DE3240564A1 - Steuerbares halbleiterschaltelement - Google Patents

Steuerbares halbleiterschaltelement

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DE3240564A1 DE19823240564 DE3240564A DE3240564A1 DE 3240564 A1 DE3240564 A1 DE 3240564A1 DE 19823240564 DE19823240564 DE 19823240564 DE 3240564 A DE3240564 A DE 3240564A DE 3240564 A1 DE3240564 A1 DE 3240564A1
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Abstract

Bei einer Verankerung für schwimmende Bauwerke, die aus von dem Bauwerk zu den einzelnen Ankern führenden, mit Gewichten versehenen Ankersträngen besteht, bewirken die Gewichte durch ihre Form eine Verbesserung der Haltefähigkeit im Ankergrund (4) und damit eine Entlastung des Ankers (6), und, in bei Ankereinrichtungen für Boote bekannter Weise, jeweils den betreffenden Ankerstrang (2) im Prinzip symmetrisch umgeben.

Description

Heilbronn, den 021J11. 82 PTL-HN-Ma/pi - HN 82/26
Steuerbares Halbleiterschaltelement
Die Erfindung betrifft ein steuerbares Halbleiterschaltelement nach den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruches 1.
Es sind integrierte Halbleiteranordnungen aus einer Halbleiterscheibe bekannt, die einen Thyristor und zusätzlich einen Zünd- oder Pilotthyristor in monolythisch integrierter Form enthalten. Der eigentliche Vertikalthyristor hat eine npnp- oder pnpn-Zonenfolge, wobei die einzelnen Zonen in der Halbleiterscheibe in vertikaler Richtung aufeinander folgen. Der der Zündung dienende Pilotthyristor weist bei der bekannten Anordnung gleichfalls eine vertikale Zonenfolge auf. (S. E. Gentry, J. Moyson "The Amplifying Gate thyristor" Intern. Electron Devices Meeting Washington D. C. 1967 Tech. Digest p. 110)
Es gibt Fälle, bei denen die vertikale Zonenfolge des Pilotthyristors für die Zündung des Vertikalthyristors nachteilig ist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn es sich beim Pilotthyristor um ein optisch gesteuertes Bauelement handelt, bei dem nur ein geringer Teil des einfallenden Lichtes für.den Schaltvorgang ausnutzbar ist. In anderen Fällen ist es erwünscht, einen Thyristor von der der Steuerbasiszone gegenüberliegenden Oberflächenseite aus zu zünden, was bei der bekannten Anordnung nur unter Inkaufnahme von Nachteilen möglich ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgäbe zugrunde, ein steuerbares Halbleiterschaltelement aus einem Vertikalthyristor und einem zusätzlichen Schaltelement anzugeben, bei dem auch in solchen Fällen geringe-elektrische oder optische Ansteuerleistungen erzielbar sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch-1 angegebenen Merkmalen gelöst. - ~ _
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß in der Halbleiterscheibe zwei vertikal angeordnete, antiparallele Thyristoren aus jeweils vier Zonen wechselnden .Leitungstyps angeordnet sind, wobei drei Zonen beiden Thyristoren gemeinsam sind, während die vierten äußeren, als Emitter wirkenden Zonen einander gegenüberliegend in die Ober— bzw. Unterfläche der Halbleiterscheibe.in die sich jeweils dort anschließende Steuerbasiszone eingelassen sind. Die beiden Laststromanschlüsse sind beiden Vertikalthyristoren gemeinsam. Bei dieser Anordnung kann der Vertikalthyristor, dessen Steuerbasiszone auf der dem Lichteinfall abgewandten Oberflächenseite der Halbleiterscheibe liegt, indirekt durch optische Zündung de3 Lateralthyristors, was die nachfolgende Zündung des Vertikalthyristors auslöst, mit geringer Ansteuerleistung gezündet werden. .
In den weiteren Unteransprüchen sind ferner vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Es sind zwar bereits Zweirichtungsthyristoren bekannt, die als vertikal schaltende antiparallele Thyristoren aufgebaut sind, und die mit einem elektrischen Steueranschluß versehen sind, wobei durch Ansteuerströme in diesen Steueranschluß beide Teilthyristoren geschaltet werden können.
Bei diesen Schaltelementen ist jedoch eine relativ große elektrische Ansteuerleistung insbesondere zur Zündung desjenigen Teilthyristors notwendig, dessen η -EMitfcerzone und Steuerbasiszone nicht an der gleichen Oberfläche wie der Steueranschluß liegt. (DE-AS 17 64 821)
