DE3131608A1 - Steuerbares halbleiterbauelement - Google Patents
Steuerbares halbleiterbauelementInfo
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Description
I · Oft
■ \.::..::..: A. 3131 SOS
3
Steuerbares Halbleiterbauelement
Anwendungsgebiet der Erfindung
Anwendungsgebiet der Erfindung
Das Anwendungsgebiet der Erfindung erstreckt sich auf
Leistungßsteuerungen, bei denen es darauf ankommt, mit sehr geringer SteuerIeistung große Leistungen zu steuern
oder zu schalten, wie beispielsweise bei Bindegliedern (interface) zwischen datenverarbeitender Mikroelektronik
und gesteuerten leistungsstarken Stromkreisen oder bei Verbindungsstellen verschiedener Stromkreise, vorzugsweise
in der Fernsprechtechnik, bei gesteuerten Antrieben mit Elektromotoren oder bei Stromversorgungsgeräten.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen
Bekannte Lösungen steuerbarer Halbleiterbauelemente sind in Thyristoren zu sehen. Thyristoren der bekannten Art
sind Bipolarbauelemente mit einer Schichtfolge η ρ np ,
die mit äußeren Eontakten an der n+-Schicht (Katode), der p+-Schicht (Anode) und an der inneren ρ-Scnicht
(Steuerelektrode), seltener an der inneren n-Schicht (Steuerelektrode) versehen sind. Sie haben bezüglich der
Polung der Anoden-Katodenspannung und der Steuerspannung unsymmetrische Kennlinien, können jedoch auch in Antiparallelschaltung,
innerhalb eines Halbleiterplättchens zu symmetrisch wirkenden Bauelementen (oft als Triacs
bezeichnet) zusammengeschaltet werden. Thyristoren sind bei Polung in Rückwärtsrichtung (bei negativer
BAfJ ORIGINAL
Anodenspannung) bis zur Durohbruoηspannung gesperrt« In
umgekehrter Po lung springen sie oberhalb einer, von der Steuerspannung anhängigen, Kippspannung zwischen Anode
und Katode vom Sperrzustand in einen hochleitfähigen Zustand (Zünden).
Nachteilig ist dabei, daß an der Steuerelektrode verhältnismäßig
große Ströme und Leistungen benötigt werden, Jedoch nach der Zündung die Steuerelektrode fast
unwirksam ist und diese Thyristoren von der Steuerelektrode aus nur schwer bzw, nicht zu löschen sind und
insbesondere bei Hochleistungsthyristoren mit erheblichen Nachteilen belastete Unterbrechungen der Hauptstromkreipe
nötig sind.
Weiterhin ist ein Thyristor bekannt, der eine isolierte
Steuerelektrode verwendet und auf dem bekannten Wirkprinzip des Doppel-Diffusions-MIS-Feldeffekttransistors
(DNOS-Transistor) basiert, welcher durch ein oder zwei zusätzliche Diffusionsgebiete zum unsymmetrischen Thyristor
bzw. Zweirichtungs-Thyristor erweitert wird.
Dabei bietet sich zwar die Möglichkeit eines praktisch leistungslosen Einschaltens des Thyristors, jedoch ist
dieser von der Steuerelektrode aus nicht vollständig steuerbar, so daß dieser Thyristor eine besondere Löschschaltung
benötigt, wodurch die beschriebenen Nachteile zum Tragen kommen.
Die Löschschaltung, die im wesentlichen aus MIS- und Bipolartransistoren bestehen würde, könnte mit integriert
werden, was sich jedoch wiederum bei der Anwendung als Leistungselement nachteilig auswirken würde.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, mit einem steuerbaren Halbleiterbauelement, welches mit bekannten Technologien
der Mikroelektronik herstellbar ist, und neue Eigenschaften aufweist, Leistungssteuerungen im Vergleich
zu herkömmlichen Thyristorleistungssteuerungen
BAD ORIGINAL
im Aufbau zu vereinfachen und somit den Einsatz von
I>eistungselektronik ökonomisch günstiger zu gestalten.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein steuerbares
Halbleiterbauelement mit Eigenschaften ähnlich bekannten Thyristoren zu schaffen, welches mittels
einer Steuerelektrode leistungslos gesteuert werden kann.
Zur lösung der Aufgabe wird davon ausgegangen, daß nach
bekannter Art und Weise in einer Halbleiterschicht, die
an der Unterseite durch eine Trägerschiebt begrenzt ist,
welche aus Isolationsmaterial oder Halbleitermaterial bestehen kann, eine V- oder U-förmige Vertiefung eingebracht
ist und diese Vertiefung mit einer Isolierschicht versehen ist. Auf der Isolierschicht ist eine elektrisch
leitende Schicht aufgebracht, die vorzugsweise aus Metall oder Polysilizium besteht und die mit einem Anschluß
versehen ist, der die Steuerelektrode des Halbleiterbauelementes darstellt.
