Zwischenzonen aus N-leitendem Material bestehen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aus mindestens fünf Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehendes, symmetrisch schaltendes Halbleiterbauelement mit zwei Emitterübergängen, die an der die Kontaktelektroden tragenden Oberfläche des Halbleiterkörpers durch dicke Elektroden kurzgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzonen derart angeordnet sind, daß ihre Projektionen auf eine parallel zu den die mittlere Zone begrenzenden PN-Übergängen verlaufende Ebene in einem Abstand aneinanderliegen.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Projektionen mindestens 100 μίτι beträgt.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Projektionen mindestens 500 μπι beträgt.