DE1916555A1 - Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
SEMIKRON Ges. f. Gleichriehterbau u. Elektronik mbH.
8500 Nürnberg , Wiesentalstraße kO
Telefon O9II/33OI4I, 331813 - Telex 06/22155
Datumj 26, März I969
Unser Zeichens I II6903
Halbleiter - Gleichrichter
Anordnung und Verfahren
zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung
mit wenigstens zwei, in einem Körper aus halbleitendem Material gebildeten, jeweils einen pn-tibergang aufweisenden, unsymmetrisch
leitenden Systemen, die an ihren zur Kontaktierung vorgesehenen Flächen über metallische Leiterbahnen zu einer Gleichrichterschaltung
verbunden sind.
Der ständig steigende Bedarf an Halbleiter-Bauelementen zur Rationalisierung
und Automatisierung von Anlagen, Geräten und Verfahren
erfordert auch bei Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen sowohl für die Leistungselektronik als auch für Miniatur-Schaltkreise
immer vorteilhaftere Ausführungsformen.
Bei Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen bekannter Ausführung
ist wenigstens eine Halbleitertablette mit elektrisch und mechanisch geeigneten metallischen Bauteilen, deren Bauform sowie
Herstellung und Verarbeitung meist sehr aufwendig ist, in einem entsprechenden Gehäuse angeordnet. Solche Anordnungen müssen
zur Erzielung von Gleichrichterschaltungen häufig in spezieller Weise zusammengebaut und umständlich verschaltet werden.
Bekannte HaJ/bleiter-Gleichrichter-Anordnungen in Kunststoffgehäuse, deren Aufbau die gleichzeitige Herstellung einer größe-
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ren Anzahl ermöglicht, werden besonderen Anforderungen an Hau-'
größe Lind/oder Wirtschaftlichkeit nicht in allen Fällen gerecht.
Weiterhin sind Halbleiter-Batielemente in sogenannter Planarausführung
bekannt, die zwar bezüglich ihrer Ausdehnungen vorteilhaft sind, jedoch hinsichtlich ihrer elektrischen Kennwerte gewisse
Einschränkungen zeigen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus zwei oder mehr Halbleiter-Bauelementen bestehende Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung
zu erzielen, bei der die Einzelelemente in einfacher und wirtschaftlicher Weise gegenseitig räumlich und scbaLtungs—
mäßig zvigeordnet und elektrisch verbunden sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß überraschend vorteilhaft dadurch
gelöst, daß ein, einen pn-übergang aufweisender Halbleiterkörper durch wenigstens eine Aussparung vorbestimmter Tiefe,
die den Halbleiterkörper von vorbestimmten Kontaktflächen aus
senkrecht zur Fläche seines pn-Übergangs und durch diesen hindurch
durchsetzt, in wenigstens zwei Systeme unterteilt ist, die auf der, der oder den Aussparungen gegenüberliegenden Kontaktfläche
eine gemeinsame Leiterbahn und auf den durch die Aus spa rung (en) unterteilten Kontaktflächen einen kontakt fälligen
metallischen Überzug aufweisen.
Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen, bei dem ein vorbereiteter
Halbleiterkörper auf zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit wenigstens einen pn-ttbergang bildenden Leitfähigkeitszonen
und weiterhin mit einem metallischen Kontaktüberzug versehen wird.
Daö Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß mittels bekannter
Diffusions- und Maskentechnik auf jeder Seite gleichlaufende und aneinandergrenzende Zonen abwechselnd entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps, beidseitig in Verlauf und Ausdehnung übereinstimmend und in der Zonenfolge versetzt, erzielt werden und
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r;!.; ν 1 BADORiGlNAL
Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH. Di« Lt ""5*
jede Zonenfolge mit einem Kontaktüberzug versehen wird, daß der aus neben- und übereinanderliegenden Leitfähigkeitszonen und
beiderseitigen IContaktüberzügen bestehende Sohiehtenaufbau mittels
bekannter Photoätztechnik durch schlitzförmige Aussparungen
vorbestimmter Ausdehnung von einer Seite aus in mit deren Zonen übereinstimmende und von der gegenüberliegenden Seite aus
in zu deren Zonen quer und zur Gegenseite überlappend verlau- . fende Abschnitte unterteilt wird, so daß streifenförmige, rasterförmig
angeordnete Leiterbahnen erzielt werden, und daß durch geeignete Ausbildung und Anordnung von Ätzmasken der
Schichtenaufbau in Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen beliebiger Schaltung zertrennt wird.
