DE2507104A1 - Bistabiles halbleiterbauelement fuer hohe frequenzen - Google Patents
Bistabiles halbleiterbauelement fuer hohe frequenzenInfo
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Description
160/74 P/ho
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)
Bistabiles Halbleiterbauelement für hohe Frequenzen.
Die Erfindung betrifft ein bistabiles Halbleiterbauelement für hohe Frequenzen mit einem aus einer Folge von wenigstens vier
Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehenden Halbleiterkörper, dessen beide äusseren Zonen, die Emitterzonen,
stärker dotiert sind als die beiden inneren Zonen, die Basiszonen.
Bekannte derartige Halbleiterbauelemente (Thyristoren) sind so ausgelegt, dass die Lebensdauer der Ladungsträger in den Basiszonen
(Ln) relativ gering gewählt wird, um dadurch die Freiwerdezeit, d.h. die Mindestzeit, die der Thyristor nach dem Abschalten
des gezündeten Zustandes benötigt, um seine Sperrfähigkeit in Durchlassrichtung wieder zu erlangen, klein zu halten (vgl.
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z.B. Herlet, A: Physikalische Grundlagen von Thyristoreigenschaf ten; in: Scientia Electrica, Vol. XII (1966), S. 117 ff). Eine
Verkürzung der Freiwerdezeit durch Herabsetzung der Basislebensdauer ist aber nicht unbeschränkt möglich, weil unterhalb einer
kritischen Lebensdauer für eine bestimmte Basisbreite der Durchlass-Spannungsabfall
exponentiell ansteigt, und zwar näherungs weise proportional zum Ausdruck exp Cd/L).
Dabei bedeuten: d die Hälfte der Breite beider Basiszonen,L =
die Diffusionslänge und D die Diffusionskonstante.
Aus der DT-AS 1 295 695 ist bereits ein Thyristor bekannt, bei
dem die Preiwerdezeit bei gleichem Durchlass-Spannungsabfall durch Anlegen einer Spannung an einer zusätzlichen Elektrode beispielsweise
an einer als Steuerzone ausgebildeten Basiszone dadurch verkürzt wird, dass das im Inneren des Halbleiterkörpers
entstehende elektrische Feld die Minoritätsträger sehr schnell absaugt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterbauelement
der eingangs genannten Art ein verbessertes Frequenzverhalten, durch in weiten Grenzen einstellbare Herabsetzung
der -Freiwerdezeit, zu erzielen, ohne die Durchlasseigenschaften
des Thyristors zu verschlechtern und ohne, dass zusätzliche Elektroden verwendet werden müssen.
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Die vorgenannte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass erfindungsgemäss
die beiden Basiszonen derart dotiert sind, dass bei einer in Rückwärtsrichtung an den beiden Emitterzonen liegenden Spannung
Ud, die kleiner oder höchstens gleich der maximalen Sperrspannung
URgist, der kürzeste Abstand W zwischen den an den beiden
äusseren Zonenübergängen sich ausbildenden Sperrschichten kleiner als die Diffusionslänge Lß der Ladungsträger in den Basiszonen
ist.
Die Bestimmung des Abstandes W (vgl. z.B. Sze, S.M: Physics of
Semiconductors Devices; New York, London, Sidney, Toronto (1969)) erfolgt bei fertigen Bauelementen mit Hilfe der Messung von U^
(etwa mit einem Oszillographen) sowie mit Hilfe einer Widerstandsmessung (vorzugsweise Spreading Resistance) aus der sich die Basisdotierung
ergibt.
Die Messung der Diffusionslänge erfolgte mit Hilfe der von L.B. Valdes in: Proc IRE (1958) auf Seite 1*J2O beschriebenen Messanordnung.
Als besonders vorteilhaft haben sich Halbleiterbauelemente bewährt,
bei denen die beiden inneren Zonen jeweils zwei Bereiche mit jeweils konstanter Dotierungskonzentration aufweisen, wobei
die Dotierungskonzentration von dem jeweiligen äusseren Zonenübergang zu dem inneren Zonenübergang hin von Bereich zu Bereich
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_ H _ 160/74
abnimmt und die beiden inneren Zonen einen zum mittleren Zonenübergang
symmetrischen Verlauf der Dotierungskonzentration aufweisen.