Gemäß der Erfindung ist neben der Vertiefung die Isolierschicht des Halbleitermaterials mit einem Fenster
versehen, in dem sich eine weitere elektrisch leitende Schicht befindet, welche mit einer ersten Elektrode versehen
ist. Darunter ist im Halbleitermaterial ein erstes Blektrodengebiet eingebracht. Dieses Gebiet ist vorzugsweise
n+-dotiert und erstreckt sich bis zu der diesem Gebiet zugewandten Seite der V- oder U-förmigen Vertiefung.
In einem seitlichen Abstand zu einer anderen, vorzugsweise der gegenüberliegenden Seite der Vertiefung ist in
die Isolierschicht des Halbleitermaterials ein zweites fenster eingebracht, in dem sich eine weitere elektrisch
leitende Schicht befindet, welche mit einer zweiten Elektrode versehen ist. Darunter ist im Halbleitermaterial
ein zweites Elektrodengebiet eingebracht. Dieses Gebiet ist vorzugsweise p+-dotiert. An dieses Gebiet schließt
BAD ORIGINAL
sich in Richtung zur Vertiefung ein Substratgebiet an,
welches vorzugsweise η-dotiert ist, und erstreckt sich bis zu einer diesem Gebiet zugewandten Seite der Vertiefung.
Unter dieser Vertiefung befindet sich ein vorzugsweise p-dotiertes Kanalgebiet, welches an das erste
Elektrodengebiet, an das Substratgebiet und an die Vertiefung
angrenzt.
DiA Wirkungsweise des erfindungegetnößen steuerbaren
lialbleiterbauelementes ist darin zu sehen, daß die erste
Elektrode bei n+-Dotierung des ersten Elektrodengebietes
eine Katode und die zweite Elektrode bei p+-Dotierung des zweiten Blektrodengebietes eine Anode, vergleichbar
mit bekannten Thyristoren, darstellt und der StromfluS zwischen diesen beiden Elektroden über eine Steuerelektrode
steuerbar ist. Bei Anlegen einer Gleichspannung zwischen erster und zweiter Elektrode, wobei die zweite
Elektrode mit positivem Potential beaufschlagt wird (Vorwärtsrichtung) und Anlegen einer geeigneten Spannang
an die Steuerelektrode wird an der Randfläche der Isolierschicht der Vertiefung zum anstehenden Halbleitermaterial
ein Inversionskanal ausgebildet. In diesem Inversionskanal fließt ein durch die Steuerspannung
festgelegter Strom zwischen dem ersten Elektrodengebiet und dem Substratgebiet. Durch den Kanalstrom
erfolgt eine Potentialverschiebung des Substratgebietes
in einen negativeren Bereich. Damit wird die Sperrspannung über dem pn-übergang zwischen Kanal- und Substrstgebiet
etwas verringert, wodurch auf die in Flußrichtung gepolten pn-Übergänge zwischen erstem Elektrodengebiet
und Kanalgebiet sowie zwischen Substratgebiet und zweitem
Elektrodengebiet ein höherer Anteil der Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode entfällt. Damit "
emittieren diese pn-Übergänge über den gesamten Querschnitt
intensiv Ladungsträger zu dem pn-übergang zwischen Kanal- und Substratgebiet, wodurch ein Umschlag
in einen niederohmigen (gezündeten) Zustand erfolgt.
' V J
« K
Ii ο « β
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Ist die Spannung zwischen erster und zweiter Elektrode in Rücicwärtsrichtung gepolt, d. h. die zweite Elektrode
negativ gegen die erste Elektrode, sind die beiden voneinander unabhängigen pn-Übergänge zwischen dem ersten
Elektrodengebiet und Kanalgebiet und zwischen Substratgebiet und dem zweiten Elektrodengebiet gesperrt und
nehmen die gesamte Spannung zwischen erster xxnä zweiter Elektrode auf. Es fließt nur der Sperr strom, dessen J1IuB
durch die in das Kanalgebiet hineinragende Vertiefung zusätzlich erschwert wird. Ein höherer Stromfluß wird
damit nur durch Überschreiten der Durchbruchspannung
erreicht.
Ein Beaufschlagen der Steuerelektrode mit einer Spannung führt nicht zu einem leitfähigen Zustand des Halbleiterbauelementes
in Rückwärtsrichtung.
Es besteht die Möglichkeit, das erste Elektrodengebiet und das Kanalgebiet und die erste Elektrode untereinander
elektrisch leitend zu verbinden. Mit einer derartigen Verbindung wird erreicht, daß die oteuerbarkeit des
Halbleiterbauelementes voll erhalten bleibt, d. h. daß nach dem Zünden der Sperrzustand des Halbleiterbauelementes
von der Steuerelektrode aus wieder herbeigeführt werden kann, da der pn-übergang zwischen dem ersten
Elektrodengebiet und dem Kanalgebiet nicht, wie für den ^a11 fehlender elektrisch leitender Verbindung, voll geöffnet
ist, da das erste Elektrodengebiet und das Kanalgebiet gleiches Potential aufweisen.
