DE3029836C2 - Thyristor - Google Patents

Thyristor

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Description

A. der Obergang (J2) zwischen der ersten Basisschicht (Bt) und der zweiten Basisschicht (B2) in einer negativ angeschrägten Seitenfläche des Halbleiterkörpers freiliegi und der Übergang (J1) zwischen der zweiten Basisschicht (B2) und der zweiten Emitterschicht (E2) in einer positiv angeschrägten Seitenfläche freiliegt und daß
B. die Dicke (Wi) der ersten Basisschicht (B\) größer ist als die Dicke (W2) desjenigen Teils der zweiten Emitterschient (E2), in dem die Dotierungskonzentration geringer ist als die Dotierungskonzentration der ersten Basisschicht (B\) in der Nähe des Übergangs (Js) zur ersten Emitterschicht (Ei).
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Basisschicht (B\) durch Eindiffusion von mindestens zwei Arten von Dotierstoffatornen gebildet ist und daß die erste Emitterschicht (E\) durch Eindiffusion von Dotierstoffatomen einer Art gebildet ist. !
Die Erfindung betrifft einen Thyristor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs 1. Ein derartiger Thyristor ist aus der DE-OS 28 02 727 bekannt.
Bei der Herstellung von Leistungsthyristoren, bildet man, wie es aus der DE-OS 20 51 400 bekannt ist, zur Erhöhung der Oberfläche im peripheren Bereich des Halbleitersubstrats schräge Flächen aus, so aaß der Übergang zwischen der ersten Basisschicht (B\) und der zweiten Basisschicht (B2) in einer negativ angeschrägten Seitenfläche des Halbleiterkörpers freiliegt und der Übergang zwischen der zweiten Basisschicht (B2) und der zweiten Emitterschicht (Ej) in einer positiv angeschrägten Seitenfläche freiliegt. Dies dient dem Zweck der Senkung des Feldes an der Oberfläche im Vergleich zum Feld im inneren Bereich des Halbleitersubstrats, oder der Steigerung des Kriechabstandes der Isolierung in der Nähe der an der Oberfläche freiliegenden pn-Übergänge. Hierdurch wird eine Verringerung der Durchbruchspannung verhindert. Man unterscheidet dabei zwischen einer negativ angeschrägten Seitenfläche oder negativen Schrägfläche mit einem Winkel Φ von mehr als 90° zwischen dem pn-übergang und der Schrägfläche und einer positiv angeschrägten Seitenfläche oder positiven Schrägfläche mit einem Winkel Φ von weniger als 90°.
Der Stand der Technik wird im folgenden anhand der F i g. 1 bis 3 erläutert.
F i g. 1 zeigt die Relation zwischen dem Winkel Φ und
der Durchbruchspannung.
Bei einem Thyristor mit einer Verteilung der Konzentration der eindiffundierten Fremdatome gemäß F i g. 2 ist die Durchbruchspannung der negativen Schrägfläche gewöhnlich niedriger als die Durchbruchspannung der positiven Schrägfläche, und zwar um etwa 20 bis 30%.
In der graphischen Darstellung gemäß F i g. 2 ist die erste Emitterschicht vom η-Typ El eingetragen- sowie die erste Basisschicht vom p-Typ B1, die zweite Basisschicht vom η-Typ B 2 und die zweite Emitterschicht vom p-Typ E2. Zwischen der zweiten Emitterschicht El und der zweiten Basisschicht B 2 liegt der pn-übergang J1. Zwischen der zweiten Basisschicht B 2 und der ersten Basisschicht B1 liegt der pn-Übergang /2. Zwisehen der ersten Basisschicht B1 und der ersten Emitterschicht El iiegt der pn-Übergang/3. Die Dicke W2 des Bereichs der zweiten Emitterschicht E 2, welcher eine Fremdatom-Konzentration unterhalb der Fremdatom-Konzentration der ersten Basisschicht B1 in der Nähe des pn-Übergangs /3 aufweist, ist größer als die Dicke WX der ersten Basisschicht Bl. Wenn z. B. der Übergang /2 in der negativen Schrägfläche mit einem Winkel von 2,5° liegt und wenn der Übergang /1 in der positiven Schrägfläche mit einem Winkel von 60° liegt und wenn das Halbleitersubstrat des Thyristors einen spezifischen Widerstand von 35 Ω · cm aufweist, so beträgt die Durchbruchspannung des Übergangs /2 1000 V, während die Durchbruchspannung des Übergangs /1 1600 V beträgt. Die Durchbruchspannung des
Übergangs /2 ist daher wesentlich niedriger als die Durchbruchspannung /1. Somit beträgt die Durchbruchspannung oder Spannungsfestigkeit des Thyristors insgesamt 1000 V.
