DE2507404C2 - Festkörper-Schaltelement - Google Patents
Festkörper-SchaltelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Festkörper-Schaltelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs I.
Ein solches Festkörper-Schaltelement, das aus der GB-PS 12 51 088 bekannt ist. enthält einen Thyristor
und eine Diode in Parallelschaltung, wobei die Anode der Diode mil der Kathode des Thyristors und die
Kathode der Diode mit der Anode des Thyristors verbunden ist. Diese Zuordnung isi sehr häufig in
bestimmten Anwendungsgebieten anzutreffen, beispielsweise bei Wechselrichtern, Zwangskommutatorschaltungen
und Impulsgeneratoren, und in der Praxis ervveist es sich als zweckmäßig, die beiden Bestandteile,
nämlich die Diode und den Thyristor, sowie ihre Verbindungen in einem gemeinsamen tragenden Gehäuse
zu vereinigen. Es ist besonders vorteilhaft, diese Vereinigungen mit Hilfe der Technik der monolithischen
Integration in einem einzigen Halbleiterblock in Form einer integrierten Schaltung zu realisieren, wobei
die Verbindungen zwischen den beiden Schaltungselementen durch aufgebrachte Metallschichten gebildet
werden.
Derartige Vereinigungen weisen jedoch verschiedene Nachteile auf. die mit der Gefahr einer unzureichenden
Trennung der beiden nebeneinanderliegenden Abschnitte
des Blocks verknüpft sind, die der Fhyristorfunktion
bzw. der Diodenfunktion entsprechen. Einer dieser Nachteile ist von struktureller Art und besteht in
der Schwierigkeit, infolge der geometrischen Nähe der beiden integrierten Bestandteile ein befriedigendes
i1» Verhalten gegenüber hohen elektrischen Spannungen
zu gewährleisten; ein weiterer Nachteil besteht in der Schwierigkeit, die physikalisch-chemischen Eigenschaften
der beiden Teile unabhängig voneinander zu differenzieren, damit ihnen die gewünschten Kenngrößen
erteilt werden, welche die Art, die Anzahl und die Beweglichkeit der zur Anwendung gebrachten elektrischen
Ladungen betreffen.
Ein weiterer Nachteil ist schließlich von funktioneller Art und mit dem widersprüchlichen Charakter der
Betriebsbedingungen der beiden integrierten Schaltungselemente verknüpft, da infolge der Art ihrer
gegenseitigen Verbindung die Diode stromführend ist. wenn der Thyristor gesperrt ist, und umgekehrt. Die
Vereinigung des Dioden-Stromkreises und des Thyristor-Stromkreises in einem einzigen Halbleiterblock
ergibt die Gefahr der Wanderungen von elektrischen Ladungsträgern von dem einem zu dem anderen
Schaltungselement durch Diffusion im Innern des Blocks, wodurch die Gefahr besteht, daß der Betrieb des
Thyristors beeinträchtigt wird. Infolge dieser Gefahr ergibt sich einerseits die Notwendigkeit, große Abstände
zwischen den beiden Schaltungselementen vorzusehen, die in verschiedener Hinsicht unerwünscht sind, und
andererseits die Stromlinien der Ladungsträger dadurch abzugrenzen, daß in dem Halblt.'ie=-block zusätzliche
Zonen oder Elektroden geschaffen werden, wodurch die Anzahl der Fertigungsoperationci und demzufolge der
Herstellungspreis erhöht werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Festkörper-Schaltelement der eingangs genannten Art trotz
geringer Abstände zwischen der Diode und dem Thyristor und ohne zusätzliche Zonen oder Elektroden
in dem Halbleiterblock für eine der Diffusion von Ladungsträgern zwischen Diode und Thyristor entgegenwirkende
Trennung zwischen diesen zu sorgen.
Diese Aufgabe wird durch das im kennzeichnenden
Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst.
Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, für die
Abgrenzung der Stromlinien der Ladungsträger nicht von Zonen oder Elektroden Gebrauch zu machen, die in
dem Halbleiterblock erzeugt werden, sondern elektrisch
isolierende Schichten anzuwenden, die auf gewisse Teile der äußeren Flächen des Halbleiterblocks aufgebracht
werden: durch die Einfügung dieser Schichten /wischen dem Halbleiterkörper und den die Rolle der Verbindungen
spielenden Metallschichten wird infolge einer besonderen Abgrenzung der Kontaktzonen zwischen
den Metallschichten und entsprechenden Bereichen der beiden integrierten Schaltungselemente eine sehr gute
elektrische Trennung der beiden von den Schaltungselementen eingenommenen Teile des Blocks erzielt.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In
der Zeichnung zeigt
F i g. 1 bei (a) und (b) eine Schnittansicht einer Thyristor-Diodep.-Anordnung bekannter Art,
F i g. 2 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform des Festkörper-Schaltelements nach der Erfindung
und
Fig.3 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform
nach aer Erfindung.
