DE2047342C3

DE2047342C3 - Zweirichtungs-Thyristortriode

Info

Publication number: DE2047342C3
Application number: DE2047342A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Tokio Machii; Masanobu Yokohama Suenaga; Syuji Yokohama Sugioka
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1969-09-25
Filing date: 1970-09-25
Publication date: 1979-12-13
Also published as: DE2047342B2; FR2063016B1; US3731162A; FR2063016A1; DE2047342A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweirichtungs-Thyristortriode mit einem Halbleiterkörper mit fünf aufeinanderfolgend angeordneten Bereichen von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, mit zwei auf sich abgewandten Oberflächen de- Halbleiterkörpers angeordneten Hauptelektrode, mit einer auf einer dieser Oberflächen mit Abstand ;ur betreffenden Hauptelektrode angeordneten Steuerelektrode und mit einer den Steuerstromfluß hemmenden Einrichtung, die aus einem nur die Steuerelektrode umgebenden Oberflächen-Haibleiterbereich von einem Leitungstyp entgegengesetzt zu dem des Halbleiterbereichs besteht, in dem dieser Oberflächen-Halbleiterbereich angeordnet ist, vgl. US-PS 33 60 696.

Im allgemeinen wird eine solche Thyristortriode gebildet, indem man auf beide Seiten eines Halbleitersubstrats eines vorgegebenen Leitungstyps Halbleiterbereiche mit einem Leitungstyp entgegengesetzt zu dem des Substrats aufdiffundiert und in diese Halbleiterbereiche jeweils einen anderen Halbleiterbereich von dem gleichen Leitungstyp wie der des Substrats bildet und dann je eine Hauptelektrode auf beiden Seiten des Schaltelementes anbringt und auch eine Steuerelektrode auf einer der beiden Oberflächen des Schaltelements, die mit den beiden Hauptelektroden ausgestattet sind, formt.

Eine Thyristortriode der genannten Anordnung wird normalerweise im nicht-leitenden Zustand gehalten. Wenn jedoch ein Trigger- bzw. Steuersignal von einer bestimmten Größe an die Steuerelektrode und die Kathodenelektrode gelegt wird, dann wird in das Schaltelement ein Fluß von Elektronen oder Löchern durch den P-N-Übergang eingeleitet, der durch die beiden Elektrodenbereiche gebildet wird, von denen der eine als Emitterbereich arbeitet. Der Fluß von Elektronen oder Löchern beschleunigt den weiteren Fluß durch den verbleibenden P-N-Übergang zu deren Leitung. Um die leitende Schalteinrichtung zurück in ihren nicht-leitenden Zustand zu versetzen, ist es lediglich erforderlich, einen Hauptstrom zwischen den Kathoden- und Anodenelektroden auf ein niedrigeres Niveau als das des Haltestroms zu senken.

Mit einer Halbleiterschalteinrichtung, bei der die Steuerelektrode und einer der beiden Halbleiterbereiehe auf einer der beiden Seiten des Elements angeordnet ist, auf der die Emitterbereiche sich befinden, durch das Epitaxieverfahren oder vorzugsweise Diffusion ausgebildet sind, enthält die oberste Fläche des diffundierten Bereichs die höchste Konzentration an Verunreinigungen und stellt damit den geringsten Widerstandswert dar, wobei diese Verunreinigungskonzentration gegen das Innere des Schaltelements abnimmt, was zu einem gesteigerten Widerstandswert führt. Somit fließt der Trigger-Strom konzentriert durch den obersten Teil des Elementkörpers, der zwischen der Steuerelektrode und dieser einen der Hauptelektroden gebildet wird, so daß der Fluß der Elektronen oder Löcher, der in das Schaltelement durch den P-N-Übergang eingeleitet wird, welcher sowohl durch den Steuer- wie den Kathodenbereich bestimmt wird, auch konzentrisch durch den obersten Teil des P-N-Übergangs wandert Es ist nämlich nur eine geringe Strömung durch den inneren Teil dieses P-N-Übergangs vorhanden.

Einige Teile dieses Elektronen- oder Lochflusses, der in das Schaltelement durch den P-N-Übergang geht, der durch den Steuer-Bareich und den Kathodenbereich gebildet wird, rekombinieren mit anderen Elektronen oder Löchern, die oberhalb ihres Durchgangs vorhan den sind. Die bekannte Halbleiterschalteinrichtung, bei der der Fluß von Elektronen oder Löchern in konzentrierter Form durch den obersten Teil des P-N-Übergangs erfolgt, der durch den Steuer-Bereich und Kathodenbereich definiert ist, hat den Nachteil, daß das Wirkvermögen von Elektron oder Loch abnimmt und aufgrund der folglichen Abnahme der Steuerempfindlichkeit, um die Schalteinrichtung aus einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand zu bringen, ein Tiigger-Signal mit einem relativ hohen Spannungs- oder Stromwert geliefert werden muß.