Anhand der in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Anordnungen und Ausführungsbeispiele werden Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes
der Erfindung aufgezeigt und erläutert. Für gleiche Teile sind in allen Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
Figur 1a zeigt das Schaltungssymbol für eine Halbleiter-Gleiche
richter-Anordnung in Einphasen-Brückenschaltung in räumlicher
Darstellung und in Figur 1b ist diese Darstellung schematisch und auf blockförmige Einzelelemente entsprechend dem Aufbau
von dotierten Halbleiterkörpern spezifiziert. Die Figuren 2 und 3 zeigen perspektivisch als Baustein geeignete Formen von
Halbleiterkörpern zur Erzielung von Anordnungen gemäß Figur 1b. In Figur h ist, ebenfalls perspektivisch, ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgeraäßen Gegenstandes ohne Umhüllung und
Stromleitungsanschlüsse und in Figur 5 im Querschnitt eine vorbereitete
Halbleiterscheibe zur Herstellung von Halbleiter-Anordnungen gemäß der Erfindung aufgezeigt.
Ordnet man beim Symbol eines Gleichrichterelements der die Spitze abdeckenden Platte p-Leitfähigkeit und der Grundfläche
η-Leitfähigkeit zu, so bilden in der, aus zwei parallelen Zweigen mit je zwei in Reihe geschalteten, p-n-Schichtenfolge aufweisenden
Gleichrichterelementen bestehenden Anordnung gemäß Figur 1a die beiden räumlich in gleiche Richtung weisenden
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BAD ORIGINAL
SEMIKR0N
!Einzelelemente 1 und 2 einen gemeinsamen p-Anschluß 7 und die
beiden weiteren, gegenseitig gleichsinnig und zu den ersten entgegengesetzt angeordneten Einzelelemente 3 und h einen gemeinsamen
n-Anschruß 8. Jeweils zwei, gegenseitig in entgegengesetzte Richtung weisende Einzelelemente 1 und 3 bzw. 2 und h
sind an ihrer freien Elektrode unterschiedlicher Leitfähigkeit zu einem gemeinsamen Wechselanschluß 5 bzw. 6 verbunden. Die
Anordnung der Einzelelemente zeigt einerseits zwei jeweils durch zwei in gleiche Richtung weisende Elemente und einen Gleichstrom
anschluß gebildete Ebenen und andererseits,im rechten Winkel dazu,
zwei jeweils durch zwei gegenseitig in entgegengesetzte Rich- W tung weisende Elemente und einen Wechselstromanschluß gebildete
Ebenen. Aus diesem grundlegenden Aufbau ergibt sich, bei spezieller Zuordnung von axis halbleitendem Material mit pn-Schich—
tenfolge bestehenden Körpern als Einzelelementen, die Anordnung gemäß Figur 1b, wobei die zwischen den Bereichen unterschiedlicher
Leitfähigkeit befindlichen Grenzschichten (pn-Übergänge)
ebenfalls dargestellt sind. Sind die Verbindungen 5 und 6 bzw. 7 xmd 8 als streif en f'örmige, metallische Leiterteile ausgebildet,
so liegt eine funktionsfähige Halbleiter-Gleichrichter— Anordnung entsprechend dem Schema in Figur 1a vor,
Aus der Darstellung in Figur 1b ist ersichtlich, daß jeweils
k die beiden, in gleicher Richtung weisenden Elemente 1 und 2 bzw.
3 und h mit ihrem dem gemeinsamen Anschluß 7 bzw, 8 zugeordneten
Leitfähigkeitsbereich zusammengefügt und auf der zur Ausbildung
des Anschlusses vorgesehenen Fläche über einen metallischen Überzug verbunden sein können. Eine solche Elementenreihe ist
in Figur 2 aufgezeigt. Ein Halbleiterkörper besteht aus zwei übereinander angeordneten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. Jeweils im Abstand der unterbrochenen Linien 1,11,III und
senkrecht zur Längsachse des Halbleiterkörper verlaufende, schlitzförmige Aussparungen 15 erstrecken sich von der Unteren
Fläche der η-Zone bis über den durchgehenden pn—Übergang ttnd
trennen den Halbleiterkörpei^ in die Einzelelemente H9S und 1»
;nit freiliegendem pn-übergang 9»10 und 9*» die on ihrer p-Zone
einseitig mechanisch und elektrisch vei'lninden sind und auf der
zur Kontaktierung vorgesehenen, gemeinsamen Oberfläche oi.no
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Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik lnbl-I. Bjbeetrtr"?—-
durchgehende, metallische Leiterbahn 7 als p-Anschluß aufweisen.
