DE2906721A1 - Halbleiter-schaltvorrichtung - Google Patents

Halbleiter-schaltvorrichtung

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DE2906721A1 DE19792906721 DE2906721A DE2906721A1 DE 2906721 A1 DE2906721 A1 DE 2906721A1 DE 19792906721 DE19792906721 DE 19792906721 DE 2906721 A DE2906721 A DE 2906721A DE 2906721 A1 DE2906721 A1 DE 2906721A1
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Description

_ 5 —
190672
HITACHI, LTD.,, Tokyo, Japan
Halbleiter-Schaltvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Schaltvorrichtung zum Steuern des Ein-Zustandes (leitender Zustand) und des Aus-Zustandes (nichtleitender Zustand) und insbesondere einen Steueranschluß-Ausschalt-Thyristor (im folgenden als GTO-Thyristor bezeichnet).
Ein Transistor und ein GTO-Thyristor sind bekanntlich Beispiele für Halbleiter-Schaltvorrichtungen, die einen Laststrom abhängig von einem Steuersignal ein- und ausschalten können. Derartige Halbleiter-Schaltvorrichtungen haben bestimmte Nachteile sowie Vorteile. Ein GTO-
81-(A 3605-02)-Ko-E
§09837/0513
Thyristor ist zum Verarbeiten oder Steuern einer großen Leistung mit einer Spannung höher als 600 V und einem Strom über 30 A geeigneter, da er gewöhnlich eine große Überlaststromfähigkeit hat.
Ein GTO-Thyristor hat eine oder mehrere GTO-Einheiten in einem Halbleitersubstrat, wobei jede GTO-Einheit aufweist: vier Halbleiterschichten mit abwechselnd unterschiedlichem Leitungstyp, die übereinander vorgesehen sind, zwei Hauptelektroden in ohmschem Kontakt mit den beiden äußersten Halbleiterschichten und eine Steuerelektrode in ohmschem Kontakt mit einer der beiden inneren Halbleiterschichten. Um einen großen Ausschalt-Verstärkungsfaktor ß_,,_ zu erhalten oder um die Ausschaltzeit zu ver-
aUS
kürzen, ist es bei den meisten bestehenden GTO-Thyristoren üblich, deren Halbleitersubstrate mit LebeQsdauer-Killern, wie z. B. Gold, zu dotieren oder diese durch Elektronenstrahlen zu bestrahlen, die Ladungsträger-Rekombinationszentren hervorrufen, wodurch die Lebensdauer der Ladungsträger herabgesetzt wird. Wenn jedoch ein Halbleitersubstrat mit einem Lebensdauer-Killer dotiert ist, wird die Spannung^ im Ein-Zustand an der Vorrichtung hoch, wobei der Leckstrom IL ansteigt, während die Kippspannung und das Ausschaltverhalten bei hohen Temperaturen verschlechtert sind. Da weiterhin die Diffusion von Goldatomen in das Halbleitersubstrat stark durch die Gitterfehler und die (mechanischen) Spannungen im Substrat beeinträchtigt wird, ist es schwierig, Goldatome gleichmäßig in das Substrat zu dotieren. Dies führt zu einer Verringerung in der Ausbeute und macht eine Steigerung der Leistungsfähigkeit schwierig.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiter-
909837/0573
Schaltvorrichtung mit gutem Ausschalt-Verhalten ohne Dotierung des Substrats mit einem Lebensdauer-Killer anzugeben; diese Halbleiter-Schaltvorrichtung soll eine kleine Durchlaßspannung V_, einen kleinen Leckstrom I- und eine hohe Kippspannung sowie ein gutes Steueranschluß-Ausschaltverhalten bei hohen Temperaturen besitzen; schließlich soll diese Halbleiter-Schaltvorrichtung mit hoher Ausbeute herstellbar sein und eine große Leistungsfähigkeit besitzen.