Vorzugsweise werden dabei die Dotierungskonzentrationen so gewählt,
dass für U0 = U1513 der Abstand W praktisch Null wird.
it Jib
Besonders bewährt haben sich auch Halbleiterbauelemente gemäss der Erfindung, bei denen die beiden Basiszonen zusammen drei
Gebiete mit unterschiedlicher Lebensdauer umfassen, wobei das erste und das zweite Gebiet an die beiden äusseren Zonenübergange
angrenzen und die Breite dieser Gebiete jeweils das Zweifache der Diffusionslänge L beträgt und wobei das dritte Gebiet
den mittleren Teil der inneren Zonen einnimmt.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend anhand von Figuren erläuterten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Pig. 1 schematisch einen seitlichen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement
mit einer N PNP - Zonenfolge;
Fig. 2 schematisch einen seitlichen Schnitt durch ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelementes nach der Erfindung;
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Pig. 3a bis 3c den Verlauf der Dotierungskonzentration (Fig. 3a.) sowie den Verlauf der Feldstärke E in den Basiszonen bei
anliegender maximalen Sperrspannung in Rückwärtsrichtung fFig. 3b) und Kippspannung in Vorwärtsrichtung (Fig. 3c)
des Halbleiterbauelementes nach Fig. 2; und
Fig. k den Feldstärkeverlauf bei einem Halbleiterbauelement mit'
einer zum mittleren PN-Uebergang unsymmetrischen Basisdotierung; und
Fig. 5 schematisch einen seitlichen Querschnitt durch ein praktisches
Ausführungsbeispiel des neuen Thyristors.
Fig. 1 zeigt ein Halbleiterbauelement, das aus einem einkristallinen
Halbleiterkörper 1 mit einer N PNP - Zonenfolge und zwei sich an diesen Körper anschliessenden Kontaktelektroden A3 K
besteht, wobei die P - Emitterzone 2 mit dem Anodenkontakt A und die N+ - Emitterzone 3 mit dem Kathodenkontakt K versehen
ist. Die P-Basiszone k ist .mit einem Steuerkontakt (Gate) G versehen.
Zwischen der P-Basiszone 4 und der P - Emitterzone befindet sich die N-Basiszone 5. Die durch die aneinandergrenzenden
Zonen gebildeten Zonenübergänge sind von links nach rechts mit den Bezugszeichen 6, 7 und 8 gekennzeichnet.
Liegt beispielsweise an dem Anodenkontakt A ein positives und
an dem Kathodenkontakt K ein negatives Potential (Thyristor ist
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in Vorwärtsrichtung gepolt), dann wird mit dem Anlegen eines Zündimpulses an den Steuerkontakt G der Thyristor leitend und
schaltet vom sperrenden in den leitenden Zustand. Der Durchlassstrom fliesst dabei von der Anode A zur Kathode K in der mit Iy
gekennzeichneten Richtung. Wird nun die Polarität der im Durchlasszustand an der Anode A und der Kathode K anliegenden Spannung
umgekehrt (Thyristor ist in Rückwärtsrichtung gepolt), so werden mit der Umkehr dieser Spannung die injizierten Ladungsträger
in der Umgebung der beiden äusseren Zonenübergänge 6, 8 abgesaugt und rufen den Umschaltsperrstrom I_ hervor.
Auch nachdem die beiden äusseren Zonenübergänge 6, 8 ihren sperrenden Zustand erreicht haben - und damit die schraffiert
gezeichneten Sperrschichten 9 und 10 aufgebaut sind - fliesst noch der Umschaltsperrstrom I weiter, da in der Umgebung des
mittleren Zonenüberganges 7 noch eine hohe Konzentration injizierter Ladungsträger existiert, die erst langsam durch Rekombination
und Diffusion zu den Rändern der Sperrschichten 9 und 10 abgebaut wird.
