DE1926459A1 - Stossspannungsfeste Halbleiterdiode - Google Patents

Stossspannungsfeste Halbleiterdiode

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DE1926459A1 DE19691926459 DE1926459A DE1926459A1 DE 1926459 A1 DE1926459 A1 DE 1926459A1 DE 19691926459 DE19691926459 DE 19691926459 DE 1926459 A DE1926459 A DE 1926459A DE 1926459 A1 DE1926459 A1 DE 1926459A1
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Description

9V68 . Sta/bö
Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Stossspannungsfeste Halbleiterdiode
Die Erfindung betrifft eine stossspannungsfeste Halbleiterdiode mit einer einen p-n Uebergang aufweisenden Halbleiterscheibe, die beiderseits mit flächenhaften Elektroden kontaktiert ist und der spezifische Widerstand der Halbleiterscheibe längs ihren Frontflächen variiert.
Als stossspannungsfest werden im allgemeinen Halbleiterdioden be- , zeichnet, deren zulässige Verlustleistung bei Lawinendurchbruch in Sperrrichtung zumindest angenähert gleich der Verlustleistung in Durchlassrichtung ist. Dieser theoretische Idealfall wird in der Praxis aber nicht erreicht. Der Grund für dieses von der Theorie abweichende Verhalten ist darin zu sehen, dass die Dotierung innerhalb der Kristallstäbe, aus denen die Halbleiterscheiben für solche Dioden hergestellt werden, nicht konstant ist, sondern jeweils senkrecht zur Zuchtachse des Kristailstabes variiert.
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wobei im allgemeinen in der Stabachse ein Dotierungsmaximum eintritt, was einem Minimum des spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterial«
entspricht.
Diese Inhomogenität in der Dotierung, die besonders bei Kristallen grösseren Durchmessers (20 mm und mehr) in Erscheinung tritt, führt dazu, dass sich bei. Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung eine Rawmladungszone einstellt, deren Dicke an den Stellen minimalen spezifischen Widerstandes des Halbleiter-Grundmaterials am kleinsten ist, so dass dort die maximal auftretende elektrische Feldstärke am höchsten wird. An den Stellen höchster elektrischer Feldstärke wird aber der Lawinendurchbruch eingeleitet, wobei der Durchbruchsstrom, wie man experimentell festgestellt hat, zumindest zu Beginn des Lawinendurchbruches nur über jenen Bereich der Halbleiterscheibe fliesst, in dem der spezifische Widerstand des Halbleiter-Grundmaterials wenigstens angenähert gleich seinem Minimalwert ist. Dabei kann es bereits bei einem relativ kleinem Durchbruchsstrom wegen der zumindest kurzzeitig auftretenden relativ hohen Stromdichten zur Zerstörung des. Halbleiter-' elementes kommen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine stossspannungsfeste Halbleiterdiode anzugeben, bei der trotz einer inhomogenen Dotierung des Halbleiter-Grundmaterials bei einem Lawinendurchbruch eine örtliche Ueberhitzung der Halbleiterscheibe weitgehend vermieden wird.
Die Halbleiterdiode gemäss der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dasi mindestens eine der Elektroden sowie eine eventuell an sie anschliessende hochdotierte Zone eine Aussparung aufweist, innerhalb
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welcher der spezifische Widerstand des Halbleiter-Grundmaterials ein Minimum hat, wobei die an dieser Aussparung liegende Halbleiter^one, die sich vor Eintreten eines Lawinendurchbruches ausserhalb des Raumladungsgebietes befindet, zwischen dem Rand der Aussparung und dem Rand eines Bereiches geringsten spezifischen Widerstandes des Halbleiter-Grundmaterials, in welchem der Lawinendurchbruch eingeleitet wird, einen V/iderstand aufweist, in dem ein durch diesen Bereich fliessender Strom I , bei dem noch keine Zerstörung des
Halbleitermaterials eintritt, einen Spannungsabfall A U erzeugen kann, der gleich ist der Differenz Δ π = U^2 - ÜU,, wobei Up, die Durchbruchsspannung in dem Bereich, in welchem der Lawinen-
durchbruch eingeleitet wird un&^JJLp die mittlere Durchbruch-.spannung im restlichen Teilder Halbleiterscheibe bedeuten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Beispiels eingehend erläutert.
Fig. 1 zeigt den Aktivteil eirer Halbleiterdiode schematisch im Schnitt. Die Dicke des Aktivteils ist dabei wie üblich übertrieben stark dargestellt. Der Halbleiterdioden-Aktivteil weist eine Halbleiterscheibelaus einkristallinem Silizium auf, bei dessen Herstellung von einem stangenförmigen schwach dotierten Sillziumeinkristall ausgegangen wird, welcher in der Nähe seiner Achse ein Dotierungsmaximum aufweist. Bei den Halbleiterscheiben, die von einer solchen Einkristallstange in Schnittebenen senkrecht zur Stangen achse abgetrennt werden, weist der spezifische Widerstand in einem zentralen Bereich I ein Minimum auf. Die Begrenzung dieses zentralen Bereiches I ist mit dem Radius r angenähert kreiszylinderförmig und
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dadurch definiert, dass in ihm der spezifische Widerstand des Halbleiter-Grundmaterials das 1- bis 1,05-fache seines Minimalwertes aufweist.
