DE19650762A1 - Thyristor mit Durchbruchbereich - Google Patents
Thyristor mit DurchbruchbereichInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Thyristor, bestehend aus einem
Halbleiterkörper
- - mit einer anodenseitigen Basiszone vom ersten Leitungstyp und mindestens einer katodenseitigen Basiszone vom entge gengesetzten, zweiten Leitungstyp,
- - mit anodenseitigen und katodenseitigen Emitterzonen,
- - mit mindestens einem Bereich in der katodenseitigen Basis zone, der durch seine Geometrie eine gegenüber den übrigen Bereichen in der katodenseitigen Basiszone und dem Rand des Halbleiterkörper verminderte Durchbruchspannung aufweist.
In Hochspannungsanlagen sind im allgemeinen mehrere Thyristo
ren in Reihe geschaltet. Diese müssen stets gleichzeitig ge
zündet werden. Zündet einer der Thyristoren später, so liegt
an ihm nahezu die gesamte Spannung an und der Thyristor wird
zerstört. Man ist daher bemüht, Thyristoren zu entwickeln,
die "über Kopf" gezündet werden können. Solche Thyristoren
haben in der Regel einen zentralen Bereich, der eine gegen
über dem übrigen Bereich und dem Rand niedrigere Durchbruchs
spannung hat. Steigt die Spannung am Thyristor an, so geht
dieser Bereich in den Lawinendurchbruch und der Durchbruch
strom kann den Thyristor direkt oder über einen oder mehrere
Hilfsthyristorstrukturen zünden.
Der Durchbruchbereich kann zum Beispiel dadurch erzeugt wer
den, daß die kathodenseitige Basiszone eine Aussparung hat,
innerhalb der an der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine
dünnere Schicht des gleichen Leitungstyps angeordnet ist. Der
pn-Übergang zwischen der anoden- und kathodenseitigen Basis
zone hat dann beim Übergang von der Waagerechten in die Aus
sparung einen definierten Krümmungsradius, an dem eine gegen
über einem ebenen pn-Übergang höhere Feldstärke auftritt. An
der Krümmung kommt es daher vorzugsweise zu einem Durchbruch
des Thyristors. Eine gattungsgemäße Struktur ist zum Beispiel
in dem Artikel "Design consideration for high-power, overvol
tage self-protected thyristor" von Ohashi, Yoshida, Yama
guchi, Akagi, veröffentlicht in IPEC-Tokyo 1983, Seiten 550-558,
insbesondere anhand von Fig. 1b beschrieben worden.
Die Durchbrucheigenschaften des genannten Bereichs hängen von
der Form des pn-Übergangs der katodenseitigen Basiszone ab.
In DE 42 15 378 C1 (≅ EP-0 572 826 A1) ist ein weiterer gat
tungsgemäßer Thyristor mit Bereichen vermindert er Durchbruch
spannung angegeben. Diese Bereiche verminderter Durchbruch
spannung sind sehr wirksam und gut reproduzierbar.
Dort ist die Überkopfzündspannung von Thyristoren mit inte
griertem Überspannungsschutz jedoch stark temperaturabhängig.
Gründe hierfür sind zum einen die mit der Temperatur zuneh
mende Durchbruchspannung und die mit der Temperatur steigende
Emitter-Kollektor-Verstärkung αpnp. Bei hohen Temperaturen
verstärkt die Transistorverstärkung αpnp den Sperrstrom in der
Weise, daß es zur vorzeitigen Zündung des Thyristors bei
niedrigeren Überkopfzündspannung als vorgesehen kommt. Dies
kann zum unbeabsichtigten vorzeitigen Zünden des Thyristors
führen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
einen Thyristor der eingangs genannten Art derart weiterzu
bilden, daß die Überkopfzündspannungen des Thyristors im Tem
peraturbereich des Thyristorbetriebs weitgehend temperatu
runabhängig ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1. Insbesondere sind hier anodenseitig unter
halb der Zone verminderter Durchbruchspannung Rekombinations
zentren vorgesehen, die die Lebensdauer der freien Ladungs
träger herabsetzen.
Die Ausgestaltung der Rekombinationszone ist Bestandteil der
Patentansprüche 2 bis 6. Die Rekombinationszone besteht dabei
im wesentlichen aus Defekten, die durch Bestrahlung mit
nichtdotierenden, hochenergetischen Teilchen erzeugt werden.