Bei der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schaltvorrichtung ist eine der inneren Halbleiterschichten der GTO— Einheit, an der keine Steuerelektrode angebracht ist, in ohmschem Kontakt mit der Hauptelektrode, die auf der benachbarten äußersten Schicht vorgesehen ist; der Kurzschlußwiderstand in der inneren Schicht ohne Steuerelektrode wird innerhalb eines bestimmten Bereiches durch die Geometriefaktoren der beiden äußersten Schichten bestimmt, ohne irgendeinen Lebensdauer-Killer in das Substrat zu dotieren; der Ladungsdämpfungsfaktor in der inneren Schicht ohne Steuerelektrode ist nahezu gleich dem Ladungsdämpfungsfaktor eines GTO-Thyristors, in den ein Lebensdauer-Killer dotiert und bei dem eine der beiden inneren Schichten ohne Steuerelektrode nicht in ohmschem Kontakt mit der Hauptelektrode auf der benachbarten äußersten Schicht vorgesehen ist.
Die Erfindung betrifft also einen GTO-Thyristor mit mindestens einer GTO-Thyristoreinheit in einem Halbleitersubstrat, wobei jede Einheit aufweist vier Halbleiterschichten mit abwechselnd unterschiedlichem Leitungstyp, eine erste Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit einer ersten äußersten Halbleiterschicht, eine Steuerelektrode in
109837/0513
ohinschem Kontakt mit einer ersten inneren Halbleiterschicht neben der ersten äußersten Halbleiterschicht und eine zweite Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit einer zweiten äußersten Halbleiterschicht und einer zweiten inneren Halbleiterschicht neben der zweiten äußersten Halbleiterschicht, wobei der Kurzschlußwiderstand in der zweiten inneren HalbleiterSchicht aufgrund des Kurzschlusses der zweiten äußersten Halbleiterschicht mit der zweiten inneren Halbleiterschicht durch die zweite Hauptelektrode innerhalb eines bestimmten Bereiches eingestellt ist, der durch die Ladungsträger-Lebensdauer,, die Dicke und den spezifischen Widerstand der zweiten inneren Halbleiterschicht bestimmt ist. Entsprechend kann ein gutes Ausschaltverhalten ohne Dotierung des Substrates mit einem Lebensdauer-Killer erhalten werden, um die Ladungsträger-Rekombinationszentren zu steigern. Weiterhin können Probleme ausgeschlossen werden, die auf die Dotierung des Lebensdauer-Killers zurückgehen, wie z. B. die Steigerungen in der Durchlaßspannung und im Leckstrom, die Verschlechterungen der Kippspannung und des Ausschaltverhaltens bei hohen Temperaturen, die Abnahme in der Produktionsausbeute und die Schwierigkeit bei der Erhöhung der Leistungsfähigkeit.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen %
Fig. 1 den Grundaufbau der erfindungsgemäßen GTO-Einheit in einem Querschnitt,
Fig. 2 ein "Ersatzschaltbild" der in Fig. 1 dargestellten GTO-Einheit,
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1906721
Fig. 3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Geometriefaktor k des Emitters und der Speicherzeit t mit der Ladungsträger-Lebensdauer als Parameter,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Beziehungen zwischen der Ladungsträger-Lebensdauer Έ",,., und dem Geometrie-
D 1
faktor k . des Emitters und zwischen mm
der Ladungsträger-Lebensdauer T51 und dem Geometriefaktor k des Emitters aufgrund der in Fig. 3 gezeigten Kennlinien,
Fig„ 5 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors in Draufsicht,
Fig. 6 einen vergrößerten Teilschnitt VI-VI von Fig. 5,
Fig. 7 ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors in Draufsicht, und
Fig. 8 einen Schnitt VIII-VIII in Fig. 7.
Wie aus der Fig. 1 folgt, hat ein Halbleitersubstrat vier Halbleiterschichten mit abwechselnd unterschiedlichem Leitungstyp, d. h., eine p„-Schicht 2, eine nß-Schicht 3, eine pB~Schicht 4 und eine nE-Schicht 5. Die äußersten Halbleiterschichten, d. h. die pE-Schicht 2 und die nE~ Schicht 5, sind jeweils mit zwei Hauptelektroden versehen,
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d. h. einer Anodenelektrode 6 und einer Kathodenelektrode 7, wobei die Anoden- und die Kathodenelektrode 6 bzw. 7 in ohmschem Kontakt mit der pE-Schicht 2 bzw. der n_- Schicht 5 ist.