Um somit die Steuerempfindlichkeit so stark wie möglich zu erhöhen, bevorzugt man einen Fluß von Elektronen oder Löchern durch den möglichst am weitesten innen gelegenen Teil des P-N-Übergangs einzubringen, der durch die Steuer- und Kathodenbereiche gebildet wird.

Aus der US-PS 33 60 696 ist es weiterhin bekannt, die Steuerelektrode mit einer flachen Nut vollständig zu umgeben, die den Sieuerstromfluß zur benachbarten

so Hauptelektrode unterbindet.

Im Hinblick auf die heutigen Fertigungsmöglichkeiten ist es extrem schwierig, eine solche Nut mit hoher Präzision in jedem Produkt zu bilden. Die Bildung dieser Nut trifft mit dem weiteren Nachteil zusammen, daß erhebliche Schwankungen in der notwendigen Trigger-Spannung und im Stromwert auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Thyristortriode der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die Triggerleistung verringert und die Triggerspannung und der zur Umschaltung von Durchlaß in den Sperrzustand notwendige Stromwert stabilisiert werden.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des einzigen Anspruchs angegebenen

h5 Merkmale.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, in denen

Fig» IA eine Draufsicht auf eine Zweirichtungs-Thyristortriode (Triac) zeigt, und

Fig. IB ein Schnitt längs der Linie 16-16 in Fig. IA ist.

Auf beiden Seiten eines Silizium-Halbleitersubstrats 417 der N-Art sind durch Diffusion ein Steuerbereich 427 der P-Art und ein Anodenbereich 437 ausgebildet. Auf dem Anodenbereich 437 Ist eine der Hauptelektroden angebracht Auf einem Teil der Oberfläche des Steuerbereichs 427 ist eine Schicht einer Gold-Antimon Legierung abgeschieden und auf der Oberfläche dieser abgeschiedenen Schicht ist eine Kathodenelektrode 487 ausgebildet, die die andere Hauptelektrode darstellt Ein Teil der Gold-Antimon-Legierungsschicht ist mit einem Teil des Steuerbereiches 427 legiert, der sich unmittelbar darunter befindet, um einen Kathodenbereich 447 und einen Steuerelektrodenbereich 457 der N-Art von etwa 20 μΐη Dicke zu bilden. Auf dem Steuerelektrodenbereich 457 und dem Anodenbereich 437 sind eine Steuerelektrode 497 bzw. eine Anodenelektrode 507 angebracht, wobei die Anodenelektrode einen in den Anodenbereich eingelassenen N-Bereich 467 rsiit dem Anodenbereich kurzschließt. Es ergeben sich also fünf P-N-Übergänge, und zwar ein Übergang /2 zwischen dem Substrat 417 und dem Steuerbereich 427, ein Übergang /3 zwischen dem Substrat 417 und dem Anodenbereich 437, ein Übergang /4 zwischen dem Anodenbereich 437 und dem N-Bereich 467, ein Übergang /10 zwischen dem Steuerbereich 427 und dem Kathodenbereich 447 und ein Übergang /11 zwischen Steuerbereich 427 und dem Abschirmbereich 62ii. Es ist ein bandförmiger Abschirmbereich 62n des N-Leitungstyps ausgebildet, der einen Teil des Umfangs de · Steuerelektrode 497 umgibt. Der Teil des Abschirmbereiches 62||, der der Hauptelektrode gegenübersteht, ist schmaler als die anderen Teile ausgebildet. Der Abschirmbereich wird wie üblich durch Diffusion gebildet; er steht in Verbindung mit dem N-Bereich 457. Der genannte bandförmige Abschirmbereich, der den Durchgang ehes Oberflächen-Triggerstroms behindern soll, hat also eine möglichst große Breite an den Stellen, wo der Fluß des Trigger-Stroms verhindert werden sollte, und eine möglichst geringe Breite an den Stellen unterhalb dieses Abschirmbereichs, durch die der Triggerstrom wünschenswert treten soll.