Bei den Defekten handelt es sich üblicherweise um Frenkel-De
fekte beziehungsweise Schottky-Defekte, die bei Bestrahlung
des Halbleiterkörpers mit α-Teilchen oder Protonen erzeugt
werden. Es sind aber auch andere Defekte denkbar. Für die Bestrahlung
wird eine relativ geringe Dosis von 1010 bis 1012 cm⁻2
angesetzt, da der Kristall durch die Bestrahlung nicht
zu stark geschädigt werden soll.
Die Patentansprüche 7 und 8 spezifizieren die Geometrie der
Thyristorstrukturen, insbesondere der Zonen mit verminderter
Durchbruchspannung. Die kathodenseitigen Basis- und Emitter
bereiche sind vorteilhafterweise in der Ebene der Oberfläche
kreisförmig ausgebildet und bilden einen Ringthyristor.
In einer Weiterbildung gemäß Patentanspruch 9 ist an der
Oberfläche zwischen der Basiszone und dem Bereich verminder
ter Durchbruchspannung eine weitere Zone vorgesehen, welche
die Oberfläche des Thyristors vor Oberflächenladungen
schützt. Diese Zone ist entsprechend höher dotiert als die
Basiszone und die Zone verminderter Durchbruchspannung.
Patentanspruch 15 ist auf ein bevorzugtes Verfahren zur Her
stellung der erfindungsgemäßen Rekombinationszone gerichtet.
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 einen Teilschnitt eines erfindungsgemäßen Thyri
stors mit anodenseitiger Rekombinationszone;
Fig. 2 die Überkopfzündkennlinie für eine Thyristor
- (a) ohne Rekombinationszone (nach DE 42 15 378 C1)
- (b) und mit Rekombinationszone an der Scheibenrück seite.
Fig. 3 einen lichtzündbaren Thyristor mit integriertem
BOD- und dU/dt-Schutz im Querschnitt;
Fig. 4 die dem Überspannungsschutz dienende BOD-Struktur
des Thyristors gemäß Fig. 3;
Fig. 5 die mit Hilfe eines Simulationsprogramms berechnete
Temperaturabhängigkeit der BOD-Spannung für drei
unterschiedlich aufgebaute Thyristoren.
Fig. 1 zeigt einen Teilschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Thyristor. Ein Halbleiterkörper 1, beispielsweise eine Sili
ziumscheibe, enthält eine n⁻-dotierte anodenseitige Basiszone
2. Katodenseitig schließt sich eine p-dotierte Basiszone 3
an. Die Basiszone 3 enthält eine Aussparung 4. in der Ausspa
rung 4 ist an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 eine
dünne p⁺-dotierte Schicht 5 angeordnet, die mit der Basiszone
3 verbunden ist. In der Aussparung 4 ist außerdem eine zu
sätzliche Zone 6 des gleichen Leitungstyps wie die katoden
seitige Basiszone 3 angeordnet. Die zusätzliche Zone 6 ist
mit der dünnen Schicht 5 verbunden und hat allseitig einen
Abstand vom Rand der Aussparung 4, d. h. von der Basiszone 3.
Die zusätzliche Zone 6 hat die Form eines Kugelschnittes, wo
bei die Schnittebene an die dünne Schicht 5 angrenzt. Vor
zugsweise ist die dünne Schicht 5 sehr viel höher dotiert als
die Basiszone 3 und die zusätzliche Zone 6. Die Form der Be
reiche 4, 5, 6 ist aber nicht zwingend. Wesentlich ist je
doch, daß die zusätzliche Zone 6 von der Innenzone 2 gesehen
mindestens teilweise konkav ist. Durch seine Form weist die
zusätzliche Zone 6 eine gegenüber den übrigen Bereichen in
der katodenseitigen Basiszone 3 und dem Rand des Halbleiter
körper 1 verminderte Durchbruchspannung auf.
Kathodenseitig sind in der Basiszone 3 n⁺-dotierte Emitterzo
nen 7 eingebettet, die beispielsweise die Hilfsemitterzonen
von Hilfsthyristoren sein können. Die Emitterzonen 7 werden
durch Emitterelektroden 10 kontaktiert. Außerdem kontaktieren
die Emitterelektroden 10 an der Außenseite auch die Basiszone
3. Die dünne Schicht 5 wird im Bereich der zusätzlichen Zone
6 an der Oberfläche von einer Gateelektrode 12 kontaktiert.
