DE3151138A1

DE3151138A1 - Halbleiterelement

Info

Publication number: DE3151138A1
Application number: DE19813151138
Authority: DE
Inventors: Tsutomu Itami Hyogo Nakagawa
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1980-12-25
Filing date: 1981-12-23
Publication date: 1982-07-08
Also published as: JPS57109372A

Description

Halbleiterelement
Die Erfindung betrifft den Aufbau eines Halbleiterlements, genauer gesagt, den Aufbau eines Thyristors.
Die Stehspannung eines Halbleiterelementes, etwa eines Thyristors, das wenigestens einen p-n-übergang besitzt, ist durch die Breite und den spezifischen Widerstand seiner Hochwiderstandsschicht bestimmt. Dagegen ist die Stehspannung eines Halbleiterelementes, das einen p-i-n-Aufbau enthält, bei dem eine i-Schicht mit hohem Widerstand zwischen die p- und die n-Schicht, die jeweils niedrigen Widerstand haben, eingefügt ist, von der Breite und dem spezifischen Widerstand der i-Schicht bestimmt. Diese Verhältnisse sind so, wie in Fig. 1 dargestellt. Aus der Fig. 1 wird deutlich, daß ein Halbleiterelement mit p-i-n-Aufbau insofern Vorteile hat, daß unter der Voraussetzung, daß das Halbleiterelement mit p-i-n-Aufbau und das Halbleiterelement mit p-n-Aufbau dieselbe Basisschichtbreite haben, die Stehspannung des ersteren Elements höher als die des letzteren ist.
Allgemein ist zu sagen, daß, wenn ein Halbleiterelement auf Durchlaß geschaltet, der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung VT folgenden Wert hat: W VT prop. exp L worin W die Basisschichtbreite und I die Diffusionslänge der Minoritätentrcicler in der Basissehicht sind. Aus dem Ausdruck geht hervor, daß es nötig ist, die Breite W der Basisschicht zu verringern, wenn VT kleiner gemacht werden soll. Da VT die Steuerkapazität des Halbleiterelementes bestimmt, strebt man eher an, daß der Wert VT kleiner ist.
Deshalb wird bei einem rückwärtsleitenden Thyristor, der in einer Schaltung eingebaut ist, wo er keine Stehspannungseigenschaften in der Rückwärtsrichtung benötigt, ein p-i-n-Aufbau verwendet, wie in der Fig. 2 gezeigt, was zu einer Erhöhung der Stehspannung und der Kapazität beiträgt. Fig.
2 zeigt einen sogenannten 11rückwärtsleitenden, gesteuerten Verstärkertransistor mit p-i-n-Aufbau". In einem Halbleitersubstrat sind eine erste Emitterschicht 5 mit-einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, eine erste IIilfsemitterschicht 6 mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, eine erste Basisschicht 2 mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, eine zweite Basisschicht 1 mit einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, eine Schicht 3 mit geringem Widerstand von der ersten elektrischen Leitfähigkeit, deren Widerstand geringer als der der zweiten Basisschicht 1 ist, und eine zweite Emitterschicht 4 der zweiten elektrischen Leitfähigkeit in der angegebenen Reihenfolge von der einen Hauptoberfläche des Substrats zur anderen Hauptoberfläche ausgebildet. Die erste Basis 2 liegt zum Teil auf einer Hauptoberfläche frei und bildet dort Gate-Bereiche 11 und 12.
Die erste Emitterschicht 5, der Gate-Bereich 11 und die Schichten 2, 1, 3 und 4 bilden einen Hauptthyristorteil Ao Die erste Hilfsemitterschicht 6, der Gate-Bereich 12 und die Schichten 2, 1, 3 und 4 bilden einen Hilfsthyristorteil B. Die erste Basisschicht 2 und die Schicht 3 mit geringem Widerstand liegen zum Teil auf der einen und der anderen Hauptoberfläche frei und bilden Bereiche 13 und 14, so daß auf diese Weise ein Diodenabschnitt C gebildet ist.
Eine Hilfselektrode 7 ist auf der ersten Hilfsemitterschicht 6 und dem Gate-Bereich 11 ausgebildet. Eine Gate-Elektrode 8 ist auf dem Gate-Bereich 12 gebildet. Eine Kathoden-Elektrode 9 ist auf der ersten Emitterschicht 5 und dem Bereich 13 ausgebildet Eine Anodenelektrode 10 ist auf der zweiten Emitterschicht 4 und dem Bereiche 14 ausgebildet.
Wenn dem rückwärts leitenden Thyristor mit p-i-n-Aufbau oder mit p-n-Aufbau aufgrund eines Arbeitsfehlers in der Schaltung eine Überspannung zugeführt wird, tritt ein Lawinendurchbruch in einem Bereich auf, der den niedrigsten Widerstand hat, da die zweite Basisschicht in ihrem spezifischen Widerstand nicht gleichförmig ist. Als Folge davon wird der Strom örtlich konzentriert, und der Thyristor wird leitend.
Wenn dieser Einschaltvorgang im Hauptthyristorabschnitt eintritt, ist die Ausbreitung des Durchlaßbereichs sehr langsam (gewöhnlich 0,1 mm / ßs oder weniger). Folglich tritt örtlich eine Temperatursteigerung auf, die schließlich den Thyristor zerstört. Dies ist eine ernstzunehmende Schwierigkeit für die Verwendung des Thyristors.