Die Anzahl der bedarfsweise zueinander parallel verlatif enden
Aussparungen bestimmt die Anzahl der getrennten pn-Systeme.
Wird eine solche Elementenreihe nach jedem zweiten Element ganz durchgetrennt, so ist beispielsweise eine aus den Elementen 1
und· 2 mit den pn—Übergängen 9 und 10 bestehende Baueinheit als
die eine Hälfte und, durch sinnvolle, seitenverkehrte Anordnung von Aussparungen 15 tind Leiterbahn 8 eine entsprechende Baueinheit
als die andere Hälfte des Aufbaues gemäß Figur 1b gegeben.
Betrachtet man in Figur 1b jeweils die beiden, gleiche Schichtenfolge
aufweisenden Einzelelemente 1 und 2 bzw. 3 und h als ein System, so ergibt sich die Anordnung gemäß Figur 3 dadurch,
daß die beiden Systeme durch Parallelverschiebung zu einem, eine horizontale pn-Übergangsfläche und eine,diese durchsetzende,
vertikale pn-Übergangsflache aufweisenden Aufbau zusammengefügt
sind. Der Halbleiterkörper kann aus zwei oder mehr, in einer Ebene liegenden, abwechselnd entgegengesetzte Leitfähigkeit
aufweisenden Systemen bestehen. Auf jeder Seite des Halbleiterkörpers
sind die, abwechselnd entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisenden Zonen gleichlaufend, bedarfsweise zueinander
parallel angeordnet, und jede Zone bildet mit den ihr benachbarten
Zonen jeweils einen pn-übergang.
Durch geeignete, quer zu den Zonen und vorzugsweise zueinander
parallel verlaufende. Aussparungen 15 auf einer Seite des Halbleiterkörpers,
die gemäß der Anordnung in Figur 2 in den durch die unterbrochenen Linien I und II bestimmten Ebenen A und B
angebracht sind,und den Halbleiterkörper ganz durchsetzen, sind Elementereihen gegeben, die jeweils einer Kombination der Einzelelemente
1 und 3 bzw. 2 und k gemäß Figur 1b entsprechen und
die pn-t}bergänge 9 und 11 bzw, 10 (verdeckt) und 12 aufweisen,
Eine weitere schlitzförmige Aussparung 16, die auf der anderen
Seite des Halbleiterkörpers parallel zu den Zonen und. in der
Ebene der senkrechten pn-übergangsfläche angeordnet ist und die
horizontale pn-tfbergangsflache durchsetzt, schneidet die dazu
.... . , 1098 10/08 83 ,...
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rechtwinkligen Aussparungen 15 und trennt die beiden Systeme bis
auf einen senkrechten, den pn-übergang 13 aufweisenden Steg. Die beiden Systeme weisen jeweils auf ihrer, zu der Aussparung 16
parallelen, oberen Kontaktfläche eine metallische Leiterbahn 7
bzw. 8 auf. Die dazu rechtwinklig angeordneten, jeweils beiden Systemen zugeordneten und durch die Aussparungen 15 gebildeten,
streifenförmigen Flächenabschnitte auf der gegenüberliegenden
Seite des Halbleiterkörpers weisen jeweils eine metallische Leiterbahn 5 bzw. 6 auf. Durch völliges Auftrennen längs der Ebene B
in Figur 3 ist eine Anordnung gegeben, die in ihrem Aufbau und in ihrer elektrischen Funktion mit der in Figur 1b dargestellten
übereinstimmt, wobei die verbleibenden Abschnitte 13 und lh
(verdeckt) der vertikalen pn-ttbergangsf lache durch die Leiterbahnen
5 und 6 kurzgeschlossen sind.