Vorzugsweise sind die katodenseitige Basiszone 3 und die
Emitterzone 7 sowie die dünne Schicht 5 und die zusätzliche
Zone 6 in der Ebene der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1
kreisförmig oder kreisringförmig ausgebildet. Der erfindungs
gemäße Thyristor ist vorzugsweise ein Ringthyristor. Die dar
gestellten Formen der oben genannten Zonen und Schichten 3,
5, 6, 7 ist jedoch nicht zwingend. Sie können auch von der
Kreisform bzw. Kreisringform abweichen und beispielsweise po
lygonal ausgeformt sein.
Die oben beschriebenen Zonen bzw. Schichten können entspre
chend DE 42 15 378, insbesondere Fig. 1, ausgebildet sein.
In DE 42 15 378 C1 ist ein Thyristor mit integriertem Über
spannungsschutz angegeben. Bei Anlegen einer Spannung in
Flußrichtung werden bevorzugt im Bereich des pn-Übergangs 13
der zusätzlichen Zone 6 Ladungsträgerpaare gebildet, von de
nen sich die Elektronen zur anodenseitigen Emitterzone 8 und
die Löcher zur dünnen Schicht 5 und dann über die Basiszone 3
zur Emitterelektrode bewegen. Dieser Strom verstärkt sich la
winenartig und leitet auf bekannte Weise die Zündung des Thy
ristors ein. Die zusätzliche Zone 6 bildet damit einen durch
ihre Geometrie vorgegebenen Bereich mit vermindert er Durch
bruchspannung. Die dünne Schicht 5 hat die Aufgabe, die ka
thodenseitige Oberfläche des Thyristors vor Oberflächenladun
gen zu schützen. Zu diesem Zweck ist sie, wie bereits er
wähnt, höher dotiert als die zusätzliche Zone 6 und die Ba
siszone 3. in DE 42 15 378 C1 ist außerdem ein bevorzugtes
Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen Thyristor
struktur angegeben.
Anodenseitig ist außerdem in dem unterhalb der zusätzlichen
Zone 6 liegenden Bereich des Halbleiterkörpers 1 eine Rekom
binationszone 9 vorgesehen. Die Rekombinationszone 9 wird
durch anodenseitige Bestrahlung des Halbleiterkörpers 1 mit
nichtdotierenden, hochenergetischen Teilchen, insbesondere α-
Teilchen oder Protonen, erzeugt. Durch die Bestrahlung werden
anodenseitig Defekte im Kristallgitter erzeugt. Bei den De
fekten handelt es sich insbesondere um Frenkel-Defekte
und/oder Schottky-Defekte, wobei auch andere Defekte denkbar
sind. Die räumliche Verteilung dieser Defekte definiert die
Rekombinationszone 9.
Die vertikale Lage der Zone 9 im Halbleiterkörper 1 ist so
gewählt, daß die dem pn-Übergang 13 zugeordnete Raumladungs
zone den geschädigten Bereich auch beim Anliegen der durch
die zentrale BOD-Struktr 4/5/6 vorgegebenen maximalen
Blockierspannung UBOD nicht erreicht. Dies ist gewährleistet, wenn
die strahlungsinduzierten Rekombinationszentren vorwiegend in
der anodenseitigen Emitterzone 8 lokalisiert sind, die Rekom
binationszone 9 also nicht oder nur unwesentlich in die an
odenseitige Basiszone 2 hineinreicht. Im gezeigten Ausfüh
rungsbeispiel beträgt die Dicke d der Rekombinationszone 9
beispielsweise d ≦ 150 µm, während der die anodenseitige Ba
siszone 2 und die anodenseitige Emitterzone 8 trennende
pn-Übergang 14 in einer Tiefe von typischerweise 70-100 µm
liegt. Die in lateraler Richtung gemessene Breite b der Re
kombinationszone 9 sollte etwa dem 1-2-Fachen der Dicke dB
der anodenseitigen Basiszone 2 entsprechen, also etwa
b ≈ 1-4 mm betragen.