Nachdem sich an den äusseren Zonenübergangen 6, 8 die Sperrschichten
9, 10 ausgebildet haben, klingt die Ladungsträgerkonzentration in den Basiszonen etwa mit der Zeitkonstanten:
'* 1 + TF2 L2ZW2
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ab, wobei mit W der kürzeste Abstand zwischen den beiden Sperrschichten
9, 10 bezeichnet ist. Für den Fall, dass TT L y-y- W ist,
wird T ^k /I D , d.h. die Freiwerdezeit wird in diesem Fall
m
praktisch unabhängig von der Lebensdauer der Minoritätsträger und nur abhängig vom Abstand der Sperrschichten 9, 10. Sofern
demnach die Bedingung T L »■ W erfüllt ist,
kann die Freiwerdezeit beliebig klein gemacht werden, ohne dass auch die Diffusionslänge klein zu sein braucht. Praktisch genügt
es j dass das Verhältnis W/L<1 ist.
Die Wahl der Diffusionslänge LR bestimmt den Wert der Nullkippspannung.
Denn der Thyristor wird nicht erst beim Erreichen der Lawinendurchbruchspannung des mittleren Zonenüberganges 7 leitend,
sondern bereits bei einer unter Umständen wesentlich geringeren Spannung. Würde nämlich der Thyristor erst bei der Lawinendurchbruchspannung
des Zonenüberganges 7 leitend werden, so hätte sich die an diesem Zonenübergang 7 ausbildende Sperrschicht
den beiden äusseren Zonenübergängen 6, 8 bis auf einen Abstand kleiner als TTL/2 genähert. Aufgrund der hohen Dotierung
der Emitterzonen 2,3 gelangen aber bereits, wenn die Sperrschicht am Uebergang 7 etwa das 0,5 - bis 2-fache der Diffusionslänge LR
von den Zonenübergängen 6, 8 entfernt ist, genügend Ladungsträger aus diesen Zonen 2, 3 in die Sperrschicht des mittleren Ueberganges
7· Unter Umständen kann der Thyristor dann schon bei Spannungen , die unter der Lawxnendurchbruchsspannung liegen, zünden.
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Bezeichnet man als Ausräumspannung U^ diejenige Spannung, die
erforderlich ist, um ohne Lawinendurchbruch an den äusseren Zonenübergängen
6,8 in Rückwärtsrichtung die Sperrschichten 9, bis zu einem Abstand W = 0 zu nähern, so ist bei grossen Diffusionslängen
Lg demnach das Verhältnis von Nullkippspannung U™
zu Ausräumspannung tL·, sehr klein.
Fig. 2 stellt eine Thyristorstruktu*1 dar, bei der das Verhältnis
UZ ^ UA für e^-ne vorgegebene LebensdauerTß wesentlich grosser
eingestellt werden kann, als dieses bei Strukturen nach Fig. möglich ist.
Die beiden Basiszonen 4!, 5' bestehen jeweils aus den aneinandergrenzenden
Teilbereichen 11, 12 und 13, 14 mit den Dicken d,, dp
und &2> cU' (Fiß· 3a). Innerhalb eines jeden Teilbereiches ist die
Störstellenkonzentration etwa konstant, wobei die beiden äusseren Teilbereiche 11, Ik.und die beiden inneren Teilbereiche 12,
die gleiche Störstellenkonzentration aufweisen und die Störstellenkonzentration der äusseren Teilbereiche 11, Ik grosser ist
als die der inneren Bereiche 12, 13·
In Fig. 3a ist beispielsweise der Dotierungsverlauf eines Thyristors
mit symmetrischer Struktur gemäss Fig. 2 wiedergegeben. Fig. 3b und 3c zeigen den Feldstärkeverlauf in der Basiszone dieses
Thyristors beim Anliegen der Ausräumspannung UA fFig. 3b) bzw.
der Nullkippspannung U2 (Fig. 3c).