Eine Steuerelektrode, d. h. eine Gate- oder Steuerelektrode 8 ist in ohmschem Kontakt mit einer der beiden inneren Halbleiterschichten, d. h. mit der pB-Schicht 4. Die andere innere Halbleiterschicht ohne Steuer- oder Gateelektrode, d. h. die nß-Schicht 3, ist in ohmschem Kontakt mit der Anodenelektrode 6 und daher mit der benachbarten äußersten Halbleiterschicht, d. h. der pE-Schicht 2, kurzgeschlossen. Das Halbleitersubstrat 1 ist nicht mit einem Lebensdauer-Killer, wie z. B. Gold, dotiert.
Die in Fig. 1 dargestellte GTO-Einheit kann in gleicher Weise in ein in Fig. 2 gezeigtes Modell oder "Ersatzschaltbild" geändert werden. In Fig. 1 hat ein erster Transistor T.. eine pE~Schicht 2, eine nB-Schicht 3 und eine Pg-Schicht 4, und ein zweiter Transistor T~ hat eine nB-Schicht 3, eine ρ -Schicht 4 und eine nE~Schicht 5. Ein Widerstand R„ ist der Widerstand der betrachteten nß-Schicht 3, da die pE~Schicht 2 mit der nB-Schicht 3 durch die Anodenelektrode 6 kurzgeschlossen ist.
Entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten "Ersatzschaltbild" sind die diesen Transistoren T1 und T? zugeordneten Ladungs-Steuer-Gleichungen gegeben durch:
QR1
dt τΒΐ
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dO
B2
rait Q_^ = Ladungsmenge in der n^-Schicht je Flächeneinheit,
ti I ES
Q _ = Ladungsmenge in der pR-Schicht je Flächeneinheit, ^B1 = Lebensdauer der Ladungsträger in der nB~Schicht, ^32 - Lebensdauer der Ladungsträger in der Pg-Schicht,, I„ = Stromdichte durch den Kurzschlußwiderstand R_, lc = Steuerstromdichte,
Ip1 = Kollektorstromdichte des Transistors T1, und
iC2 = KoHe^torstrom^icnte ^es Transistors T2 „
Der Erfinder hat nun erkannt, daß bei der mit der n-Schicht 3 durch die Änodenelektrode 6 kurzgeschlosse= nen pF=Schicht 2 der Stromverstärkungsfaktor des ersten Transistors T^ abfällt und weiterhin die in der n^-Schicht 3 gespeicherten Ladungsträger über die Änodenelektrode 6 abgesaugt werden. Es wird angenommen, daß sich das Aus= schaltverhalten verbessert? wenn das Absaugen von Ladungsträgern aus der nB~Schicht 3 größer wird» Entsprechend wird die obige Gleichung (1) näher untersucht.
Eine Umformung der Gleichung (1) führt zus
^Qt3 ι Qo 1
dt
R1
= IC2 - (^1 + I) (3)
C2 ^ s
WSPECTED
Im Hinblick auf den zweiten Ausdruck der rechten Seite der Gleichung (3) ist zu beobachten, daß I das gleiche Vorzeichen wie Qd-i/^b-i nat und wie der Ausdruck Qr-i/^bi zur Verringerung der Ladungsmenge Q1 dient. Je größer tatsächlich der Wert des zweiten Ausdruckes ist, desto rascher nimmt die Ladungsmenge Qß1 ab und desto besser wird das Ausschaltverhalten. Daher sollte der durch den obigen zweiten Ausdruck dargestellte Ladungsdämpfungsfaktor näher untersucht werden.
Der Strom I durch den Kurzschlußwiderstand R ist
S S
gegeben durch:
χ. - j^
mit vio = äurch den pn-übergang zwischen der p^-Schicht 2 und der nB~Schicht 3 im thermischen Gleichgewicht gebildete Potentialschwelle, d. h. im Aus-Zustand,
V- = Vorspannung am pn-übergang (Vorspannung in Durchlaßrichtung wird positiv angenommen), und
R = effektiver Kurzschlußwiderstand im Betrieb.