Somit emittiert dieser pn-übergang vorrangig nur ladungsträger über den Inversionskanal und nicht mehr über
den gesamten Querschnitt in das Substratgebiet. Wird der Inversionskanal durch Wegnahme der Steuerspannung
an der Steuerelektrode unterbrochen, unterbleibt die Potentialverschiebung des Substratgebietes und das
steuerbare Halbleiterbauelement verlöscht. Die gleiche Wirkungsweise weist ein Halbleiterbauelement
auf, welches zusätzlich oder alternativ im Querschnitt vorzugsweise durch Verwendung einer dünnen
BAD ORIGINAL
Halbleiterschicht in der Größenordnung von 0,5 bis
5 /um auf einer Trägerschicht verringert ist. Damit wird der Querschnitt des Kanalgebietes unter der Vertiefung
verringert, so daß die Emission von ladungsträgern des pn-Überganges über den gesamten Querschnitt so reduziert
wird, daß der Hauptanteil des ladungsträgerflusseE
über den Inversionskanal erfolgt und damit die Steuerbarkeit des Halbleiterbauelementes erhalten bleibt bzw.
unterstützt wird.
Das Substratgebiet kann einen Bereich höherer Dotandenkonzentration
als das Substratgebiet an sich aufweisen, welches sich von der Seite der Vertiefung, an die das
Substratgebiet anstößt, unter der Oberfläche des Halbleitermaterials zu dem zweiten Elektrodengebiet hin erstreckt.
Dabei berührt dieses Gebiet höherer Dotandenkonzentration nicht das zweite Elektrodengebiet.
Mit dieser Anordnung wird eine Verbesserung der Steuerbarkeit und der Spannungsfestigkeit durch eine günstigere
Form der Saumladungsverteilung und des elektrischen Feldes erreicht,
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente
s weist unter der zweiten Elektrode einen Schichtaufbau auf, der mit dem Schichtaufbau unter
der ersten Elektrode spiegelbildlich identisch ist. Dabei ist zwischen der Vertiefung und der zweiten Elektrode
eine zusätzliche V- oder U-förmige Vertiefung, die ebenfalls eine Isolierschicht und eine Elektrode an der
Oberseite aufweist, eingebracht, wobei der Schichtaufbau unter dieser zusätzlichen Vertiefung mit dem Schichtaufbau
unter der Vertiefung ebenfalls spiegelbildlich identisch ist.
Die Wirkungsweise eines derartigen Aufbaues besteht darin, daS bei Anlegen einer Spannung zwischen der ersten
Elektrode und der zweiten Elektrode der Stromfluß durch das Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode
und/oder von der zusätzlichen Steuerelektrode, die beide
BAD ORiGJNAL
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miteinander elektrisch leitend verbunden sein könne η.,
gesteuert werden kann. Eine Abhängigkeit von der Polarität der Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode
besteht, d. h., daß bei Anlegen sowohl einer gegenüber der zweiten Elektrode positiven als auch negativen
Spannung an die erste Elektrode ein Zünden des Halbleiterbauelementes in beschriebener Art und Weise erfolgen
kann.
Sämtliche beschriebenen Anordnungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes können so aufgebaut sein,
daß die p- und η-Dotierungen gegenüber der beschriebenen Reihenfolge vertauscht sind, wobei die Wirkungsweise
erhalten bleibt.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung soll anhand von Ausführungsbeispielen nachstehend näher erläutert werden.
In den zugehörigen Zeichnungen zeigt
3?ig. 1 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße steuerbare Halbleiterbauelement mit asymmetrischem
Aufbau,
Flg. 2 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße steuerbare
Halbleiterbauelement mit asymmetrischem Aufbau mit Querschnittsverringerung durch isolierende
Trägerschicht und
Pig. 3 einen Schnitt durch das erfindungsgemäße steuerbare
Halbleiterbauelement mit symmetrischem Aufbau.
In den Ausführungsbeispielen wird Silizium als Halbleitermaterial
zugrunde gelegt, welches derzeit als wichtigstes Material bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen
Verwendung findet. Auf andere Materialien sind nachstehend beschriebene Anordnungen ebenfalls
übertragbar.
BAD ORIGINAL
Bei dem steuerbaren Halbleiterbauelement gemäß ist auf der Oberfläche 1 des Halbleitermateriales eine
mit "Fenstern ? versehene Isolierschicht 3 aufgebracht. In das Ha lh leitermaterial ist duroh selektive;? Ataen
eine V-förmige Vertiefung 4 eingebracht. Auf der Oberfläche 1 im Bereich der Vertiefung 4 beträgt die Dicke
der Isolierschicht 3 etwa 0,1 /um. Die Isolierschicht 3 besteht in diesem Bereich aus thermisch oxidiertem
die der restlichen Oberfläche 1 aus abgeschiedenem 2 sogenanntem Peldoxid, In den ienstern 2 der Isolierschicht
3 und auf der Isolierschicht 3 im Bereich über
der V-förmigen Vertiefung 4 sind Schichten aus Metall oder polykristallinem Silizium aufgebracht, die mit
Kontakten versehen sind. Das links neben der Vertiefung 4 angeordnete Fenster ? in der Isolierschicht 3 beinhaltet
die als Katode wirkende elektrisch leitfähige Schicht einer ersten Elektrode 5. -Eine Steuerelektrode 6
wird durch die elektrisch leitfähige Schicht auf der Isolierschicht 3 im Bereich über der Vertiefung &■ gebildet
und das rechts neben der Vertiefung 4 angeordnete fenster 2 in der Isolierschicht 3 beinhaltet die als
Anode wirkende elektrisch leitfähige Schicht der zweiten Elektrode 7.