Fig. l(a)zeigt ein Festkörper-Schaltelement bekannter
Art das aus zwei parallelgeschalteten Halbleiteranordnungen besteht, nämlich einerseits aus einem
Thyristor T mit einer Zünd- oder Steuerelektrode G,
und andererseits aus einer Diode D. '5
Die Diode D besteht aus einer Anodenzone 1 und
einer Kathodenzone 2, die eine gemeinsame Räche 3
haben, die den gleichrichtenden pn-übergang bilden; die mit p+ und n+ bezeichneten Bereiche 6 und 7 der
Diode, die infolge starker Dotierung eine hohe Leitfähigkeit haben, bilden die nicht gleichrichtenden
oder ohmschen Kontakte, die für den Anschluß der Diode erforderlich sind.
Der Thyristor Tbesteht aus einer Anodenzone 14 des Leitungstyps ρ+ , einer Basis 15 des Leitungstyps η und
einer Kathodenzone 17 des Leitungstyps n + ; die Steuerelektrodenzone ist durch die Schicht 16 des
Leitungstyps ρ gebildet; der mit p+ bezeichnete Bereich 18, der infolge starker Dotierung eine große
Leitfähigkeit hat, bildet den ohmschen Kontakt, der für die Verbindung der Steuerelektrodenschicht 16 mit
einer nicht dargestellten äußeren Steuerschaltung notwendig ist.
Die der Basis 15 und der Steuerelektrodenzone 16 gemeinsame Fläche 19 bildet einen pn-übergang.
Wie ferner angedeutet ist. sind Verbindungen C und C so ausgebildet, daß dann, wenn die Diode in der
Durchlaßrichtung vorgespannt ist, der Thyristor im nichtleitenden Zustand (Sperrzustand) ist. und umgekehrt.
Zur Verringerung des Raumbedarfs und der Herstellungskosten einer solchen Schaltung ist bereits eine
Ausführungsform beschrieben worden, bei der das unter der Bezeichnung monolithische Integration bekannte
Mikrominiaturisierungs-Prinzip angewendet wird, bei
dem die Zonen mit den gewünschten.peometrischen und elektrischen Eigenschaften durch örtlich begrenzte
chemisch-physikalische Operationen in einem einzigen Halbleiterblock erzeugt werden.
F i g. l(b) zeigt schemaMsch eine solche monolithische
integrierte Schaltung, die einerseits den Thyristor Tmit
seiner Steuerelektrode C und andererseits die Diode D
enthält.
Die Verbindungen, die den Verbindungen C und C von Fig. l(a) entsprechen, sind durch Metallschichten
Mund M'realisiert.
Nun sind jedoch die beiden Anordnungen D und T
gewöhnlich durch einen isolierenden geometrischen Zwischenraum voneinander getrennt; die Vereinigung
dieser beiden Anordnungen in einem einzigen Halbleiterblock macht es daher notwendig, die erforderliche
Trennung in Form eines elektrisch isolierenden Zwischenraums 5 aufrechzuerhalten. der durch einen
Halbleiterbereich gebildet ist, dessen spezifischer Widerstand und Größe ausreichen, um zu verhindern,
daß sich die Diffusio" der elektrischen Ladungsträger der Diode im Betrieb bis zu der vorn Thyristor
eingenommenen Zone cn-.treckt.
Eine grundsätzliche Betriebskenngröße bei Thyristoren ist nämlich die Geschwindigkeit, mit der darin der
Sperrzustnr.d ausgebildet werden kann; diese Geschwindigkeit ist durch die Geschwindigkeit vorgegeben,
mit der die Spannung im Sperrzustand ansteigen kann, ohne daß der Übergang in den Leitzustand
verursacht wird. Die Integration eines Thyristors und einer Diode in einem einzigen Halbleiterblock ruft die
Gefahr hervor, daß in dem vom Thyristor eingenommenen Teil in schädlicher Weise elektrische Minoritäts-Ladungsträger
vorhanden sind, die während der Stromführungsphase der Diode erzeugt werden, die sich daran
anschließt; diese Ladungsträger vermindern die maximale Geschwindigkeit, mit welcher der Sperrzustand
des Thyristors ausgebildet werden kann.