Der effektive Kurzschlußwiderstand R ist die modulierte Form des Wertes R„o/ den R im thermischen Gleichgewicht abhängig vom spezifischen Widerstand ρ und der Dicke W der n_-Schicht 3 und den Geometriemustern der pE~ Schicht 2 und der nE-Schicht 5 annimmt. Insbesondere wird R durch Modulation des Wertes R50 mit der Größe Qß1 der in der nß-Schicht 3 gespeicherten Ladungen erhalten und ist gegeben durch:
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Rsx = Rso
mit Q = effektive Ladungsmenge in der n„-Schicht 3 im
ο ü
thermischen Gleichgewicht.
Nunmehr kann mittels der Gleichungen (4) und (5) die
Gleichung (3) wie folgt geändert werden:
dt u tr R Q
B1 SO O
Andererseits fließt kein Kurzschlußstrom I durch den herkömmlichen GTO-Thyristor, in dem die Lebensdauer der Ladungsträger in der nR-Schicht durch Dotieren eines Lebensdauer-Killers, wie z. B. Gold, klein gemacht ist, und bei
dem die p„-Schicht nicht mit der η,,-Schicht durch die Ano-
XLl SD
denelektrode kurzgeschlossen ist. Daher sind bei einem derartigen herkömmlichen GTO-Thyristor die dem Transistor mit einer pE-Schicht, einer nß-Schicht und einer p„-Schicht zugeordneten Ladungs-Steuer-Gleichungen gegeben durchs
dt
R1
- 1C2 - ^r1 (8)
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Gewöhnliche GTO-Thyristören haben abgesehen von dem auf dem dotierten Lebensdauer-Killer beruhenden Problem ein gewünschtes Ausschaltverhalten.
Wenn daher der zweite Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (6) ungefähr gleich dem zweiten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (8) ist, d. h., wenn beide Ladungsdämpfungsfaktoren nahezu gleich zueinander sind, kann also angenommen werden, daß der erfindungsgemäße GTO-Thyristor ein gewünschtes Ausschaltverhalten zeigt. Entsprechend wird der Wert R im Aus-Zustand, d. h. im
SO
thermischen Gleichgewicht, des KurzSchluß-WiderStandes R ,
der im zweiten Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung (6) auftritt, näher untersucht.
Wie aus der Fig. 1 und der Gleichung (6) folgt, wird bei zu kleinem Kurzschluß-Widerstand R der größte Teil des Hauptstromes zum Kurzschlußstrom, so daß der erste Transistor T.. nicht arbeitet und der GTO-Thyristor nicht länger selbst den Ein-Zustand halten kann. Damit also der GTO-Thyristor seine richtige Funktion erfüllt, muß der Widerstand R einen Mindestwert aufweisen.
Wenn andererseits der Kurzschluß-Widerstand R zu groß ist, arbeitet der erste Transistor T1, und die Ladungsträger in der n_-Schicht 3 werden nicht vernichtet, so daß der GTO-Thyristor nicht ausschaltet. Um den GTO-Thyristor auszuschalten, muß daher der Widerstand R einen Höchstwert haben. Daher kann davon ausgegangen werden, daß der KurzSchluß-Widerstand R einen Optimalwert besitzt, für den die Ladungsträger in der n-.-Sch.icht 3 geeignet verschwinden.
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29Q6721
Der Kurzschluß-Widerstand R__» der sich abhängig vom spezifischen Widerstand ρ und der Dicke W der η -Schicht 3 sowie abhängig von den Geometrie-Mustern der p_-Schicht 2 und der n_-Schicht 5 ändert, ist gegeben durch:
mit k = von Geometrie-Mustern (d. h. den relativen Abmessungen und Lagen) der ρ -Schicht 2 und der nE-Schicht 5 abhängiger Faktor (dieser Faktor wird im folgenden als Geometriefaktor des Emitters bezeichnet).
Fig. 3 zeigt in einer graphischen Darstellung die Beziehung zwischen dem Geometrxefaktor k des Emitters und der Speicherzeit t mit der Lebensdauer T5-, der Ladungsträger in der n_-Schicht 3 als Parameter.