Unter der ersten Elektrode 5 befindet sich ein η -dotierten
erstes Elektrodengebiet 8, welches an einem Teil der linken Seite der Vertiefung 4 anstößt. Dabei überdeckt
dieses erste Elektrodengebiet 8 die erste Elektrode 5 nicht ganz, sondern läßt noch einen Bereich frei,
in dem ein p-dotiertes Kanalgebiet 9 sxl die erste Elektrode
5 anstößt. Von der ersten Elektrode 5 aus verläuft das Kanalgebiet 9 wannenförmig unter dem ersten Elektrodengebiet
8, umschließt die Spitze der V-förmigen Vertiefung 4 und endet rechts der Vertiefung 4 in Höhe des
ersten Elektrodengebietes 8. Unter der zweiten Elektrode 7 ist ein p+-dotiertes zweites Elektrodengebiet 10
wannenförmig angeordnet. Das Halbleitermaterial, in das die Cotierungsgebiete eingebracht sind, ist n-dotiert
BAD ORIGINAL
. $ * :*:..::„:'Ü 1 3131603
/ 44,
und stellt beim fertigen Halbleiterbauelement das Substrat gebiet 11 dar.
Das Substratgebiet 11 weist einen Bereich 12 höherer
Dotandenkonzentration in der Größenordnung von größer als 10'9 cm auf, der anstoßend an der rechten Seite
der Vertiefung 4 in Richtung zum zweiten Elektrodengebiet 10 über dem Kanalgebiet 9 verläuft.
Als Trägerschicht 13 findet p-dotiertes Halbleitermaterial
Verwendung.
Das Substratgebiet 11 hat eine Dotandenkonzentration
14 ^ in der Größenordnung von 10 cm*""', das Kanalgebiet 9
eine Akzeptorenkonzentration in der Größenordnung von 10 " bis 10 ' cm" , das erste Elektrodengebiet 8 eine
1 Q -Ά
Dotandenkonzentration größer als 10 J cm ·' und das
zweite Elektrodengebiet 10 weist eine Akzeptorenkonzentration von 1017 bis 1021 cm"j auf.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des in J?ig. 1 dargestellten
steuerbaren Halbleiterbauelementes beschrieben.
In RUckwärtsrichtung wird an die zweite Elektrode 7 eine
gegen die erste Elektrode 5 negative Spannung selegt.
Die Spannung zwischen Steuerelektrode F und der zweiten Elektrode 7 sei vorerst Null bzw. kleiner als eine
ochwollspannung» Damit ist der pn-übergang /,wischen dem
'/,weitem l'!lc?kiroden£ebiet 10 und dom tfubßtrfi L^ohie t 11
gesperrt und die zugehörige Haumladungszone nimmt den
größten Teil der angelegten Spannung zwischen erster Elektrode 5 und zweiter Elektrode 7 auf und dehnt sich
entsprechend weit in das Substratgebiet 11 aus. Der pntibergang
zwischen dem Substratgebiet 11 mit dem dazugehörigen Bereich höherer Dotandenkonzentration 12 und dem
Kanalgebiet ist geöffnet und seine Raumladungszone schmal.
Her pn-tibergang zwischen dem ersten Elektroden^ebiot 8
und dem Kanalgebiet 9 kann keine größerer] Spannungen aufnehmen, da der gemeinsame Kontakt an der ersten Elektrode
5 beide Gebiete auf annähernd gleiches Potential
legt.
BAD ORIGINAL
Wenn die Steuerelektrode 6 negativ gegen die erste Elektrode
5 vorgespannt ist, wird das erste Blektrodengebiet 8 und der Bereich höherer Konzentration 12 des Substratgebietes
11 kaum beeinflußt und am Kanalgebiet 9 wird an der Oberfläche 1 des Halbleiters im Bereich der Vertiefung
4· im Halbleitermaterial ein Inrersionskanal ausgebildet, der das erste Elektrodengebiet 8 und den Bereich
höherer Konzentration des Substratgebietes 11 verbindet. Der darin fließende Strom ist jedoch klein, da zwischen
den beiden C-ebieten 8 und 12 auf Grund des geöffneten pn-Überganges zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet
11 nur eine niedrige Spannung liegt. Die Steuerspannung an der Steuerelektrode 6 hat also in Itückwärtsrichtung
keinen bedeutenden Einfluß.