Zur Überwindung dieser Nachteile hat man daher eine Struktur mit der Verteilung der Konzentration der eindiffundierten Fremdatome gemäß F i g. 3 geschaffen, wie sie aus der DE-OS 28 02 727 bekannt ist. Die erste Basisschicht BX und die zweite Emitterschicht B 2 haben dabei einen besonderen Aufbau. Sie bestehen jeweils aus einer Region A mit einer kleinen Steilheit der Fremdatom-Konzentration und einer Region B mit einer großen Steilheit der Fremdatom-Konzentration. Dies wird durch die Methode der doppelten Diffusion erreicht. Wenn der Übergang /2 in Sperrichtung vorgespannt wird, so wird eine Verarmungsschicht in die erste Basisschicht B1 expandiert und die Feldintensität wird geschwächt und die Durchbruchspannung wird erhöht. Hierdurch wird ein Spannungsdurchbruch in der ersten Basisschicht B1 verhindert, und man erhält die gewünschte dv/df Charakteristik. Dieser Aufbau wird weithin verwendet.
Wenn ein Halbleitersubstrat mit einem spezifischen Widerstand von 35 Ω · cm verwendet wird und der Übergang/2 in der negativen Schrägfläche'liegt, wäh-
rend der Übergang /1 in der positiven Schrägfläche Iiegt, so beträgt bei diesem Aufbau die Durchbruchspannung am Übergang/2 1350 V, während die Durchbruchspannung am Übergang JX 1600V beträgt. Die Durchbruchspannung des Übergangs /1 wird somit gegenüber dem vorgenannten Beispiel gemäß der F i g. 2 nicht erhöht. Andererseits wird jedoch die Durchbruchspannung des Gesamtthyristors auf 1350V erhöht. Diese Durchbruchspannung ist äußerst hoch im Vergleich zu einem Thyristor mit der Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome gemäß F i g. 2.
Es ist bekannt, daß der Spannungsabfall des Thyristors in Durchlaßrichtung erhöht wird mit Erhöhung der
Dicke der zweiten Basisschicht BZ Bei einer pnpn-Struktur werden die Dicke und der spezifische Widerstand der zweiten Basisschicht B 2 je nach der Durchbruchspannung des Thyristors festgelegt Wenn die Durchbruchspanming des Thyristors erhöht werden soll, so muß die Dicke der zweiten Basisschicht B 2 erhöht werden und der spezifische Widerstand muß ebenfalls erhöht werden. Somit wird mit einer Erhöhung der Durchbruchspannung auch der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung erhöht
Der Leistungsverbrauch der Halbleitervorrichtung pro Flächeneinheit ist durch die Wärmeleitfähigkeit des Halbleitersubstrats begrenzt Somit führt die Erhöhung des Spannungsabfall-, in Durchlaßrichtung zu einer Begrenzung der zulässigen Stromstärke. Wenn man die zulässige Stromstärke erhöhen will, so muß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung gesenkt werden.
Aus der DE-OS 24 22 395 ist es bekannt zur Verbesserung des Durchlaßverhaltens ein steiles Störstellenprofil durch Legierungsbildung herbeizuführen, wobei die Sperrfähigkeit nicht beeinträchtigt werden soll.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor zu schaffen, welcher eine hohe Spannungsfestigkeit aufweist, während gleichzeitig der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung gesenkt ist.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Thyristor erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Es ist ein Vorteil der Erfindung, daß es bei Durchfluß eines Stroms mit einer hohen Stromstärke zu einer Erhöhung der effektiven Dicke der Basisschicht kommt, ohne daß hierdurch die Durchbruchspannung verringert wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von F i g. 4 näher erläutert
F i g. 4 zeigt die Verteilung der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome bei dem Thyristor der vorliegenden Erfindung. Dabei wird die erste Basisschicht B1 aus einer Region A vom p-Typ mit hohem Widerstand sowie aus einer Region B vom p-Typ mit niedrigem Widerstand gebildet Wie beim Stand der Technik liegt in der Nähe des Übergangs /2 eine kleine Steilheit der Konzentration der eindiffundierten Dotierstoffe (in der Region A) vor und die Region B hat eine große Steilheit der Konzentrationen der eindiffundierten Dotierstelle. Hierdurch wird ein Durchbruch verhindert im Falle der Beaufschlagung des Übergangs /2 mit einer Sperrspannung, so daß man die gewünschte dv/df-Charakteristik arhält sowie den gewünschten 4,-Wert. Die Region A hohen Widerstands in der zweiten Emitterschicht E 2 wird verkleinert durch Erhöhung der Steilheit der Konzentrationen der eindiffundierten Fremdatome in der zweiten Emitterschicht E2, und zwar in der Nähe des Übergangs /1. Die Dicke W2 der zweiten Emitterschicht E 2 mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von weniger als 1017 bis lO'Vcrn3 ist kleiner als die Dicke Wl der ersten Basisschicht B1 mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von weniger als 1017 bis 1018cm3. Bei einem Thyristor mit einem solchen Aufbau ist die Dicke W 2 der Region mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von weniger als 1017 bis lO'Vcrn3 in der zweiten Emitterschicht in der Nähe des Übergangs /1 kleiner. Die effektive Dicke der Basisschicht ist verringert und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung ist geringer als bei einem herkömmlichen Thyristor, insbesondere bei einer Stromdichte von über 10OA. Die zweite Emitterschicht F2 kann durch einfache Diffusion (ausgezogene Linie) oder durch doppelte Diffusion (gestrichelte Linie) ausgebildet werden.