Der Geometrxefaktor k ist eine dimensionslose Konstante, da die Dimension des Widerstandes R den Wert JjQ,-cm J hat. Die Speicher zeit t ist die Zeitdauer von dem Zeitpunkt, in dem das Ausschaltsignal am GTO-Thyristor liegt, bis zu dem Zeitpunkt, in dem der gesättigte Zustand des pn-überganges zwischen der n^-Schicht 3 und der pB-Schicht 4 aufgebrochen ist, d. h. bis zu dem Zeitpunkt, in dem das Ausschalten beginnt.
Fig. 3 zeigt, daß bei zu kleinem Geometrxefaktor k des Emitters die Speicherzeit t negativ ist. Dies bedeutet, daß der GTO-Thyristor seinen Ein-Zustand durch sich selbst nicht halten kann. Wenn andererseits der Geometriefaktor k des Emitters zu groß ist, wird die Speicher-
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zeit t lang. Dies bedeutet, daß der GTO-Thyristor den Laststrom in praktischer Weise nicht ausschalten kann. Entsprechend muß der Geometriefaktor k des Emitters innerhalb eines optimalen Bereiches liegen. Zu diesem Zweck muß der Geometriefaktor k des Emitters innerhalb eines Bereiches zwischen einem bestimmten Mindestwert k . und einem
mm
bestimmten Höchstwert k liegen, um ein gutes Ausschalt-
Iu el X
verhalten zu erzielen.
Da weiterhin die Speicherzeit t nicht nur vom Geometriefaktor k, sondern auch von der Ladungsträger-Lebensdauer TB1 abhängt, können die Beziehungen zwischen der Ladungsträger-Lebensdauer TT5.. und den oben erläuterten Grenzwerten k. und km=v des Geometriefaktors k aufgrund der in Fig. 3 gezeigten Daten erhalten werden. Die so erzielten Beziehungen sind in Fig. 4 dargestellt.
Aus Fig. 4 folgt, daß der Wert k rasch ansteigt,
max
wenn die Ladungsträger-Lebensdauer Tß1 kurz ist, und
daß der Wert k _„ für Ladungsträger-Lebensdauern größer max
als 10 /US nahezu konstant bleibt. Es ist auch zu sehen, daß sich der Wert k . mit Änderungen von T .. wenig verändert .
In einem üblichen Herstellungsverfahren liegt die Ladungsträger-Lebensdauer zwischen 10 und einigen 10 ,us, wenn nicht die Dotierung des Lebensdauer-Killers erfolgt. Daraus folgt, daß die Kennlinie des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors durch die kleine Schwankung der Ladungsträger-Lebensdauer beim Herstellungsverfahren kaum beeinträchtigt wird.
Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, können die Grenzwerte
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k . und k des Geometriefaktors jeweils wie folgt angegeben werden:
kmin = °'498 (log rBi " °'54) ~7
kmax = 3'937 (log rBi " 0/654)~0'3 (11),
wobei log den dekadischen Logarithmus mit der Basis 10 bedeutet und *CB^ in /US gemessen ist.
Durch Einsetzen der obigen Gleichungen (10) und (11) in Gleichung (9) ergibt sich:
. = 0,498 (log T151 - 0,54) 7 * PW (12)
Rso max - 3'937 <1ο*ΤΒ1 " 0,6S4)0'3 · PnW (13)
Da, wie oben erläutert wurde, ein gutes Ausschaltverhalten erzielt werden kann, wenn der Kurzschluß-Widerstand
R__ innerhalb eines geeigneten Bereiches liegt, muß der so
Widerstand R die folgende Ungleichung erfüllen, die hinso
sichtlich des optimalen Bereiches des Geometriefaktors k erhalten wurde:
R . < R < R (14)
so mm so so max
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Insbesondere ist es vorzuziehen, die Gleichung (9) in der folgenden Weise zu ändern, solange ein GTO-Thyristor mit einer Kippspannung höher als 1000 V vorliegt:
(15)
In diesem Fall ist es auch vorteilhaft, den Mindestwert
k . und den Höchstwert k des ι mm max
der folgenden Weise darzustellen:
k . und den Höchstwert k des Geometriefaktors k in mm max
ς -1
kmin = 7'165 * 10 ' (logTBi " °'54) 7
kmax = 5,665 . 10~4 .(log TB1 - 0,654)~°'3 (17)
Der Mindestwert R . und der Höchstwert R des
so mm so max
Kurzschluß-Widerstandes R entstehen aus einer einfachen mathematischen Umformung der Gleichungen (15) bis (17) in der folgenden Weise:
Rso min = 7'165 · 10"5 ' <1ο9τΒΐ - °'54)~7
• Pn/W (18)
Rso max " 5'665 * 10"4 '
• pn/W (19)
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Die obigen Beziehungen (18) und (19) können auch gut