Wenn solche Bauelemente durch optische Einstrahlung gezündet werden sollen, ist derjenige Teilthyristor, dessen η -Emitterzone auf der der Einstrahlrichtung entgegengesetzten Oberflächenseite der beiden Teilthyristoren gemeinsamen Halbleiterkörpers angeordnet ist, nur mit relativ großer Lichtintensität zu zünden, es sei denn, man nimmt schlechte Störzündeigenschaften (du/dt-Belastbarkeit) in Kauf. Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterschaltelement wird dagegen im Falle der optischen Zündung zumindest einer der Vertikalthyristoren durch den optisch steuerbaren Lateralthyristor indirekt gezündet.
Es sind ferner auch lateral wirksame Thyristoren für geringe Ansteuerleistung bekannt, bei denen durch zusätzliche Hilfsmittel die Störzündfestigkeit verbessert ist (DE-AS 14 64 984).
Da Leistungsbauelemente zur besseren Wärmeabfuhr zumindest einseitig auf einen gut wärmeleitenden Träger aufgelötet · oder aufgeklebt werden, sind Maßnahmen zur Verbesserung der Störzündfestigkeit bei vertikal angeordneten Zweirichtungsthyristoren nur für denjenigen Teilthyristor durch führbar, dessen Steuerbasiszone an der nicht aufgelöteten Oberflächenseite des Halbleiterkörpers angeordnet ist. Daher sind solche antiparallelen Vertikalthyristoren nicht mit geringen elektrischen oder optischen Steuerleistungen ansteuerbar.
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung aus zwei antiparallel angeordneten Vertikalthyristoren und einem Lateralthyristor, wobei der Lateralthyristor optisch zündbar ist und dadurch die Zündung eines Vertikalthyristors auslöst.
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem zusätzliche Maßnahmen zur Verhinderung von Störzündungen vorgesehen sind.
Fig. 1 zeigt schematisch eine Halbleiterscheibe 1, die optisch steuerbare, integrierte, antiparallele Vertikalthyristoren 2 und 3 und einen Lateralthyristor 4 enthält. Die Scheibenoberflache.5, an der der Lateralthyristor angeordnet ist, trägt den einen Laststromanschluß 6, die · gegenüberliegende Scheibenunterfläche 7 den anderen Laststromanschluß 8. Für die Ansteuerung des Elementes wird an der Oberfläche 5 eine durch Pfeile angedeutete optische Einstrahlung 9 in den Vertikalthyristor 3 und eine Einstrahlung 10 in den Lateralthyristor 4 vorgesehen.
Den Vertikalthyristoren 2 und 3 gemeinsam sind die p-Zone 11, an der Oberflächenseite 5, die untere p-Zone 13 an der gegenüberliegenden Oberflächenseite 7 des Halbleiterkörpers und die zwischen den beiden p-Zonen 11 und 13 liegende η-leitende Basiszone 12. In die p-Zone 11 ist die η -Emitterzone 14 und in die p-Zone 13 die η -Emitterzone 15 eingelassen. Die Emitterzonen 14 und 15 sind durch Nebenschlüsse 16 und 17 mit den jeweils benachbarten pleitenden Steuerbasiszonen 11 bzw. 13 verbunden. Diese Nebenschlüsse bestehen aus p-leitenden·, lokalen und zur Oberfläche reichenden Durchbrüchen der Steuerbasiszone durch die angrenzende Emitter zone .■ Die^e reduzieren die Störzünd-Empfindlichkeit.
JZ4U564
Die p-Zone 13 wird von der Unterseite 7 der der Halbleiterscheibe 1 über eine Trenndiffusionszone 18 zur Oberflächenseite 5 gezogen, und dort durch die mit Oxidschichten oder halbisolierenden Schichten 19 abgedeckten pn-Übergänge 20, 21 von der oberen p-Zone 11 isoliert.
Der Lateralthyristor 4 an der Oberflächenseite 5 besteht aus der η -Emitterzone 22, der sie umgebenden zugehörigen und p-leitenden Steuerbasiszone 23, einem an die Oberfläche 5 tretenden n-Basisbereich 24 und dem sich lateral anschließenden p-leitenden Zonenbereich II1, der den p-Emitter bildet und aus einem Teil der p-leitenden Zone 11 der Vertikalthyristoren 2 und 3 besteht. Die p-leitenden Zonenbereiche 11 und II1 gehen daher ineinander über, wobei der Übergangsbereich einen Bahnwiderstand bildet. Die η -Emitterzone 22 ist über eine ohmsche Verbindung 25 mit der nach oben gezogenen, p-leitenden Trenndiffusionszone verbunden. Ferner ist die p-Steuerbasiszone 23 durch einen schwach p-dotierten Bereich 26 mit der Trenndiffusionszone 18 verbunden, wobei der schwach dotierte Bereich 26 den für die Zünd- und Störzündempfindlichkeit des Lateralthyristors 4 maßgeblichen Widerstand bildet.