In Vorwärtsrichtung liegt an der zweiten Elektrode 7 eine gegen die erste Elektrode positive Spannung.
Die Steuerelektrode 6 liegt zunächst a.uf dem Potential der ersten Elektrode 5 bzw. unterhalb der Schwellspannung.
Der pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet
11 ist gesperrt und die zugehörige Raumladungszone breitet sich vor allem in die schwächer dotierten
Bereiche aus. Sie wächst von der Grenze des hoch
dotierten Bereiches 1? mit zunehmender Spannung nfch unten
in das lianalgebiet 9» während sie sich an der Grenze
zwischen dem Kanalgebiet 9 und dem schwach dotierten Substratgebiet 11 stärker in das Substratgebiet 11 erstreckt.
Die Raumladungsζonen der pn-Übergänge zwischen erstem
Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 sowie zwischen dem zweiten Elektrodengebiet 10 und Substratgebiet 11 sind
rchmal, da sie in Flugrichtung gepolt sind. Die I'lußspannung
über dem pn-übergang zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 ist wegen des gemeinsamen
Kontaktes an der ersten Elektrode 5 sehr klein. Diese beiden in i'lußrichtung pjepolten pn-Übergänge emittieren
zuiTi gesperrten pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und
ßubstraLrebiet 11 hin ladungsträger. Der Hauptanteil der
Spannung zwischen erster Elektrode r> und zweiter
BAD ORIGINAL
Elektrode 7 wird von diesem gesperrten pn-übergang aufgenommen.
Durch den gemeinsamen Kontakt des Kanalgebietes 9 und
des ersten Elektrodengebietes 8 an der ersten Elektrode 5 und dem damit verbundenen Potentialausgleich "beider
Gebiete 5 und 8, ist die Iiadungsträgeremission des pn-Uberganges
zwischen den beiden Gebieten 5 und 8 schwach und außerdem behindert der verringerte Querschnitt des
Halbleitermateriales unter der Vertiefung 4 den ladungsträgerfluß.
Damit erfolgt noch kein Übergang in einen niederohmigen Zustand (Zünden) des Halbleiterbauelementes.
Der pn-übergang zwischen der Trägerschicht 13, die aus ρ-dotiertem Halbleitermaterial besteht, und dem Substratgebiet
11 ist sowohl für die Vor- als auch für die Rückwärtsrichtung funktionell ohne Bedeutung, da dieser
in jedem Falle in Sperrichtung gepolt ist.
Wenn an der Steuerelektrode 6 eine gegen die erste Elektrode
5 positive Spannung angelegt wird, dj,e größer ist,
als die Schwellspannung, so wird die Strecke entlang der Oberfläche 1 des Halbleitermateriales im Bereich der
Vertiefung 4 zwischen dem ersten Elektrodengebiet 5 und'
dem Bereich höherer Konzentration 12 durch den sich bildenden
Inversionskanal im Halbleitermaterial überbrückt« Der Elektronenstrom im Kanal verschiebt das Potential
des Substratgebietes 11 zu negativen Werten. Der pn-übergang
zwischen dem zweiten Elektrodengebiet 10 und dem Substratgebiet 11 wird weiter geöffnet und emittiert
einen Iiöcherstrom zum gesperrten pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11, von wo er über das
Kanalgebiet 9 zur ersten Elektrode 5 gelangt. Der Inversionskanal und der Iiöcherzustrom pus dem zweiten
Blektrodengebiet 10 reduzieren die über dem gesperrten
pn-übergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 liegende Sperrspannung auf kleinere Werte. Die von der
S teuer spönnung bewirkte Ausbildung des luvofslo^'canalen
hat einen starken Stromanstieg und einen Abfall . ~
BAD ORIGINAL
zwischen der ersten Elektrode 5 und der zweiten Elektrode
7 liegenden Spannung zur Folge. Das Bauelement ist gezündet.
Die Spannung zwischen den beiden Elektroden 5 und 7 ist
nach dem Zünden von der Steuerspannung an der Steuerelektrode
G abhängig. Die Steuerspannung muß ständig anliegen
bleiben, um den Zundzustand aufrecht zu erhalten.
V/enn die Γ teuer spannung auf Null gesenkt wird, bsw. unter
die Cchwellspannung sinkt, loscht das Halbleiterbauelement.
Somit ist dieses Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode aus löschbar, worin ein besonderer Vorteil
dieser Ausfülirungsvariante liegt.
Das ir FIf?:, 2 dargestellte Halbleiterbauelement entspricht
im Aufbau fiber der Oberfläche 1 dem in I1Ig. 1
dargestellten, wobei jedoch die Vertiefung 4 nicht V-sondern
U-förmig ausgestaltet ist.
Das gesamte Halbleitermaterial ist auf der Trägerschicht
13, die aus isolierendem Material besteht, vorzugsweise Saphir, als dünne Schicht epitaktisch aufgebracht. Die
Schichtdicke liegt in der Größenordnung von 0,5 bis 5 ,um.