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In diesem Ausführungsbeispiel entspricht die Ausräumspannung U«
der maximalen Sperrspannung in Rückwärtsrichtung U^g und beträgt
H kV, d.h. der N+P - und der NP+- Uebergang müssen je 2 kV aufnehmen
können. Als maximal mögliche Dotierung ergibt sich dann' für die P-und für die N-Zone 11, 14 eine Ladungsträgerkonzentration
von 8 · 10 ^ cm . Bei einer solchen Dotierung würden sich die
Raumladungszonen bei der Lawinendurchbruchsspannung etwa l80 um
ausdehnen. Die Weite der P- und der N-Zone 11, l4-ist jedoch
auf 150 iim begrenzt, so dass bei gleicher maximaler Feldstärke
(E ft* 2 · 10-^ V/cm) auch noch die anschliessenden je 80 um
IUcLX '
dicken schwach dotierten Zonen 12, 13 ausgeräumt werden. Die Ladungsträgerkonzentration
in diesem Gebiet beträgt etwa 2 · 10 cm . Die mit Hilfe beispielsweise einer Golddiffusion eingestellte
Lebensdauer Τ© der Minoritätsträger beträgt etwa 2yus,
so dass sich als maximale VorwärtsSperrspannung 1,5 kV ergibt.
Der Durchlassspannungsabfall beträgt 2,7 V, bei einer Stromdichte 200 A/cm . Die Preiwerdezeit hängt im wesentlichen von der
Amplitude und der Impedanz des Löschimpulses ab, nicht aber von der Lebensdauer der Minoritätsträger.
Bei der Herstellung eines solchen Bauelementes diente als Ausgangsmaterial
eine P -leitende Siliziumscheibe. Auf diese Scheibe wurden dann in an sich bekannter Weise die N, N~, P~, N - Schichten
epitaktisch abgeschieden.
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Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde die
Lebensdauer ^n variiert. Die Idee ist hierbei, in den beim Anti
legen einer Spannung in Vorwärtsrichtung, die ungefähr der Kippspannung
entspricht, sich ausbildenden neutralen Gebieten die Lebensdauer L ß extrem kurz zu machen C C^ ), so dass die
Diffusionslänge klein wird, und damit die Dicke dieser neutralen Zonen sehr klein ist. Im mittleren Teil der Basis wird dagegen
die Lebensdauer L so gross wie möglich gemacht (£« ), so
dass gleichzeitig der Durchlassspannungsabfall gering bleibt. Vorzugsweise soll das Verhältnis ίη /C, >- 2 sein.
In Fig. 3c sind die verschiedenen Lebensdauergebiete· eingezeichnet.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Vorwärtssperrspannung 3 kV und die Ausräumspannung nur 2,2 kV. Die Lebensdauer
wurden mittels einer Golddiffusion so eingestellt, dass 2^g etwa 0,1 us und ί ß etwa 10 u ist. Bei einer Dotierung der
jeweils 75/im dicken P- und N-Gebiete 11, 14 von 1,5 * 10 Ladungsträger
cm ->3 sowie der etwa 100 um dicken P-- bzw. N -Gebie-
13 -^
te 12, 13 von 2 * 10 Ladungsträger cm J und einer Basisweite
von 350yum ergibt sich ein Durchlassspannungsabfall von 1,6 V
bei 200 A/cm2 .
Da in diesem Fall die Ausräumspannung geringer ist als die Nullkippspannung,
kann bei einer gegenüber an dem Thyristor liegenden sinusförmigen Spannung dieser von der negativen Halbwelle automatisch
ausgeräumt wevdert»
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Die in den beiden Ausführungsbeispielen angegebene vollständige Symmetrie in der Dotierung braucht nicht eingehalten zu werden.
Beispielsweise kann die Schicht des N~-Gebietes auch von dem P" -Gebiet eingenommen werden (Fig. 4). Damit dann die maximale zulässige
Feldstärke am N+P-Uebergang nicht überschritten wird, kann die P-Dotierung etwas herabgesetzt werden (beispielsweise
im ersten Ausführungsbeispiel von 8 * 10 ' auf 4 · 10 5 cm~·^).
Entsprechend könnte dann die N-Dotierung erhöht werden.
Die Basisstruktur enthält dann nur noch drei homogen dotierte Bereiche und ist damit leichter realisierbar. Bei der Herstellung
derartiger Bauelemente wurde von einer P -leitenden Siliziumscheibe ausgegangen, auf die auf der einen Seite eine P-leitende
und auf der anderen Seite eine N-leitende Schicht epitaktisch abgeschieden
wurde. Die N - und P -leitenden Zonen wurden anschliessend durch Diffusion erzeugt.