auf einen GTO-Thyristor mit einer Kippspannung kleiner als
1000 V angewandt werden, um eine gewünschte Kennlinie zu erhalten.
Im folgenden wird das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors näher erläutert.
Zunächst wird die Lebensdauer TB1 der Ladungsträger in der nß-Schicht 3 bei der Herstellung eines GTO-Thyristors mit einer gewünschten Kennlinie bestimmt. Mittels der Gleichungen (10) und (11) wird der Geometriefaktor k des Emitters aus der bestimmten Ladungsträger-Lebensdauer "C berechnet. Andererseits werden der spezifische Widerstand f> und die Dicke W der η -Schicht 3 aufgrund der η ti
Kippspannung erhalten, die der gewünschte GTO-Thyristor aufweisen sollte. Der Kurzschluß-Widerstand R wird aus dem Geometriefaktor k, dem spezifischen Widerstand f> und der Dicke W mittels der Gleichung (9) erhalten. Der so ermittelte Widerstand R , der mit den Gleichungen (10) und
SO
(11) berechnet wurde, erfüllt den Ausdruck (14). Dann werden die Abmessungen oder Dimensionen der jeweiligen Schichten 2 bis 5 des GTO-Thyristors so bestimmt, daß der oben erhaltene Wert von R vorliegt. Damit ist die Gestaltung
SO
der Vorrichtung abgeschlossen, und anschließend ist es lediglich erforderlich, den gewünschten GTO-Thyristor mittels der üblichen Fremdstoff-Diffusionsverfahren herzustellen.
Wie oben erläutert wurde, wird bei der Erfindung der Dämpfungsfaktor der Ladungen in der n_-Schicht 3 nahezu gleich dem Dämpfungsfaktor der herkömmlichen Halbleiter-Schaltvorrichtung gemachtj. deren Substrat mit einem Lebensdauer-Killer dotiert ist, indem geeignet der Wert des Kurz-
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schluß-Widerstandes R gewählt wird, wodurch ein gutes Ausschaltverhalten erzielt wird. Da kein Lebensdauer-Killer dotiert wird, ist die Durchlaßspannung VT niedrig, der Leckstrom ist klein und die Kippspannung sowie das Ausschaltverhalten bei hohen Temperaturen werden nicht verschlechtert .
Weiterhin ist das Problem der Ausbeuteverringerung aufgrund der Dotierung des Lebensdauer-Killers gelöst, und das Leistungsvermögen des GTO-Thyristors kann auf einfache Weise gesteigert werden.
Da zusätzlich die pE-Schicht 2 mit der nß-Schicht durch die Anodenelektrode 6 kurzgeschlossen ist, werden der Stromverstärkungsfaktor 0tnrm des in Fig. 2 gezeigten
ir^Ir
Transistors T., und da auch kein Lebensdauer-Killer dotiert ist, der Stromverstärkungsfaktor cc des Transistors T2 vergrößert, so daß weiterhin der Ausschalt-Verstärkungsfaktor ßö„„ verbessert ist.
aUS
Im folgenden wird der nach der Erfindung hergestellte GTO-Thyristor näher erläutert. Der in Fig. 5 und 6 gezeigte GTO-Thyristor hat eine Nennspannung von 600 V und einen Nennstrom von 5 A.