Wie in l'ig. 2 dargestellt, ist unter der als Katode wirkenden
ersten Elektrode 5 ein erstes Elektrodengebiet
eingebracht, weiches die Kontaktfläche der ersten Elektrode
? an der Oberfläche 1 des Halbleiterbauelementes völlig überdeckt und rechts an die zugewandte Seite der
Vertiefung 4 angrenzt. Das erste Elektrodengebiet 5 verjüngt sich nach unten und grenzt an die Trägerschicht
an. Rechts neben dem ersten Elektrodengebiet 5 schließt sich ein Kanalgebiet 9 an, welches teilweise
an die beiden Seiten und die Unterseite der Vertiefung 4 angrenzt. Das Kanalgebiet 9 verbreitert sich nach unten
und grenzt an die Trägerschicht 13 an. Rechts an das Kanal
gebiet Q schließt ein Sub ε tratgebiet 11 an. Dieser,
grenzt teilweise an die nächstliegende Seite der
BAD ORIGfR
Vertiefung 4, an die Oberfläche 1 des Halbleiterwafer! ale??
und unten an die Trägerschicht 13 an. Rechts neben dem Substratgebiet 11 anschließend ist ein zweites Elektrodengebiet
10 angeordnet, welches sich unter der als Anode wirkenden zweiten Elektrode 7 befindet und die gesamte
Kontaktfläche der zweiten Elektrode 7 an der Halbleiteroberfläche 1 völlig überdeckt und nach unten verjüngend
an die Trägerschicht 13 unten angrenzt. Nachstehend wird die funktion des in 3?ig« 2 dargestellten steuerbaren Halbleiterbauelementes
näher beschrieben. In Rückwärtsrichtung ist die zweite Elektrode 7 negativ gegen die erste
Elektrode 5 mit einer Spannung beaufschlagt. Die pn-Übergänge
zwischen dem ersten Elektrodengebiet 8 und Kanalge.·- biet 9 sowie zwischen dem Substratgebiet 11 und dem zweiten
Elektrodengebiet 10 sind gesperrt. Der pn-übergang zwischen dem Kanalgebiet 9 und dem Substratgebiet 11 ist
geöffnet. Die Ausdehnung der Raumladungsschicht des pn-Uberganges
zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 über die Unterseite der Vertiefung 4 hinaus in
Richtung Substratgebiet 11 wird von der Vertiefung 4 behindert, so daß eine Vereinigung· der Raumladungsschichten
der pn-tibergänge zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 sowie zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet
11 bis zu hohen Spannungen, die den "punch-throught"-Durchbruch
erzeugen wurden und damit außerhalb des normalen Betriebsspannungsbereiches liegen, hinausgeschoben wird.
Die Breite des Substratgebietes 11 und die Dotandenkonzentration
(Größenordnung 10 ^ cm" ) ist so ausgelegt, daß die für die Vereinigung der Raumladungsschicht des gesperrten
pn-Überganges zwischen Substratgebiet 11 und zweitem
Elektrodengebiet 10 erforderliche Spannung an diejenige angenähert wird, die für die Vereinigung der Raumladungsschichten
der pn-Übergänge zwischen erstem. Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 und zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet
11 erforderlich wäre. Zugleich wird damit der im Vergleich zum Massivhalbleiter, wie beispielsweise in I1Ig. 1
dargestellt, geringeren Minoritätsträgerlebensdi:uer in
dünnen Halbleiterschichten, wie in Eig. 2 dar,r-e -ollt,
Rechnung getragen.
In Rückwärtsrichtung fließt dementsprechend nur ein geringer
Sperr strom (unterhalb der Durchbruchspannung).
Der Einfluß einer anliegenden Spannung an der Steuerelelctrode
ist, wie bereits bei 3?ig. 1 beschrieben, in Rückwärtsrichtung für die !Funktionsweise unbedeutend.
In Vorwärtsrichtung ist die als Anode wirkende zweite Elektrode 7 gegenüber der ersten Elektrode 5 positiv.
Die pn-tJbergänge zwischen erstem Elektrodengebiet 8 und Kanalgebiet 9 sowie zwischen Substratgebiet 11 und
zweitem Elektrodengebiet 10 sind geöffnet, der pn-tJbergang zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet 11 ist
gesperrt und nimmt den Hauptanteil der anliegenden Spannung auf. Die Spannung an der Steuerelektrode sei
zunächst so hoch, daß noch kein Inversionskanal entsteht.
Die Ausbildung der Raumladungsschicht des gesperrten pn-Überganges
zwischen Kanalgebiet 9 und Substratgebiet in Richtung des ersten Elektrodengebietes 8 wird an der
Vertiefung 4 behindert, so da!3 sie sich nicht wesentlich über deren tiefste Stelle hinaus ausdehnt. Damit wird
der ungesteuerte Durchbruch C"punch-throught") in Vorwärt
sr ichtung behindert.