Thyristoren mit sehr kurzer Freiwerdezeit können besonders dann gut eingesetzt werden, wenn auch die Einschaltzeiten entsprechend
kurz gewählt werden können.. Gate-Anordnungen, die ein schnelles Einschalten ermöglichen, sind bekannt (vgl. z.B. Artikel: Thyristoren
mit innerer Zündverstärkung, in: J.Burtscher, u.a. (Hrsg.): Dynamische Probleme der Thyristortechnik; Berlin 1971, S. 128 ff.)
Bei dem neuen Halbleiterbauelement muss allerdings im Gegensatz zum normalen Thyristor zwischen Kathode und P-Basis die unter
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Umständen hohe Ausräumspannung aufgenommen werden. Die Stellen, an denen ein N P-Uebergang an die Oberfläche tritt, müssen deshalb
eine entsprechende Anschrägung aufweisen mit einem sehr
kleinen Winkel (z.B. -3 ).
kleinen Winkel (z.B. -3 ).
Fig. 5 zeigt beispielsweise einen solchen Thyristor. Als Gateanordnung
wird ein Amplifying-Gate 15 verwendet. Die beiden an
die Oberfläche tretenden N P-Uebergänge sind mit 16 und 16' bezeichnet.
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Claims (8)
1.j Bistabiles Halbleiterbauelement für hohe Frequenzen mit
einem aus einer Folge von wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehenden
Halbleiterkörper, dessen beide äussere Zonen, die Emitterzone, stärker dotiert sind als die beiden inneren 2onen,
die Basiszonen, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Basiszonen (4,5; 4',5') derart dotiert sind, dass bei einer
in Rückwärtsrichtung an den beiden Emitterzonen (2,3;
2',3') liegenden Spannung U„, die kleiner oder höchstens
gleich der maximalen Sperrspannung U«« ist, der kürzeste
Abstand W zwischen den an den beiden äusseren Zonenübergängen (6,8; 6',8') sich ausbildenden Sperrschichten (9,1'O)
kleiner als die Diffusionslänge L„ der Ladungsträger in
den Basiszonen (4,5; 4',5') ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass mindestens eine der beiden Basiszonen (4,5; 4f,5')
mindestens zwei Bereiche (11,12,13,14) mit jeweils konstanter Dotierungskonzentration aufweist, wobei die Dotierungskonzentration
von dem Jeweiligen äusseren Zonenübergang (6,8; 6',8') zu dem inneren Zonenübergang (7; 71) hin von
Bereich zu Bereich abnimmt.
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3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Basiszonen (4,5 ; 4',5') einen zum
mittleren Zonenübergang (7; 71) symmetrischen Verlauf der
Dotierungskonzentration aufweisen.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Basiszonen (4,5; 4',
51) derart dotiert sind, dass der Abstand W für eine Spannung
UR, die gleich der maximalen Sperrspannung in Rückwärtsrichtung
ist, Null wird.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Basiszonen (4,5; 4',5') zusammen drei
Gebiete (I, II, III) mit unterschiedlicher Ladungsträgerlebensdauer (T2V., Γώί) umfassen, wobei das erste (I)
und das dritte (III) Gebiet an die beiden äusseren Zonenübergänge (6,8; 6*,8f) grenzen und die Breite dieser Gebiete
(I, III) jeweils zwischen dem 0,5- und dem 2-fachen der Diffusionslänge L der ladungsträger in diesen Bereichen beträgt
und dass das dritte Gebiet (III) den mittleren Teil der beiden Basiszonen (4,5 ; 4', 51) einnimmt.
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass das Verhältnis der Lebensdauer in dem zweiten
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Gebiet ('Γ-α·*) zur Lebensdauer in dem ersten und dritten
X)J.
Gebiet [1Zm)
> 2 ist. ·
7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die P-leitende Basiszone (4;
4') mit einer Steuerelektrode (G) versehen ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stellen (16, 16')» an denen die N P-Uebergänge
an die Oberfläche treten, diese eine Anschrägung aufweisen.
BBC Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie.
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