Bei einem ersten Beispiel wird eine Siliciumscheibe mit einem spezifischen Widerstand von 35 Ω · cm verwendet Hieraus wird ein Thyristor mit einer Löschzeit von 20 usec und mit einem bekannten Aufbau gemäß F i fc. 3 hergestellt Die Dicke der ersten Emitterschicht E1 beträgt 20 um. Die Dicke der Region mit niedrigem Widerstand und mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von weniger als 1017 bis 1018/cm3 in der ersten Basisschicht B1 beträgt 40 μιη und die Dicke der Region mit hohem Widerstand beträgt 30 μπι. Die Dicke der zweiten Basisschicht B 2 beträgt 170 μιη. Die Dicke der Region mit hohem Widerstand in der zweiten Emitterschicht E 2 beträgt 30 μπι. Die Dicke der Region mit niedrigem Widerstand und mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von weniger als 1017 bis 10l8/cm3 beträgt 60 μηι. Bei einer Stromstärke von 1200A beträgt der Spannungsabfall in Durchlaßrich-
tung 2,2 V. Der Übergang /2 hat eine Durchbruchspannung von 1350 V und der Übergang J1 hat eine Durchbruchspannung von 1600 V.
Im Vergleich dazu wird bei einem weiteren Beispiel eine Siliciumscheibe mit einem spezifischen Widerstand von 35 Ω · cm zur Herstellung eines Thyristors gemäß F i g. 4 verwendet. Die Löschzeit beträgt 20 μβεα Die Dicke der ersten Emitterschicht E1 beträgt 20 μΐη. Die Dicke der Region mit niedrigem Widerstand mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von weniger als 10'7 bis 1018/cm3 in der ersten Basisschicht B1 beträgt 40 μπι. Die Dicke der Region mit hohem Widerstand beträgt 30 μπι. Die Dicke der zweiten Basisschicht B 2 beträgt 170 μπι. Die Dicke der Region mit hohem Widerstand und mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome mit weniger als lO'Vcm3 innerhalb der.zweiten Emitterschicht E 2 beträgt 30 μπι. Die Dicke der Region mit niedrigem Widerstand und mit einer Konzentration der eindiffundierten Fremdatome von mehr als lO'Vcrn3 beträgt 20 μιτι. Die Vorrichtung hat eine Durchbruchspannung von 1350V am Übergang /2 sowie eine Durchbruchspannung von 1600V am Übergang Jl. Bei einer Stromstärke von 1200A beträgt der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung 1,6 V. Somit kommt es zu einer Senkung des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung, ohne daß gleichzeitig die anderen Charakteristika, insbesondere die Durchbruchspannung, nachteilig beeinflußt werden.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit einer ersten eindiffundierten, η-leitenden Emitterschicht (Ei), einer ersten eindiffundierten, p-leitenden Basisschicht (Bx), einer zweiten eindiffundierten, n-leitenden Basisschicht (B2) und einer zweiten eindiffundierten, p-leitenden Emitterschicht (E2), wobei die erste Basisschicht (Bx) aus einer eindiffundierten inneren Region (A) und einer gesondert eindiffundierten äußeren Region (B) mit niedrigerem elektrischen V/iderstand als die innere Region (A) besteht, d a durch gekennzeichnet, daß
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