In Figur k ist zur Veranschaulichung des besonders vorteilhaften
Aufbaues des Gegenstandes der Erfindung eine solche Anordnung perspektivisch stark vergrößert aufgezeigt. Die schraffierten
Flächen stellen die wirksamen pn-Übergangsflachen 9 bis 12 der
Einzelelemente und die beiden kurzgeschlossenen pn-Übergänge 13 und 14 zwischen den Systemen dar. Die in zwei sich schneidenden
Ebenen verlaufenden Aussparungen 15 und 16 trennen den Ausgangskörper mechanisch so weit in vier Einzelelemente 1 bis 4,
daß deren vorbestimmte elektrische Funktion, und, über die verbleibenden Zwischenstege und die metallischen Leiterbahnen,
auch die ausreichende mechanische Stabilität gewährleistet ist. Die Ausdehnungen der Einzelelemente, der Leiterbahnen tind der
Aussparungen bestimmen die elektrische Belastbarkeit der Anordnung.
Zur Herstellung erfindungsgemäßer Halbleiter-Anordnungen wird
eine Scheibe aus halbleitendem Material, beispielsweise aus Silizium, mittels an sich bekannter Oxydations-, Photoätz- und
Diffusionsprozesse auf beiden Flächen mit streifenförmigen und
zueinander parallelen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps.
in der Weise versehen, daß die Zonen beider Flächen in ihrem Verlauf und in ihr.en Ausdehnungen übereinstimmen,
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Gesellschaft f. Gleich rieht erbau it. Elektronik mbH. Blati
lind daß jede Zone sowohl mit der auf der gleichen Fläche als
auch mit der auf der gegenüberliegenden Fläche benachbarten Zone
einen pn-t*bergang bildet, wie dies in Figur 5 dargestellt
ist. Anschließend werden beide dotierten Flächen vollständig mit einen geeigneten metallischen Überzug versehen, beispielsweise
mit einer oder mehreren ITi ekel schach ten, und danach mit
einer zur Fhrzielung der schlitzförmigen Aussparungen 15 und 16
entsprechend ausgebildeten Xtzmaske abgedeckt. In dem anschließenden
Xtzprozeß werden durch Bildung von Aussparungen 16 von
der oberen Scheibenfläche her die senkrechten pn-Übergänge der oberen Zonenfolge beseitigt rind gleichzeitig Leiterbahnen 7 und
8 gebildet. Durch Ätzen bis in die untere Zonenfolge werden
streifenförniige Halbleiterkörper senkrecht zur Darstellungsebene
erzielt, welche einen gleichförmigen, dux"chgehenden Schichten—
aufbau mit abwechselnd entgegengesetzter Schichtenfolge aufweisen. Dazu rechtwinklig werden gleichzeitig von der unteren Fläche
her Aussparungen 15 (Figur h) ausgebildet, welche zueinander
parallel und bis in die obere Zonenfolge verlaufen und die streifenförmigen Halbleiterkörper in funktionsfähige Einzelelemente
unterteilen, wobei je nach Schichtenaufbau der wirksame pn-übergang abwechselnd an der unteren (11) und an der oberen
Zonenfolge (9} freigelegt wird. Im Schnittbereich der Aussparungen
15»16 wird der Halbleiter—Ausgangskörper vollständig durchgeätzt.
Die Xtzmasken können so ausgebildet sein, daß der Halbleiterkörper in den durch die Aussparungen 15 und 16 vorgegebenen
Trennebenen nach jedem zweiten Einzelelement ganz durchge— ätzt wird, entsprechend den unterbrochenen Linien I und II, und
Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen gemäß Figur k erzielt werden.
Je nach der geforderten Strombelastbarkeit der gewünschten Anordnung
ist aus einer vorgegebenen Halbleiterscheibe eine größere Anzahl von Kleingleichrichter-Anordnungen oder aber nur
eine einzige großflächige Anordnung erzielbar. Bezüglich der Bestimmungsgrößen für. das Halbleiter-Atisgangsmaterial gelten
die bei der Herstellung der Leiterbahnen bekannten Überlegungen. Die Herstellung der Leiterbahnen kann nach an sich bekannten
Verfahren erfolgen. Die Weiterverarbeitung erfindungsgemäßer
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Gesellschaft f. Gleichrichterbau τι. Elektronik mbH. B*srtrtr
Anordnungen zu anschlußfertigen, bedarfsweise gekapselten Bauelementen
kann in vielfältiger, an sich bekannter Weise durchgeführt werden.
Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf die aufgezeigten
Ausführungsbeispiele beschränkt. Aus den Figuren 2,3 und 5 ist zu entnehmen, daß durch geeignete Ausbildung und Anordnung der Ätzmasken in gleich vorteilhafter Weise Halbleiter-Gleichrichter-Anordnttngen in allen geläufigen Schaltungen erzielt werden können. Das Trennen kann auch durch Ultraschallbohren oder mit tels geeigneter Sägeeinrichtungen erfolgen.