Für die Bestrahlung wird eine niedrige Bestrahlungsdosis ge
wählt, da der Halbleiterkörper 1 durch die Bestrahlung nicht
zu stark geschädigt werden soll. Die Bestrahlungsdosis liegt
typischerweise im Bereich von etwa 1010 bis 1012 cm⁻2 bei Be
strahlung mit α-Teilchen und von 1011 bis 1013 cm⁻2 bei Be
strahlung mit Protonen. Die Bestrahlungsenergie kann je nach
gewünschter Lage der Rekombinationszone 9 in der anodenseiti
gen p-Emitterzone 8 bzw. n⁻-Basiszone 2 zwischen 5 und 20 MeV
gewählt werden. Ist eine stärkere Schädigung des Kristalls
erforderlich, können auch schwerere Teilchen wie zum Beispiel
Sauerstoffionen zur Bestrahlung verwendet werden. Als Be
strahlungsquelle wird üblicherweise ein Hochenergieionenim
planter verwendet.
Nach der Bestrahlung wird üblicherweise ein Temperschritt
(zum Beispiel 220°C, 20 h) zur Stabilisierung der Rekombina
tionszentren 9 durchgeführt. Durch eine anodenseitige Maske
kann der Bestrahlungsbereich gewählt werden. Da es sich hier
meist um sehr große Strukturen handelt, kann als Maske bei
spielsweise eine Metallochblende dienen.
Nachfolgend wird die Funktion der erfindungsgemäßen Thyri
storstruktur erläutert.
Durch die anodenseitig eingebrachten hochenergetischen Teil
chen in der Rekombinationszone 9 wird im Halbleiterkörper 1
ein vertikal inhomogenes Lebensdauerprofil erzeugt. In der
Rekombinationszone 9 ist die Mayoritätsladungsträgerlebens
dauer im Vergleich zu den übrigen Bereichen stark reduziert.
Die reduzierte Lebensdauer bewirkt eine verstärkte Rekombina
tion der Ladungsträger und damit eine Verringerung der Tran
sistorverstärkung αpnp, insbesondere bei hohen Temperaturen.
Dadurch kann die starke Abnahme der Überkopfzündspannung zu
höheren Temperaturen hin verschoben werden. Diese Temperatur
verschiebung läßt sich sowohl durch die Stärke der zusätzli
chen Lebensdauerabsenkung als auch durch deren Lage beein
flussen.
Thyristoren der genannten Art können entweder über eine Ga
teelektrode 12 stromgesteuert oder lichtgesteuert sein.
Fig. 2 zeigt die simulierte Strom-Spannungs-Kennlinie bei
Überkopfzündung eines Thyristors nach DE 42 15 378 (a) im
Vergleich zur erfindungsgemäßen Thyristorstruktur mit anoden
seitiger Rekombinationszone (b) bei verschiedenen Temperatu
ren. In Fig. 2 (b) erkennt man, daß durch die Trägerlebens
dauerabsenkung in der Rekombinationszone 9 die Über
kopfzündspannung der Thyristoren im Vergleich zu (a) deutlich
temperaturstabiler sind. Durch die gewählten Maßnahmen ist
damit die Überkopfzündspannung der erfindungsgemäßen Thyri
storen bis etwa 140°C weniger temperaturabhängig. Im Bereich
der zulässigen Betriebstemperaturen verliert der Thyristor
damit nicht seine Blockierfähigkeit.
Der oben beschriebene Thyristor zündet bereits vor dem Errei
chen der durch die zentrale BOD-Struktur 4/5/6 vorgegebenen
statischen Kippspannung UBOD, wenn die zeitliche Änderung
dU/dt der angelegten Blockierspannung U einen kritischen Wert
von mehreren kV/µs übersteigt. Ausgelöst wird diese unter Um
ständen zur Zerstörung des Thyristors führende Fehlzündung
durch den Aufbau der Raumladungszone am p-Basis/n-Basis-Über
gang 13 und dem daraus resultierenden, den Sperrstrom
verstärkenden Verschiebungsstrom Id = Cd × dU/dt (Cd: span
nungsabhängige Raumladungskapazität des pn-Übergangs 13).
Durch Einbau einer Zone erhöhten Widerstandes in die katho
denseitige Basis 3 unterhalb des ersten Hilfsthyristors 7/10
läßt sich die durch eine zu große dU/dt-Belastung hervorgeru
fene Fehlzündung gezielt in den Zentralbereich des Thyristors
verlagern. Da das von der Zündung betroffene Volumen dann in
nerhalb des vom ersten Hilfsthyristor 7/10 begrenzten Be
reichs liegt, kann sich das Plasma, wie bei einer gesteuerten
Zündung, großflächig und gleichförmig in radialer Richtung
ausbreiten, ohne daß die Stromdichte kritische Werte erreicht
(s. beispielsweise die Veröffentlichung von H.-J. Schulze et
al. in Proceedings of the ISPSD 96, 197, Hawai 1996).