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Die p+ - ρ - η - n+ Struktur der Halbleiterscheibe besteht aus einer hochdotierten p+ -Zone 2 (mehr als 10 Akzeptoratome/cnr ), einer daran anschliessenden schwach dotierten Zone 3 (weniger als 10 Akzeptoratome/cm ) vom p-Leitungstyp, die mit einer darauffolgenden schwachdotierten Zone 4 (10 - 10 Donatoratome/enr^) vom n-Leitungstyp, in welcher das Grundmaterial unverändert erhalten geblieben ist, einen p-n Uebergang 5 bildet und schliesslich aus einer ringförmigen hochdotierten n+ Zone 6 jjmehr als 10 Donatoratome/cnr ),deren innerer t Rand 7 mit dem Radius R kreisförmig und konzentrisch das Gebiet I minimalen spezifischen Widerstandes des Halbleiter-Grundmaterial umschliesst.
Die Halbleiterscheibe 1 ist an ihrer hochdotierten p+ Zone 2 mit einer Trägerplatte 8 aus Molybdän und an der ringförmigen hochdotierten η - Zone 6 mit einer flächenhaften Elektrode 9 versehen und weist eine kegelförmig abgeschrägte Randoberfläche 10 auf, deren Basis der Trägerplatte 8 zugewandt ist. Zur Verwendung in einer Halbleiterdiode wird der Halbleiter-Aktivteil z.B. auf übliche V/eise in einem gasdichten Gehäuse kontaktiert und mit Anschlüssen versehen.
Die Wirkungsweise einer mit einem Halbleiter-Aktivfceil nach Fig. 1 versehenen Halbleiterdiode ist nun folgende ί
Bei Anlegen einer Spannung in Sperrrichtung zwischen der Elektrode 9 und der Trägerplatte 8 bildet sich knapp vor Eintreten eines Lawinendurchbruches zu beiden Seiten des p-n Ueberganges eine Raumladungszone aus, deren Grenzen in der Fig. 1 durch die Linien 11 angedeutet sind.
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Als Raumladungszone ist dabei Jenes Gebiet definiert, in dem die elektrische Feldstärke grosser als 1 kV/cm ist. Aus dem Minimum des spezifischen Widerstandes des Halbleiter-Grundmaterials, also der η-dotierten Zone 4, in der die Dotierung des Grundmaterials nicht verändert wurde, im Zentrum der Halbleiterscheibe folgt, dass die Dicke der Raumladungszone dort geringer ist, als in ihren übrigen Bereichen. Wie nun experimentell festgestellt wurde, ist die Spannung U~, bei der Lawinendurehbruch eintritt, angenähert proportional dem spezifischen Widerstand 9 in der η-dotierten Zone 4, in welcher sich dei grösste Teil der Raumladungszone befindet. Bei ansteigender Spannung in Sperrrichtung werden also die Bedingungen für das Einsetzen des Lawinendurchbruches zuerst dort erreicht, wo in der η-dotierten Zone 4 der spezifische Widerstand $ ein Minimum aufweist. Dabei bleibt, wie die Erfahrung zeigt, der Durchbruchsstrom zunächst auf den Bereich.I beschränkt, in dem der spezifische Widerstand der schwachen η-dotierten Zone 4 etwa das 1- bis l,Oj5-fache seines Minimalwertes beträgt. Der über den Bereich I fliessende Durchbruchstrom erzeugt in der scheibenförmigen Teilzone 12 der schwach η-dotierten Zone 4, die sich ausserhalb der Raumladungszone befindet, zwischen dem kreiszylindrischen Bereich I mit dem Radius r und dem
ymit dem Radius R
kreisförmigen inneren Rand 7 der hochdotierten p+ Zone bzw. der Elektrode 9 einen Spannungsabfall A^ U . Um zu erreichen, dass der Durchbruchsstrom nach seinem Einsetzen im Bereich I sich sofort über den ganzen für die Stromleitung vorgesehenen Querschnitt des Halbleiteraktivteils ausbreitet^ muss dieser Spannungsabfall Ä U = Δ U bei einem Durchbruchsstrom im Bereich Z9- bei dem sicher noch keine Zerstörung des Halbleitermaterials eintritt, gleich oder grosser sein
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als die genannte Differenz ** TUL der Durchbruchsspannwigen»
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Der Mechanismus der Stromverteilung im Halbleiterelement bei Lawinendurchbruch wird anhand des Ersatzschemas gemäss Fig. 2 besonders anschaulich. Die Diode 13 mit einer Durchbruchsspannung UD1 entspricht dem Bereich I des Halbleiteraktivteils. Ein über diese Diode 13 messender Strom in Höhe eines bestimmten zulässigen Durchbruchstromes J- erzeugt im Widerstand 14, welcher der Zone 12 des Halbleiter-Aktivteils entspricht, einen Spannungsabfall Δ U . Parallel zu der Serienschaltung, die aus Diode 13 und Widerstand 14 W gebildet wird, liegt die Diode 15 mit einer DurchbruchspannungΛ U,-^ welche den ausserhalb des Bereiches I liegenden Halbleiter-Aktivteil repräsentiert. Bei einem Spannungsabfall A U = .Δ π = π - π ,
IH XJ XJ £- XJ -*-
ist die Bedingung für einen Lawinendurchbruch in beiden Dioden 13j>15s d.h. also in allen Bereichen des Halbleiter-Aktivteils erfüllt.
Zur Bemessung des Radius R, des. inneren Randes 7* der Elektrode 9 führen folgende Ueberlegungen ι Der Widerstand des Bereiches 12 und der Breite d zwischen dem innerenRand 7 der hochdotierten n+ Zone und dein Rand des Bereiches I mit dem Radius r ist proportional einer
1 R
Grösse k = -? In ~. Der gewünschte Wide:, stand kann also bei vorgegebener.
r durch Variation von d und R erreicht werden. Untersuchungen haben • ergeben, dass für Silizium als Halbleitermaterial und Aluminium als Akzeptorsubstanz, für die meisten praktischen Fälle die Grösse k inner= ;
—1 '
halb der Grenzen kQ*tk<z 1000 cm liegt»
η η c= e 7 ο / ι \ ο a
υ υ S- ν* £. ώ ι 1 ι ζ a)