Wenn an die Steuerelektrode 6 eine gegen die erste Elektrode 5 positive Spannung angelegt wird, so wird, wie
bereits bei J?ig. 1 beschrieben, unter der Vertiefung 4
ein Inversionskanal gebildet, der durch Zufuhr von Iadungsträgern
in das Substratgebiet 11 den Übergang den
Halbleiterbauelementes in einen niederohmigen Zustand
(Zünden) auslöst.
Der gleiche, wie bei Fig. 1 beschriebene Vorteil, daß
das Halbleiterbauelement von der Steuerelektrode aus löschbar ist, kann dadurch erreicht werden, daS zwischen
der ersten Elektrode 5 und dem Kanalgebiet 9 eine nicht dargestellte elektrisch leitende Verbindung hergestellt
wird und/oder die Einsenkung der Vertiefung 4 in das
BAD ORfGiNAL
Halbleitermaterial mehr als ein Drittel der Gesamtdicke einnimmt und die Spannung an der Steuerelektrode 6 negativ
wird.
Die Anwendung dünner Halbleiterschichten auf einer isolierenden
Trägerschicht 13 bietet u. a. die Möglichkeit, die Isolation zu verbessern, Kapazität herabzusetzen und
die Sperrströme zu verkleinern, sowie die Ströme auch mittels licht, durch eine transparente isolierende Trägerschicht
13 hindurch, zu beeinflussen oder zu steuern.
In I1Xg. 3 ist ein steuerbares Halbleiterbauelement mit
symmetrischem Aufbau dargestellt.
Der Aufbau der ersten Elektrode 5» der Vertiefung 4 mit
der Steuerelektrode 6 sowie der Schichtaufbau einschließlich der Trägerschicht 13 ist mit dem entsprechenden
Aufbau in Pig, 1 identisch.
Die Besonderheit dieser Ausführungsvariante ist darin zu sehen, daß links neben der zweiten Elektrode 7, d. h.
zwischen der Steuerelektrode 6 und der zweiten-Elektrode
7 eine zusätzliche V-förmige Vertiefung 14 mit einer zusätzlichen Steuerelektrode 15, die den gleichen Aufbau,
wie die eigentliche Vertiefung 4 mit der Steuerelektrode 6 aufweist, eingebracht ist. Der Schichtaufbau unter der
zusätzlichen Vertiefung 14 und der zweiten Elektrode 7 ist mit dem Schichtaufbau unter der ersten Elektrode 5
und der Vertiefung 4 spiegelbildlich identisch, d. h., unter der zweiten Elektrode 7 befindet sich ein n+-dotiertes
spiegelbildlich angeordnetes erstes Elektrodengebiet 17, welches an einem Teil der rechten Seite der
zusätzlichen Vertiefung 14 anstößt. Dabei überdeckt dieses Gebiet 17 die zweite Elektrode 7 nicht ganz, sondern
läßt noch einen Bereich frei, in dem ein p-dotiertes spiegelbildlich angeordnetes Kanalgebiet 16 an die
zweite Elektrode 7 anstößt. Von der zweiten Elektrode 7 aus verläuft das spiegelbildlich angeordnete,Kanalgebiet
16 wannenformig unter dem spiegelbildlicli angeordneten
ersten Elektrodengebiet 17, umschließt die Spit?-- der
BAD
zusätzlichen V-förmigen Vertiefung 14 und endet links der zusätzlichen Vertiefung 14 in Höhe des ersten Elektrodengebietes
8 und des spiegelbildlich dazu angeordneten Elektrodengebietes 17.
Das Substrat/Gebiet weist einen Bereich 1? Innerer ßotandenkonzentration
in der Größenordnung von größer als 10 y cm"·' auf, der anstoßend an der rechten Seite der
Vertiefung 4 bis zur linken Seite der zusätzlichen Vertiefung 1A unter der Oberfläche 1 des Halbleitermateriales
in einer Höhe, die gleich, der Höhe des ersten Elektrodengebietes
8 ist, verläuft.
Die iunktionsweise des in Eig. 3 dargestellten steuerbaren
Kalhleiterbauelementes entspricht der I'unktionrwcj
toe r.weter r<
η ti. parallel ^epohaltetcr Halbleiterbauelemento
",onulß !''ir. 1.
Die I'Hinktion des ersten Elektrodongebietor: R, wie bei
-Pig. 1 beschrieben, wird bei Sig. 3 je nach Polung der
Spannung zwischen erster Elektrode 5 und zweiter Elektrode 7 entweder von dem ersten Elektrodengebiet P- oder
dem spiegelbildlich dazu abgeordneten Elektrodengebiet
17 übernommen. Ist beispieleweise die zweite Elektrode positiv fegen die erste Elektrode 5, so ist das Halbleiterbauelement
von der Steuerelektrode β aus steuerbar und in '«η und η ton Zustand fließt dr-r Strom über die
r,voito JIfO!etrode 7, das rpiegelbildlich angeordnete erste
Elektrodengebiet 17, das Substratgebiet 11 und den Bereich 1? des Substratgebietes 11, den Inversionskanal
unter Cnr Vertiefung 4 und über dos erste Elektrodengebiet
S r;ur ersten Elektrode 5·
"Sei umgekehrter Polung fließt der Strom in analoger
Nielse. Somit ist die Steuerung des Stromes in beiden
richtungen jeweils über die Steuerelektrode 6 oder die zusätzliche Steuerelektrode 15 möglich,
'fenn somit beide Steuerelektroden 6 und 15 eine ausreichende,
gleich große positive Spannung erhalten, z.B. durch eine elektrisch leitende Verbindung beider Elektroden
f und 15 miteinander und/oder Beaufschlagen mit
Wechselspannung, ist die Zündung und löschung in beiden
Stromr ich tunken möglich und die Kennlinie ssjEwpnetrisch.