Es soll nun der Schaltvorgang eines in der vorbeschriebenen Weise aufgebauten Thyristors beschrieben werden. Bei einer Gleichspannung von vorbestimmtem Wert, die in Vorwärtsrichtung an die Kathodenelektrode 487 Ui:d die Anodenelektrode 507 gelegt wird, wird über die Steuerelektrode 497 und die Kathodenelektrode 487 eine Steuerspannung mit einem Wert größer als dem vorbestimmten eingeprägt, so daß die Steuerelektrode 497 eine positive Polarität bezüglich der Kathodenelektrode 487 annimmt; es fließt dann von der Steuerelektrode 497 zur Kathodenelektrode 487 ein Steuerstrom entsprechend der Größe der Steuerspannung, In diesem Fall tritt der Steuerstrom konzentriert durch die Oberfläche des schmalen Teils des Abschirmbereiches 62)ι, der einen bei weitem geringeren Widerstandswert als die übrigen Teile des ίο Abschirmbereiches aufweist Somit wird ein Fluß aus Elektronen in die Schalteinrichtung vom Kathodenbereich 447 konzentriert insbesondere durch den Teil des P-N-Übergangs 710 eingeleitet, welcher der Steuerelektrode 497 benachbart ist Diese einströmenden Elektronen erreichen den Anodenbereich 437 durch den in Sperrichtung vorgespannten P-N-Übergang /2, der durch den Steuerbereich 437 und das Substrat 417 gebildet wird, sowie dann durch den P-N-Übergang /3, der durch das Substrat 417 und den Anodenbereich 437 gebildet wird, wodurch der Thyristor ■; einen leitenden Zustand aus dem nicht-lcitcndcn Zustand bei dem die Kathodenelektrode 487 und die Anodenelektrode 507 elektrisch gegeneinander gesperrt sind, versetzt wird, wobei der Trigger-Strom bei hoher Dichte konzentriert durch der. schmalen Teil des Abschirmbereichs geht. Die Einrichtung gelangt also von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand durch eine Steuerspannung und einen Strom kleiner als beim Stand der Technnik.

Es sollen nun Versuche beschrieben werden, die durchgeführt wurden, um das Verhältnis der Tiefe zu dem Widerstandswert des Halbleiterabschirmbereichs zu bestimmen. Auf einem Halbleitersubstrat der N-Art mit einer Verunreinigungskonzentration von beispielsweise 2,5 >; 10¹⁴ Trägern pro Kubikzentimeter wurde ein P-Bereich mit einer Oberflächenverunreinigungskonzentration von etwa I χ ΙΟ¹⁸ Trägern pro Kubikzentimeter auf eine Tiefe von etwa 50 μπι diffundiert. Auf einen Teil des P-Bereichs wurde ein Hrlbleiterbereich der N-Art von etwa 25 μπι Dicke ausgebildet.
Bei einer Halbleitereinrichtung entsprechend der vorgenannten Art, wo der genannte Halbleiterbereich der N-Art nicht vorgesehen war, lag der Widerstand des Halbleiterbereichs der P-Art von 1 cm Breite und 1 cm Länge bei etlichen Ohm, wogegen, wenn dieser Halbleiterbereich in der N-Art gebildet wurde, der Widerstandswert des Halbleiterbereichs der P-Art über diesen N-Bereich auf etwa 350 Ohm stieg. Wurde der Halbleiterbereich der N-Art bis auf eine Tiefe von 30 μπι eindiffundiert, so stieg der Widerstandswert der Halbleitereinrichtung der P-Art durch diesen Bereich der N-Art auf einen Wert in der Größenordnung von 1000 Ohm.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch;

Zwejrichtungs-Thyristortriode mit einem Halbleiterkörper mit fünf aufeinanderfolgend angeordneten Bereichen von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, mit zwei auf sich abgewandten Oberflächen des Halbleiterkörpers angeordneten Hauptelektroden, mit einer auf einer dieser Oberflächen mit Abstand zur betreffenden Hauptelektrode angeordneten Steuerelektrode und mit einer den Steuerstromfluß hemmenden 'Einrichtung, die aus einem nur die Steuerelektrode umgebenden Oberflächen-Halbleiterbereich von einem Leitungstyp entgegengesetzt zu dem des Halbleiterbereichs besteht, in dem dieser Oberflächen-Halbleiterbereich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (497) seitlich auf der betreffenden Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht ist und daß derjenige Teil des den SteuerstrorofJuß hemmenden Oberflächen-Halbleiterbereichs, welcher räumlich zwischen der Steuerelektrode (497) und der dieser benachbarten Hauptelektrode (487) liegt, schmaler als die übrigen Teile dieses Bereichs ausgebildet ist