Mit der Erfindung wird ein neuer Aufbau für einen Thyristor geschaffen, wodurch die oben beschriebenen Schwierigkeit, die bei einem Thyristor mit einem p-i-n-Aufbau auftritt, beseitigt wird.
Gemäß der Erfindung wird ein Halbleiterelement geschaffen, das eine erste Emitterschicht und eine erste Hilfsemitterschicht aufweist, beide von einer ersten elektrischen Leitfähigkeit, ferner eine erste Basisschicht mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, eine zweite Basisschicht von der ersten elektrischen Leitfäi#igkeit, eine Schicht mit niedrigem Widerstand, deren Widerstandswert kleiner als der der zweiten Basisschicht ist, und einer zweiten Emitterschicht, die die zweite elektrische Leitfähigkeit besitzt, welche in einem Halbleitersubstrat aneinander angrenzend in der oben aufgeführten Reihenfolge von einer Hauptoberfläche des Halbleitersubstrates bis zur anderen Hauptoberfläche ausgebildet sind, wobei die erste Basisschicht zum Teil auf der einen Hauptoberfläche freiliegt und einen Gate-Bereich darstellt, die erste Emitterschicht, die erste Basisschicht, die zweite Basisschicht, die Schicht mit geringem Widerstand und die zweite Emitterschicht einen Hauptthyristorteil bilden, und die erste Hilfsemitterschicht, die erste Basisschicht, die zweite Basisschicht, die Schicht mit geringem Widerstand und die zweite Emitterschicht einen Hilfsthyristorteil bilden, während das Halbleiterelement dadurch#gekennzeichnet ist, daß die Dicke von wenigstens einem Teil der zweiten Basisschicht im Hilfsthyristorteil geringer als diejenige der zweiten Basisschicht im Hauptthyristorteil ist.
Aus der nun folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung werden die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung deutlich. Im ein zelnen zeigen: Fig. 1 ein Erläuterungsdiagramm, das die Beziehungen zwischen der Breite der zweiten Basisschicht und der Stehspannung in Thyristoren mit p-n-Übergang und in Thyristoren mit p-i-n-Ubergang ~wiedergibt; Fig 2 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Gategesteuerten p-i-n-Verstärkertransistor; Fig. 3 einen Schnitt durch einen Gate-gesteuerten p-i-n-Verstärkertransistor, der nach dem technischen Konzept der Erfindung aufgebaut ist.
Ein Beispiel der Erfindung ist in der Fig. 3 dargestellt.
In dieser Figur sind, sofern Übereinstimmung herrscht, die gleichen Eezugszeichen wie in der Fig. 2 gewählt. Die zweite Basisschicht 1, die sowohl vom Hauptthyristorteil A als auch vom Hilfsthyristorteil B eingenommen wird, hat eine Stärke W1 im Thyristorteil B, die geringer als die Stärke W2 im Hauptthyristorteil A ist.
Daraus ergibt sich,wie aus Fig.1 deutlich wird, daß die Stehspannung dieser Ausführungsform vom Hilfsthyristorteil B bestimmt wird, für den die geringere Dicke oder Stärke W1 maßgebend ist, welche niedriger ist als im Hauptthyristorteil A, der die größere Stärke oder Breite W1 besitzt.
Wenn also eine übermäßig hohe Spannung zugeführt wird, geht zuerst der Hilfsthyristorteil B örtlich auf Durchlaß, und der Durchlaß strom fließt entlang der langen Grenze des Hauptthyristorteils A, wodurch der Hauptthyristorteil entlang der Grenze eingeschaltet wird. Daraus folgt, daß der Einschaltbereich vom Hilfsthyristorteil B in den Hauptthyristorteil A augenblicklich hineinverlagert wird, und der Durchlaßstrom flieht dann in einem großen Bereich. Dies entspricht dem L'insc!0altmechanismus, wie er bei Zuftihrunq eines gewöhnlichen Gate-Stroms erfolgt. Wenn also eine Uberspannung auftritt, läßt sich auf diese Weise eine örtliche Stromkonzentration vermeiden.
Das technische Konzept gemäß der Erfindung wurde beispielsweise bei einem rückwärts leitenden Thyristor mit einer Stehspannung von 2500 V angewandt. Die Stärken oder Breiten W1 und W2 waren dabei 170 ßm bzw. 210 ßm. Durch Infrarotstrah- lungsaufnahme konnte bestätigt werden, daß bei Zuführen einer Spannung von 2500 V der1Einschaltvorgang im Hilfsthyristorteil einsetzte. Die Versuche wurden an zwanzig Testobjekten wiederholt durchgeführt, wobei kein Thyristor zerstört wurde Bei dem oben beschriebenen Beispiel ist das erfindungsgemäße Konz#ept an einem Gate-gesteuerten Verstärkerthyristor angewendet worden, jedoch versteht es sich, daß es auch an einem gewöhnlichen FI-Gatethyristor einsetzbar ist, wenn nur der Hilfsthyristorteil in Betracht gezogen wird.
Wie oben dargelegt, kann die sehr einfache bauliche Maßnahme, die zweite Basisschichtstärke des Hilfsthyristorteils schwächer als die im Hauptthyristorteil zu machen, den Thyristor gegen Überspannungsschäden schützen. Es ist deshalb nicht mehr nötig, wie bei herkömmlichen Thyristoren nicht lineare Zinkoxidwiderstände oder Lawinendioden den Thyristoren parallelzuschalten. Somit kann mit Hilfe der Erfindung die Schaltung vereinfacht und kompakter gemacht werden.