Aus diesem Grund ist bei der in Fig. l(b) dargestellten
bekannten Ausführungsform der zur Diode gehörende Teil ferner durch Bereiche mit kleinen Abmessungen
begrenzt, die infolge starker Dotierung eine große Leitfähigkeit aufweisen, wie die Bereiche 6 und 7, damit
die Begrenzung der Stromlinien der Jiode gewährleistet
ist wie sie bei 25,26 und 27 dargesteli' sind.
Für den Fall, daß gewisse Minoritäts-Ladungsträger den Umriß 25 der Stromlinien verlassen und in
schädlicher Weise in den isolierenden Zwischenraum bis in die "Jähe des zum Thyristor gehörenden Teils
diffundieren, ist es ferner zweckmäßig, ihre Lebensdauer dadurch zu verringern, daß in diesen Zwischenraum
geeignete Störstoffe eindiffundiert werden, beispielsweise Goldatome.
Die Struktur von Fig. l(b) weist jedoch einen
beträchtlichen Nachteil auf. der damit verknüpft ist, daß die elektrisch leitende Schicht M vorhanden ist, die in
dem Teil 8 in Kontakt mit der oberen Fläche des Halbleiterblocks steht.
Da es nämlich für eine wirtschaftliche Herstellung praktisch notwendig ist, der p-Schicht eine verhältnismäßig
große. Leitfähigkeit zu erteilen, verhält sich die Zone 8 zusammen mit der leitenden Schicht ana.bg zu
dein stark leitenden Bereich 6, der die Stromlinien der
Diodenzone begrenzt: in dpr Praxis haben daher gerade die Stromlinien dieses Teils einer, äußeren Umriß, wie er
bei 29 dargestellt ist. so daß sie in merklicher Weise in den isolierenden Zwischenraum 5 eindringen und darin
die Gefahr der bereits angegebenen schädlichen Erscheinungen verursachen.
Fig. 2 zeigt eine integrierte Struktur nach der Erfindung, die diesen Nachteil nicht aufweist.
Ihr Prinzip beruht darauf, daß eine Trennung der die
zum Thyristor bzw. zur Diode gehörenden Teile verbindenden leitenden Schicht M von der Zone 8 an
der oberen Fläche des Halbleiterblocks in dem ganzen Teil der leitenden Schicht vorgenommen wird, die nur
die R <ie einer Verbindung spielt. Diese Trennung erfolgt durch eine Isolierschicht 31. auf die die leitende
Schicht aufgebracht wird. Ein Material, das sich für diese
Isolierfunktion besondert gut eignet, insbesondere dann, wenn das Material des Halbleiterblocks Silicium ist. ist
Siliciumdioxid.
Die Stromlinien iO des /ur Diode gehörenden Teils
des Halbleiterblocks sind auf diese Weise leicht und einfach durch die Bemessung der Ausdehnung der
Kontaktfläche 11 zwischen der leitenden Schicht M und
dem Halbleiterblock abgegrenzt.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform mit einer auf den Halbleiterblock aufgebrachten Isolierschicht
besteht in der Möglichkeit, die pn-Übergänge durch Schichten 3) und 32 aus isolierendem Oxyd in
Verbindung mit einer planaren Struktur zu schützen, beispielsweise die Übergänge der Zonen 17 und 18.
Fig. 3 zeigt eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform der integrierten Struktur nach der
Erfindung.
Bei dieser Aiisführungsform erhält die Steucrelektrodcnzone
16 des Leitungstyps ρ eine Störstoffkonzcntration,
die größer als diejenige der Steuerelektrodenzone von Fig. 2 ist. so daß sie auf die gleiche Konzentration
p+ wie die Anodenzone 14 gebracht wird. Damit das gleiche Konzenlrationsverhältnis beibehalten wird,
werden die beiden Kathodenzonen 7 und 17 des Leitungstyps n, die zur Diode bzw. zum Thyristor
gehören, auf eine Störstoffkonzentration n++ gebracht. Der erzielte Vorteil besteht darin, daß unter
diesen Bedingungen die Kontaktzone 18 von F i g. 2 mit großer Störstoffkonzentration hier nicht mehr notwendig
ist, weil sich nunmehr die ganze Steuerelektrodenzone auf der hohen .Siörsiuffkonzeriiraiiori p-f befinde-i.