Die Fig. 3 zeigt einen lichtzündbaren Thyristor mit inte
griertem dU/dt-Schutz im Querschnitt. Er ist rotationssymme
trisch bezüglich der senkrecht auf den beiden Hauptflächen
22/23 des Halbleiterkörpers 21 stehenden Achse 24 aufgebaut.
Während die obere Hauptfläche 22 des scheibenförmigen Halb
leiterkörpers 21 die randseitig verlaufende, mit Emitterkurz
schlüssen versehene Kathodenmetallisierung 25 trägt, ist sei
ne rückseitige Hauptfläche 23 vollständig mit einer als Anode
dienenden Metallisierung 26 beschichtet. Der aus Silizium be
stehende Halbleiterkörper 21 weist mehrere, unterschiedlich
dotierte, jeweils durch Raumladungszonen voneinander getrenn
te Bereiche 27-30 auf. Diese Bereiche unterschiedlicher Leit
fähigkeit bilden den n⁺-dotierten, kathodenseitigen Emitter
27, die p-dotierte Basis 28, die nur schwach elektronenlei
tende, anodenseitige Basis 29 sowie den von der Anodenmetal
lisierung 26 kontaktierten p⁺-Emitter 30.
Die mit AG (Amplyfing Gate) bezeichneten, radial innerhalb
der Kathodenmetallisierung 25 angeordneten Hilfsthyristoren
1.-5.-AG bilden die Treiberstufen des Hauptthyristors. Sie
weisen jeweils einen in der kathodenseitigen Basis 28 einge
betteten, n⁺-dotierten Hilfsemitter 31/31' und eine sowohl
den Hilfsemitter 31/31' als auch die Basis 28 kontaktierende
Metallisierung 32/32' auf. In einer die innersten drei
Hilfsthyristoren 1.-3.-AG ringförmig umschließenden Zone 33
ist die Dotierstoffkonzentration gegenüber den lateral an
grenzenden Bereichen der kathodenseitigen Basis 28 verrin
gert. Diese Ringzone 33 wirkt als Widerstand R, der den in
der Basis 28 radial nach außen fließenden Zündstrom auf einen
vorgegebenen Maximalwert begrenzt und so die Belastung der
Struktur während der Einschaltphase vermindert.
Um die durch eine zu große dU/dt-Belastung hervorgerufene
Zündung gezielt in den Zentralbereich des Thyristors zu ver
lagern, besitzt die kathodenseitige Basis 28 in einer unter
halb des n⁺-dotierten Bereichs 31 des ersten Hilfsthyristors
1.-AG liegenden Ringzone 35 einen erhöhten Widerstand. Da die
Breite L und der durch die Dotierstoffkonzentration gegebene
Schichtwiderstand R der Ringzone 35 sowohl die zur Zündung
des ersten Hilfsthyristors 1.-AG erforderliche minimale
Strahlungsintensität als auch dessen dU/dt-Belastbarkeit ent
scheidend beeinflußt, läßt sich durch eine geeignete Dimen
sionierung dieser Parameter sicherstellen, daß die zentral
gelegene Thyristorstruktur die größte dU/dt-Empfindlichkeit
des Systems aufweist und sie demzufolge bei Überschreitung
eines kritischen Wertes der Spannungssteilheit dU/dt zuerst
zündet. Der Schichtwiderstand R der etwa 200-600 µm breiten
Ringzone 35 beträgt typischerweise R ≈ 2000-5000 Ω . Er ist
damit um einen Faktor 10-20 größer als der Schichtwiderstand
des angrenzenden Basisbereichs (R (p⁺) 200-400 Ω ).
Die oben bereits beschriebene, in Fig. 4 vergrößert darge
stellte BOD-Struktur des Thyristors dient dem Überspannungs
schutz. Ihre lateralen Abmessungen sind mit Di = 350 µm und
Da = 550 µm so bemessen, daß die Durchbruchspannung UBOD bei
Zimmertemperatur T = 23°C etwa UBOD ≈ 7,8 kV beträgt.