Ausführungsbeispiele beschränkt. Aus den Figuren 2,3 und 5 ist zu entnehmen, daß durch geeignete Ausbildung und Anordnung der Ätzmasken in gleich vorteilhafter Weise Halbleiter-Gleichrichter-Anordnttngen in allen geläufigen Schaltungen erzielt werden können. Das Trennen kann auch durch Ultraschallbohren oder mit tels geeigneter Sägeeinrichtungen erfolgen.
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Claims (4)
1.y Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung mit wenigstens zwei, in
einem Körper aus halbleitendem Material gebildeten, jeweils einen pn-übergang aufweisenden, unsymmetrisch leitenden Systemen,
die an ihren zur Kontaktierung vorgesehenen Flächen über metallische Leiterbahnen zu einer Gleichrichterschaltung verbunden
sind, dadurch gekenn zeichnet , daß der einen pn—tibergang aufweisende Halbleiterkörper durch
wenigstens eine Aussparung vorbestimmter Tiefe, die den Halbleiterkörper
von vorbestimmten Kontaktflächen aus senkrecht zur
Fläche seines pn-Übergangs und durch diesen hindurch durchsetzt, in wenigstens zwei Systeme unterteilt ist, die auf der, der
oder den Aussparungen gegenüberliegenden Kontaktfläche eine gemeinsame
Leiterbahn und atif den durch die Aussparung(en) unterteilten
Kontaktflächen einen kontaktfähigen metallischen Überzug aufweisen,
2. Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit einer die Anzahl der getrennten pn-Systeme bestimmenden Anzahl von bedarfsweise
zueinander parallel verlaufenden Aussparungen versehen ist.
3. Halbleiter-Gleichrichter-Anordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus zwei oder mehr in
einer Ebene liegenden, abwechselnd entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisenden Systemen besteht, daß auf jeder Seite des
Halbleiterkörper die abwechselnd entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisenden Zonen gleichlaufend, bedarfsweise zueinander
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SEMIKRON
Gesellschaft f. Gleichrichterbau u. Elektronik mbH.
Λ0
parallel angeordnet sind, daß jede Zone mit den ihr benachbarten Zonen jeweils einen pn-übergang bildet, daß der Halbleiterkörper
auf der einen Seite mit wenigstens einer, parallel zu den Zonen verlaufenden, dieselben voneinander trennenden Aussparung
und auf der anderen Seite mit wenigstens einer, quer zu den gegebenen Zonen verlaufenden Aussparung versehen ist,
und daß die so gebildeten, voneinander getrennten Kontaktflächen auf jeder zur Kontaktierung vorgesehenen Seite des Halb- .
leiterkörpers, mit Leiterbahnen versehen, zur Ausbildung gewünschter
Gleichrichterschaltungen dienen,
4. Verfahren zur Herstellung von Halbleiter-Gleichrichter—
Anordnungen nach den Ansprüchen 1 bis 3» bei dem ein· vorbereiteter Halbleiterkörper auf zwei einander gegenüberliegenden
Seiten mit, wenigstens einen pn—Übergang bildenden Leitfähig—
keitszonen und weiterhin mit einem metallischen Kontaktüberzug
versehen wird, dadurch gekennzeichnet, daß mittels bekannter Diffusions- und Maskentechnik auf jeder Seite gleichlaufende
und aneinandergrenzende Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, beidseitig in Verlauf und Ausdehnung übereinstimmend, und in der Zonenfolge versetzt, erzielt werden und
jede Zonenfolge mit einem Kontaktüberzug versehen wird, daß der aus neben— und übereinanderliegenden Leitfähigkeitszonen
P und beiderseitigen Kontaktüberzügen bestehende Schichtenaufbau mittels bekannter Photoätztechnik durch schlitzförmige Aussparungen
vorbestimmter Ausdehnung von einer Seite aus in mit deren Zonen übereinstimmende und von der gegenüberliegenden Seite
aus in zu deren Zonen quer und zur Gegenseite überlappend verlaufende
Abschnitte unterteilt wird, so daß streifenförmiges
rasterförmig angeordnete Leiterbahnen erzielt werden, und daß
durch geeignete Ausbildung und Anordnung von Ätzmasken der Schichtenaufbau in Halbleiter-Gleichrichter-Anordnungen beliebiger
Schaltung zertrennt wird.
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