Claims (1)

  1. ■ ■ - 7 - 9V68
    Patentansprüche
    1„'Stossspannungsfeste Halbleiterdiode mit einer einen p-n Uebergang aufweisenden Halbleiterscheibe, die beiderseits mit flächenhaften Elektroden kontaktiert ist und der spezifische Widerstand der Halbleiterscheibe, längs ihren Frontflächen variiert, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Elektroden (9) sowie eine eventuell an sie anschliessende hochdotierte Zone (6) eine Aussparung aufweist, innerhalb welcher der spezifische Widerstand des Halbleiter-Grundmaterials ein Minimum hat, wobei die an dieser Aussparung liegende Halbleiterzone (12), die sich vor Eintreten eines Lawinendurchbruches ausserhalb des Raumladungsgebietes befindet, zwischen dem Rang (7) der Aussparung und dem Rand eines Bereiches (i) geringsten spezifischen Widerstandes des Halbleitergrundmaterials, in welchem der Lawinendurchbruch eingeleitet wird, einen Widerstand aufweist, in dem ein durch diesen Bereich fliessender Strom J , bei dem noch keine Zerstörung des Halbleitermaterials eintritt, einen Spannungsabfal Λ υ erzeugen kann, der gleich ist der Differenz Δ \j = \J - U1..,, w'obei U1V, die Durchbruchs spannung in dem Bereich (I)
    U LJC.' JJi. JJX a
    in welchem der Lawinendurchbruch eingeleitet wird und mittlere Durchbruchsspannung im restlichen Teil der Halbleiterscheibe
    (1) bedeuten.
    2. Stossspannungsfeste Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich (I), in dem der Lawinendurchbruch eingeleitet wird, der spezifische Widerstand des Halbleiter-Grundmaterials wenigstens angenähert das 1- bis Ij03-fache seines Minimalwertes beträgt. 009823/1129
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    5. Stossspannungsfeste Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Randes (7) der Elektroden-Aussparung von dem Rand des Bereiches (I)* in welchem der Lawinendurchbruch eingeleitet wird, angenähert konstant 1st.
    4. Stossspannungsfeste Halbleiterdiode gemäss Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 oder J>, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Rand ('7) der Aussparung als auch der Rand des Bereiches (i), in dem der Lawinen-
    fc durchbruch eingeleitet wird, mit den Radien R bzw. r wenigstens angenähert kreisförmig ist.
    5. Stossspannungsfeste Halbleiterdiode gemäss Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, dass zwischen diesen Radien R bzw. r und der Dicke
    d der genannten sich ausserhalb des Raumladungsgebietes befindlichen Zone (12) die Relation In S, « k.d besteht, wobei 40-£k<1000 cm ~λ ist. .
    Aktiengesellschaft ROWN, BOVERI & CIE.
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DE1926459A 1968-07-22 1969-05-23 Stoßspannungsfeste Halbleiterdiode Expired DE1926459C3 (de)

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