Um die durch die Geometrie der BOD-Struktur vorgegebene Span
nung UBOD ("Überkopfzündspannung") insbesondere bei höheren
Betriebstemperaturen T ≧ 80-90°C weitgehend konstant zu hal
ten, weist die anodenseitige Basis 29 in ihrem zentralen Be
reich unterhalb der BOD-Struktur eine vertikal inhomogene
Verteilung der Dichte strahlungsinduzierter Gitterdefekte
auf. Die Lage dieser vergleichsweise schmalen, etwa 20 um
breiten Zone 36 im Halbleiterkörper 21, d. h. ihr vertikaler
Abstand von der anodenseitigen Hauptfläche 23 ist hierbei
derart gewählt, daß die dem pn-Übergang 37 zugeordnete Raum
ladungszone den geschädigten Bereich 36 bei einer Blockier
spannung U ≦ UBOD von etwa U ≈ 8,2 kV erreicht. Steigt die
Blockierspannung U nur unwesentlich weiter an, liegt der ge
schädigte Bereich 36 vollständig innerhalb der Raumladungszo
ne, wobei die strahlungsinduzierten Defekte nun nicht mehr
als Rekombinationszentren, sondern als Generationszentren
freier Ladungsträger wirken. Der zum Sperrstrom beitragende
und exponentiell mit der Temperatur anwachsende Generati
onsstrom in der Raumladungszone vergrößert den Verstärkungs
faktor αpnp der durch die Schichten 28/29/30 gebildeten Tran
sistorstruktur soweit, daß der Thyristor bei einer nur unwe
sentlich von der gewünschten Durchbruchsspannung UBOD abwei
chenden Blockierspannung zündet. Die vertikal inhomogene Ver
teilung der Defektdichte in der anodenseitigen Basis 29 er
zeugt man wieder durch eine Bestrahlung des Halbleiterkörpers
21 mit Protonen oder Heliumkernen. Außer dem schon beschrie
benen Verfahren können insbesondere auch die aus der
WO 92/17 907 bekannten Bestrahlungstechniken zur Anwendung kom
men. Der Abstand bD/2 des Randes der Zone 36 von der Symme
trieachse 24 beträgt typischerweise bD/2 ≦ (1-2) dB, wobei
dB ≈ 1-2 mm die Breite der anodenseitigen Basis 29 bezeich
net.
In Fig. 5 ist die mit Hilfe eines Simulationsprogramms be
rechnete Temperaturabhängigkeit der Überkopfzündspannung UBOD
verschiedener Thyristoren dargestellt. Wie erwartet, steigt
die Spannung UBOD des nicht mit Protonen bestrahlten Thyri
stors aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten der
Avalanche-Koeffizienten zunächst mit der Temperatur T konti
nuierlich an, um ab einer Temperatur T ≈ 120°C schließlich
steil abzufallen (negativer Temperaturkoeffizient der Transi
storverstärkung αpnp als Folge des erhöhten Sperrstromes). Das
Temperaturverhalten der BOD-Spannung verbessert sich deut
lich, wenn der Thyristor im anodenseitigen Emitter eine durch
Bestrahlung mit Protonen erzeugte Zone abgesenkter Lebensdau
er aufweist (s. die als Dreiecke dargestellten Simulations
werte). Ähnlich verhält sich die BOD-Spannung eines Thyri
stors, bei dem die Zone abgesenkter Lebensdauer in der an
odenseitigen Basis an einer Stelle lokalisiert ist, die die
dem pn-Übergang 37 zugeordnete Raumladungszone, unabhängig
von der anliegenden Blockierspannung, nicht erreicht. Die
BOD-Spannung bleibt im Temperaturbereich 80°C ≦ T ≦ 140°C an
nähernd konstant, falls die Zone erhöhter Defektdichte beim
Anliegen der gewünschten Blockierspannung von beispielsweise
UBOD ≈ 8,2 kV innerhalb der vom p-Basis/n-Basis-Übergang 37
ausgehenden Raumladungszone liegt (s. die als Quadrate darge
stellten Simulationswerte).
Claims (15)
1. Thyristor bestehend aus einem Halbleiterkörper (1)
- - mit einer anodenseitigen Basiszone (2) vom ersten Leitungs typ und mindestens einer katodenseitigen Basiszone (3) vom entgegengesetzten, zweiten Leitungstyp,
- - mit anodenseitigen und katodenseitigen Emitterzonen (7, 8),
- - mit mindestens einem Bereich (6) in der katodenseitigen Ba siszone (3), der durch seine Geometrie eine gegenüber den übrigen Bereichen in der katodenseitigen Basiszone (3) und dem Rand des Halbleiterkörper (1) verminderte Durchbruch spannung aufweist,
2. Thyristor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Rekombinationszone (9) im wesentlichen aus Defekten
im Kristallgitter besteht, welche durch Bestrahlung mit
nichtdotierenden, hochenergetischen Teilchen erzeugt werden.