Claims

Halbleiterelement Patentanspruch Halbleiterelement mit einer ersten Emitterschicht und einer ersten Hilfsemitterschicht, die beide eine erste elektrisch Leitfähigkeit haben, einer ersten Basisschicht mit einer zweiten elektrischen Leitfähigkeit, einer zweiten Basisschicht der ersten elektrischen Leitfähigkeit, einer Schicht mit niedrigem Widerstandswert, der kleiner als der Widerstandswert der zweiten Basisschicht ist, und einer zweiten Emitterschicht, die eine zweite elektrische Leitfähigkeit hat, welche Schichten aneinander angrenzend in einem Halbleitersubstrat in der angegebenen Reihenfolge zwischen einer ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und der anderen Hauptoberfläche ausgebildet, wobei die erste Basisschicht zum Teil auf der einen Hauptoberfläche als Gate-Bereich freiliegt, die erste Emitterschicht, die erste Basisschicht, die zweite Basisschicht, die Schicht mit geringem Widerstand und die zweite Emitterschicht einen Hauptthyristorteil und die erste Hilfsemitterschicht, die erste Basisschicht, die zweite Basisschicht, die Schicht mit geringem Widerstand und die zweite Emitterschicht einen Hilfsthyristorteil bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke (W2) von wenigstens einem Teil der zweiten Basisschicht (i) im Hilfsthyristorteil (B) geringer als die Dicke (W1) der zweiten Basisschicht (1) im Hauptthyristorteil (A) ist.