BAD ORIGINAL
• β 9 *■ 1 «t
Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen zur Patentanmeldung
"Steuertare s Halbleiterb auelernent"
1 Oberfläche des Halbleitermateriales
2 i'enster der Isolierschicht
3 Isolierschicht
4 Vertiefung
5 erste Elektrode
6 Steuerelektrode
7 zweite Elektrode
8 erstes Elektrodengebiet
9 Kanalgebiet
10 zweiteε Elektrodengebiet
11 Bubεtratgebiet
12 Bereich, höherer Dotandenkonzentration
13 Trägerschicht
14- zusätzliche V-förmige "Vertiefung
15 zusätzliche Steuerelektrode
16 spiegelbildlich angeordnetes Kanalgebiet
17 spiegelbildlich angeordnetes erstes Elektrodengebiet
Leerseite
Claims (5)
- ^:tvOO J. 31316Π8ErfindungsanspruchSteuerbares Halbleiterbauelement mit einer durch, eine Trägerschicht en der Unterseite begrenzten Ilalbleiterschicht, in der sich, wenigstens eine. V- oder TJ-formige Vertiefung befindet, die mit einer Isolierschicht überzogen ist, auf der eine mit einer Elektrode versehene elektrisch, leitende Schicht aufgebracht ist und eine Halbleiterschicht an der Oberseite eine diese überdeckende, teilweise mit I'enstern versehene Isolierschicht aufweist, in der vorzugsweise metallisierte oder aus l-olysilizium bestehende, mit Elektroden versehene elektrisch leitende Bereiche angeordnet sind, gekenDzeichnet dadurch, daß in einem seitlichen Abstand zu einer Seite der Vertiefung (4) eine mit einer ersten Elektrode (5) versehene elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist, unter der ein erstes Elektrodengebiet (δ), welches sich bis zu einer diesem zugewandten Seite der Vertiefung (4) im Halbleitermaterial erstreckt und vorzugsweise n+-dotiert ist, daß in einem seitlichen Abstand zu einer anderen Seite der Vertiefung (4) eine mit einer zweiten Elektrode (7) versehene elektrisch leitende Schicht aufgebracht ist, unter der sich, im Halbleitermaterial ein zweites, vorzugsweise ρ -dotiertes, Elektrodengebiet (10) befindet, an das sich ein vorzugsweise η-dotiertes Substratgebiet (11) anschließt, welches sich mindestens bis zu einer diesem zugewandten Seite der Vertiefung (4) im Halbleitermaterial erstreckt und daß unter der Vertiefung (4) ein an das erste Elektrodengebiet (8), an das Substratgebiet (11) und an die Vertiefung (4) angrenzendes, vorzugsweise p-dotiertes Kanalgebiet (9) eingebracht ist.BAD ORIGINAL ζ
- 2. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der ersten Elektrode (5), dem ersten Elektrodengebiet (δ) und dem Kanalgebiet (q) eine elektrisch leitende Verbindung besteht und/oder das Halbleitermaterial, vorzugsweise in einer Größenordnung von 0,5 bis 5 /um,"auf einer isolierenden Trägerschicht (I3) aufgebracht ist.
- 3. steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurchj, daß dss Subs tr at gebiet (11) einen Bereich mit höherer Dotandenkonzentration (12), als das Substratgebiet (11) an sich, enthält, welcher sich von der Seite der Vertiefung (4), an die das Substratgebiet (11) angrenzt, unter der Oberfläche (1) des Halbleitermateriales zu dem zweiten Elektrodengebiet (10) hin erstreckt, ohne dieses zu berühren.
- 4. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, da3 der Schiehtaufbau unter der zweiten Elektrode (7) mit dem Schichtaufbau unter der ersten Elektrode (5) spiegelbildlich identisch ist und daß zwischen der "Vertiefung (4) und der zweiten Elektrode (7) eine zusätzliche V- oder TT-förmige Vertiefung (I4) mit Isolierschicht (3) und Elektrode (15) angeordnet ist und der Schichtaufbau unter der zusätzlichen Vertiefung (I4) mit dem Schichtaufbau unter der Vertiefung (4) spiegelbildlich identisch ist.
- 5. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Punkt 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, daß die p- und n-Dotierungen vertauscht sind.BAD ORIGINAL
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