3. Thyristor nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei den Defekten um Frenkel-Defekte und/oder
Schottky-Defekte handelt.
4. Thyristor nach einem der Ansprüche 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Defekte durch Bestrahlung des Halbleiterkörpers (1)
mit geladenen Teilchen erzeugt worden sind.
5. Thyristor nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Defekte durch Bestrahlung des Halbleiterkörpers (1)
mit Protonen oder α-Teilchen erzeugt worden sind.
6. Thyristor nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dosis der eingebrachten Teilchen für die Rekombinati
onszone (9) im Bereich von etwa 1010 bis 1012 cm⁻2 bei Bestrah
lung mit α-Teilchen und von 1011 bis 1013 cm⁻2 bei Bestrahlung
mit Protonen gewählt wird.
7. Thyristor nach einem der Ansprüche 1-6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Geometrie der katodenseitigen Bereiche (4, 5, 6) im
wesentlichen folgende Merkmale aufweist:
- - eine Aussparung (4) ist im zentralen Bereich der kathoden seitigen Basiszone (3) angeordnet, innerhalb der an der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) eine gegenüber der ka thodenseitigen Basiszone (3) dünnere Schicht (5) des zwei ten Leitungstyps angeordnet ist, welche mit der katoden seitigen Basiszone (3) verbunden ist,
- - in der Aussparung (4) ist eine zusätzliche Zone (6) des zweiten Leitungstyps angeordnet, die an die dünne Schicht (5) angrenzt,
- - die zusätzliche Zone (6) ist von der kathodenseitigen Ba siszone (3) aus gesehen mindestens teilweise konkav ausge bildet.
8. Thyristor nach einem der Ansprüche 1-7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die katodenseitigen Bereiche (4, 5, 6) sowie die katho
denseitige Basiszone (3) und die katodenseitigen Emitterzonen
(7) in der Ebene der Oberfläche des Halbleiterkörpers (1)
kreisförmig ausgebildet sind und der Thyristor ein Ringthyri
stor ist.
9. Thyristor nach einem der Ansprüche 1-8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dotierungskonzentration der dünnen Schicht (5) sehr
viel größer ist als die Dotierungskonzentrationen der katho
denseitigen Basiszone (3) und der zusätzlichen Schicht (6).
10. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die anodenseitige Basiszone (29) in einer durch eine
Hauptflächennormale des Halbleiterkörpers (21) definierten
vertikalen Richtung eine inhomogene Verteilung der Dichte an
Rekombinations- und Generationszentren freier Ladungsträger
aufweist.
11. Thyristor nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Dichte der Rekombinations- und Generationszentren in
nerhalb eines ersten Bereichs (36) der anodenseitigen Basis
zone (29) jeweils höher ist als in den sich in vertikaler
Richtung beidseitig anschließenden und jeweils bis zum be
nachbarten pn-Übergang erstreckenden Bereichen der anodensei
tigen Basiszone (29)
12. Thyristor nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abmessung b des ersten Bereichs (36) in lateraler
Richtung der Bedingung b < (1-4)dB genügt, wobei dB die ver
tikale Dicke der anodenseitigen Basiszone (29) bezeichnet.
13. Thyristor nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vertikale Lage des ersten Bereichs (36) innerhalb der
anodenseitigen Basiszone (29) derart gewählt ist, daß die
Raumladungszone des den beiden Basiszonen (28, 29) zugeordne
ten pn-Übergangs (37) den ersten Bereich (36) bei einer vor
gegebenen Differenz eines Kathoden- und eines Anodenpotenti-
als erreicht.
14. Thyristor nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß die vorgegebene Potentialdifferenz annähernd der vermin
derten Durchbruchspannung (UBOD) entspricht.
15. Herstellungsverfahren für einen Thyristor nach einem der
Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß folgende Verfahrensschritte zur Erzeugung der Rekombina
tionszone (9) durchgeführt werden:
- - anodenseitige Maskierung des Halbleiterkörpers (1), beispi leweise durch eine Metallochblende,
- - anodenseitige Bestrahlung,
- - abschließender Temperaturschritt zur Stabilisierung der Re kombinationszone (9).
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