Durch selektive Diffusion eines p- und eines n-leitenden Fremdstoffes nacheinander in ein η-leitendes Halbleitersubstrat 11 mit einem spezifischen Widerstand von 30 Xl*cm werden eine ρ -Schicht 12, eine pR-Schicht 14, eine n_-Schicht 15 und eine n+-Schicht 19 mit hoher Fremd-Ei
stoffkonzentration gebildet, und der Bereich ohne Fremdstoff-Diffusion dient als eine nB~Schicht 13. Die obere freiliegende Kante des zwischen der pB~Schicht 14 und der
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nF~Schicht 15 gebildeten pn-Überganges ist zur Oberflächenpassivierung mit einer (nicht gezeigten) Glasschicht bedeckt. Weiterhin sind eine Anodenelektrode 16, eine Kathodenelektrode 17 und eine Steuerelektrode 18 vorgesehen; die so vorbereitete Einheit wird in ein Gehäuse gebracht und hermetisch abgeschlossen.
Die η -Schicht 19 mit einer hohen Fremdstoffkonzentration hält die Anodenelektrode 16 in ohmschem Kontakt mit der nß-Schicht 13.
Die η -Schicht 15 besteht aus fünf streifenförmigen, parallel angeordneten Bereichen, wobei jeder Streifen eine Breite von 240 ,um und eine Länge von 1300 ,um aufweist. Die pF~Schicht 12 ist entsprechend der n„-Schicht 15 vorgesehen und hat eine Breite von 120 ,um; sie besteht auch aus fünf Bereichen, deren jeder die Form eines "U" mit flachem Boden aufweist, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist, und sie ist so angeordnet, daß deren Mittenlinie mit dem pn-übergang zwischen der pß-Schicht 14 und der η -Schicht 15 ausgerichtet sein kann.
Der Geometriefaktor k des Emitters wird auf ca. 0,78 eingestellt.
Die ρ -Schicht 12 ist 45 ,um dick, die η -Schicht 19 mit der hohen Fremdstoffkonzentration ist 50 ,um dick, die
n„-Schicht 13 ist 120 ,um dick, die ρ -Schicht 14 ist 20 ,um ts / a /
dick, und die η -Schicht 15 ist 15 ,um dick.
Erfindungsgemäß arbeitet der durch eine Strichpunktlinie in Fig. 6 angedeutete Bereich U als eine einzige GTO-
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Einheit.
Bei dem GTO-Thyristor mit dem oben erläuterten und in den Fig. 5 und 6 dargestellten Aufbau ist die Durchlaßspannung V T kleiner als 1 ,5 V für einen Strom von 5 A, und die Ausschaltzeit bzw. der Ausschalt-Verstärkungsfaktor ß_ für 30 A betragen jeweils 3 ,us bzw. 5. Der
SlUL S /
Leckstrom im Vorwärts-Sperrzustand ist um die Größenordnung von 10 kleiner als beim herkömmlichen GTO-Thyristor, dessen Substrat mit Gold dotiert ist, und die Ausbeute bei der Herstellung kann über 90 % betragen.
Die Fig. 7 und 8 zeigen einen GTO-Thyristor nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die jeweiligen Schichten 12 bis 15 und 19 seitlich angeordnet, und daher bietet sich diese Vorrichtung selbst sofort zur Integration an.
In den Fig. 5 bis 8 sind einander entsprechende oder gleichwertige Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen .
Mit dem oben erläuterten Aufbau kann auf einfache Weise eine integrierte Schaltung zur Leistungsverstärkung hergestellt werden, die GTO-Thyristoren aufweist, die nicht aus herkömmlichen Transistoren aufzubauen sind.
Bei den meisten Herstellungsverfahren integrierter Halbleiterschaltungen wird kein Gold diffundiert, und daher bietet sich die erfindungsgemäße Halbleiter-Schaltvorrichtung, die ein gutes Ausschaltverhalten ohne Golddotierung aufweist, selbst für eine integrierte Ausführung an.