Sie hat sogar einen noch höheren Konzentrationsgrad,
der nahe bei ρ + + liegt: Die Ausbildung der Zonen ρ + der erfindungsgemäßen Struktur erfolgt nämlich durch
Eindiffundieren von p-Störstoff in einen Halbleiterblock aes Leitungstyps η von dessen Hauptflächen her. und
unter diesen Bedingungen bildet sich im Innern der Zonen des Leitungstyps p-f bei Annäherung an die
Hauptflächen ein zunehmender Konzentrationsgradient aus, was insbesondere für den Teil 33 der Zone
zutrifft, die in unmittelbarer Nähe des Steuerelektrodenkontakts M" liegt, die dann im wesentlichen die
Konzentration p+ + hat.
Im Gegensatz /u den bekannten Strukturen erübrigt
daher die Erfindung die Ausbildung gewisser gut leitender Bereiche durch Marke Dotierung, wie der
Bereiche β und 18 von K i g. l(b). wodurch die Anzahl
der bei der Herstellung erforderlichen Operationen und demzufolge auch der Herstellungspreis verringert wird.
Die erfindungsgeniäße Struktur weist außerdem den
Vorteil auf. dall sie infolge der ausgezeichneten Abgrenzung der Stromlinien in dem zur Divide
gehörenden Teil eine Verkleinerung des /wischen der Diode und dem Thyristor notwendigen isolierenden
Zwischenraum .V ermöglicht, wodurch sich eine Verringerung der Abmessungen des verwendeten
Halbleitcrblocks ergibt.
Wenn es schließlich im Fall von schnellen Umschalten-
Grünlingen notwendig crsciiCiiit. in ocr t^crc!«** /uvi>r
angegebenen Weise Rekombinationszentren für die elektrischen Ladungen in den isolierenden Zwischenraum
einzubringen, damit die Lebensdauer der Minoritätsträger verringert wird, beispielsweise Goklatome.
ergibt die Erfindung den Vorteil, daß die Dichte dieser Rekombiiiationszentren in einem breiteren Wertebereich
gewählt werden kann, da es nicht mehr erforderlich ist, eine so beträchtliche Konzentration in
diese ·-; isolierenden Zwischenraum einzubringen.
Claims (7)
1. Fesikorper-Schaltelement, bestehend aus einem
Thyristor und einer Diode, die in zwei Teilen eines einkristallinen Halbleiterblocks integriert sind, der
zwei einander gegenüberliegende Hauptflächen aufweist, wobei sich die Anodenzone des Thyristors
und die Kathodenzone der Diode bis zu einer der Hauptflächen erstrecken, an der sie elektrisch
miteinander verbunden sind, während sich die Steuerelektrodenzone des Thyristors, die Anodenzone
der Diode und die Kathodenzone des Thyristors bis zu der anderen Hauptfläche erstrekken,
wobei die von der Anodenzone der Diode und der Kathodenzone des Thyristors eingenommenen
Flächenabschnitte durch eine leitende Verbindungsschicht elektrisch miteinander verbunden sind und
wobei zwischen der Anode der Diode und der Kathode des Thyristors eine Isolierschicht zwischen
der leitenden Verbindungsschicht und der Hauptfläche des K Jbleiterblocks angeordnet ist, dadurch
gekennzeichnet, daß der durch die Ausdehnung der Isolierschicht (31) festgelegte Abstand
zwischen der Diode und dem Thyristor mindestens gleich der Diffusionslänge der elektrischen Ladungsträger
in dem Bereich des Halbleiterblocks zwischen der Diode und dem Thyristor ist.
2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (31) sich
teilweise über den zu der Kathode (17) des Thyristors gehörenden Flächenabschnitt erstreckt
3. Schaltelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolierschicht (32) sich
teilweise ßber den zu der Stvuerelektrodenzone des Thyristors gehörenden Flächenabschnitt erstreckt.
4. Schaltelement nach einem Jer vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht
(31,32) aus Siliciumdioxid isi.
5. Schaltelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der einkristalline Halbleiterblock aus Silicium besteht.
6. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterblork
zwischen den beiden zur Diode bzw. zum Thyristor gehörenden Teilen Rekombinationszentren für elektrische
Ladungen enthält.
7. Schaltelement nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet,
daß die Rekombinationszentren Goldatome enthalten.
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