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Claims (1)

  1. Ansprüche
    Halbleiter-Schaltvorrichtung, die über einen Steueranschluß ausschaltbar ist, mit
    einem Halbleitersubstrat einschließlich wenigstens einer über einen Steueranschluß ausschaltbaren Thyristoreinheit aus vier Halbleiterschichten mit abwechselnd unterschiedlichem Leitungstyp, einer ersten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit einer ersten äußersten Halbleiterschicht, einer Steuerelektrode in ohmschem Kontakt mit einer ersten inneren Halbleiterschicht neben der ersten äußersten Halbleiterschicht und einer zweiten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit einer zweiten äußersten Halbleiterschicht und einer zweiten inneren Halbleiterschicht neben der zweiten äußersten Halbleiterschicht,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Kurzschluß-Widerstand in der zweiten inneren Halbleiterschicht (3) aufgrund des Kurzschlusses der zweiten äußersten Halbleiterschicht (2) mit der zweiten inneren Halbleiterschicht (3) durch die zweite Hauptelektrode (6) zwischen den Mindestwert und den Höchstwert des Kurzschluß-Widerstandes eingestellt ist, der durch den Geometriefaktor (k) abhängig von den Mustern der ersten und der zweiten äußersten Halbleiterschicht (5r 2) bestimmt ist, und
    81-(A 3605-02)-Ko-E
    §09837/0513
    daß die Thyristoreinheit im wesentlichen frei von Rekombinationszentren ist'.
    2. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
    mehrere über den Steueranschluß ausschaltbare Thyristoreinheiten,
    deren jede im wesentlichen frei von Rekombinationszentren ist.
    3. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Kurzschluß-Widerstand R30 [jQ. ·cm J die folgende Ungleichung erfüllt:
    R «tf R ^ R
    so min so so max'
    mit R . bzw. R = untere bzw. obere Grenze von
    Rso' und
    daß R . bzw. R weiterhin gegeben sind durch: so mxn so max
    -1
    R . = 0,498 · (log t' - 0,54)~7 * P W und
    so mm BI η
    D m ~ 3,937 · (log Έ - 0,654)~0'3 * P„W, Rso max B1 η
    mit W bzw. Pn = Dicke [cm] bzw. spezifischer Widerstand
    Γ-Ω-* cm] der ersten inneren Halbleiterschicht, und
    Tl1 = Lebensdauer r/usl °^er Ladungsträger in der ersten inneren Halbleiterschicht.
    9098 3 7/0B73
    Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß alle Halbleiterschichten (15, 14, 13, 12) in einer ersten Hauptfläche des Substrates (11) freiliegen, und
    daß die zweite Hauptelektrode (16) auf der ersten Hauptfläche des Substrats (11) vorgesehen ist, um die zweite äußerste Halbleiterschicht (12) mit der zweiten inneren Halbleiterschicht (13) kurzzuschließen (Fig- S).
    Halfoleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Kurzschluß-Widerstand R £XL°cmJ die folgende Ungleichung erfüllt?
    so min so so max'
    mit R . bzw. R = untere bzw» obere Grenze von so mm so max
    Rso, und
    daß R, .„ bzw. R, „, weiterhin gegeben sind durch
    SO ΪΗΧΪ1 SO IQaX
    Rso min = 7'165 '
    Rso max = 5'665 ' 10=4 (1°^ *B1 " °^554)=°f3 ' Pn/*'
    mit W bzw ο p = Dicke ΓσπΓΙ bzw» spezifischer Widerstand
    [JX°cm] der ersten inneren Halbleiterschicht, und
    Lebensdauer Γ/η3Ί ^er Ladungsträger in der ersten inneren Halbleiterschicht.
    6. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die zweite äußerste Halbleiterschicht (12) und die zweite innere Halbleiterschicht (13) beide in einer ersten Hauptfläche des Substrates (11) freiliegen, und
    daß die zweite Hauptelektrode (16) auf der ersten Hauptfläche des Substrates (11) vorgesehen ist, um die zweite äußerste Halbleiterschicht (12) mit der zweiten inneren Halbleiterschicht (13) kurzzuschließen (Fig. 8).
    7. Halbleiter-Schaltvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn ζ ei chnet,
    daß die Halbleiterschichten (12, 13, 14, 15) in einer ersten Hauptfläche des Substrates (11) freiliegen, um die zweite äußerste Halbleiterschicht (12) mit der zweiten inneren Halbleiterschicht (13) kurzzuschließen.
    909837/0S73
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