Während der Thyristor 2 auf bekannte Weise durch optische Einstrahlung 9 und dadurch hervorgerufene Ladungsträgererzeugung in der p-Zone 11 und dem durch die Zonen 11 und gebildeten pn-übergang gezündet wird, erfolgt die Zündung des Thyristors 3 indirekt durch optische Zündung des Lateralthyristors 4. Der Thyristor 3 wird erst gezündet, wenn der Laststrom im Thyristor 4 zu einer starken Injektion von Löchern aus der p-Emitterzone· 11' in den n-Basisbereich 24 bzw. 12 führt, wie dies durch die Elektronenströme 2 7 und Löcherströme 28 in Fig. 1 angedeutet ist. Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß nunmehr der Teilthyristor 3, dessen optische Zündempfindlichkeit gering ist, indirekt durch das wesentlich
BAD ORIGINAL
•tf
zündempfindlichere Element 4 angesteuert wird. Auf diese VJeise wird die sonst notwendige hohe Zündempfindlichkeit des Thyristors 3 mit der nachteiligen entsprechend hohen Störzündempfindlichkeit vermieden.
Pig* 2 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, wobei auch dem Vertikalthyristor 2 ein Lateralthyristor 41 zur Zündung zugeordnet ist. Die Lateralthyristoren " 4 und 4' weisen ferner zusätzliche Beschaltungskomponenten zur Vermeidung von StörZündungen auf, und zwar eine du/dt-Kompensation. Die Ausführung der du/dt-kompensierten Lateralthyristoren ist dabei jeweils gleich. Sie bestehen aus den η -Emitterzonen 22, 22', den Steuerbasiszonen 23, 23', den Steuerbasisableitwiderständen 29, 29', die eine ähnliche Funktion wie die p-Zone 26 in Fig. 1 haben, den Emittervorwiderständen 30, 30' und den Kompensationszonen 31, 31' und schließlich den n-Basisbereichen 24, 24' und den p-Emitterbereiehen 11' und 18'.. Die Emittervorwiderstände 30, 30' und die Steuerbasis-Ableitwiderstände 29, 29' sind so bemessen, daß bei du/dt-Belastungen also bei steil ansteigenden Sperrspannungssprüngen - die kapazitiven Störströme an den Widerständen 29, 30 bzw. 29», 30' jeweils gleich große Spannungen hervorrufen, so daß eine Durchlaßpolung der pn-Übergänge zwischen den Zonen 22 und 23 bzw. 22' und 23' vermieden und damit eine Störzündung sicher verhindert wird. Die kapazitiven Ströme durch die Widerstände 29, 29' ergeben sich bei anliegender Spannung infolge der pn-Übergänge zwischen den Zonen 23 und 12 bzw. 23' und 12; die kapazitiven Ströme durch die Widerstände 30, 30' infolge der pn-Übergänge zwischen den Zonen 31, 12 bzw. 31', 12.
Zur optischen Zündung wird in die p-Zonenbereiche 23, 23' und vorteilhafterweise zusätzlich in die Basisaonenbereiche 24 und 24' eingestrahlt. In diesem Fall wird durch den Spannungsabfall, den der Fotostrom am Steuerbasis-Ableit-
-■ -T-
widerstand 29, 29' erzeugt, die Zündung eingclexLeL·. Die Kompensationsbereiche 31 und 31' werden durch Abdeckungen gegen Einstrahlung geschützt.
Diese Ausfuhrungsform erlaubt eine Steigerung der optischen Ansteuerempfindlichkeit, ohne daß die Störzündempfindlichkeit der Teilthyristoren erhöht wird.
Die Basiszone 11 ist durch Passivierungsgräben 32 von der Basiszone 13 getrennt, so daß auch eine höhere Stabilität bei größeren Sperrspannungen erreichbar ist. Diese beispielsweise geätzten Passivierungsgräben 32 liegen jeweils im Bereich der Basiszonenbereiche 24 und 24' der Lateralthyristoren.
Grundsätzlich ist der' Vorteil der Erfindung nicht auf optische Ansteuerung begrenzt. Auch bei Ansteuerung mit kleinen Steuerströmen ist die Integration eines Lateral- · thyristors 4 vorteilhaft, er wird jedoch dann entsprechend als elektrisch gezündeter Thyristor ausgelegt.
Weiterhin ist auch eine Ausführung möglich, bei der das gesamte Schaltelement mit vertauschten Leitfähigkeitsdotierungen versehen ist, d. h., bei der die p-Zonen durch n-Zonen (und umgekehrt) ersetzt sind. Die Emitterzonen und die Steuerbasiszonen werden vorzugsweise durch Diffusion erzeugt.
Die in der Figur 2 dargestellte Anordnung hat den Vorteil, daß der dem Vertikalthyristor 3 zugeordnete und diesen zündende Lateralthyristor 4 mit integrierten Schutzschaltungskomponenten versehen werden kann. Eine derartige direkte Schutzbeschaltung wäre für den Vertikalthyristor 3 nicht oder nur unvollkommen zu realisieren, da seine großflächige Kathodenmetallisierung in Form des Laststromanschlusses 8 auf einem gut wärmeleitenden
BAD
Trägerkörper befestigt ist, so daß diese Unterflächen der Halbleiterscheibe Γ praktisch nicht für die Einbringung und Kontaktierung weiterer Schaltungselemente zur Verfugung steht*

Claims (11)

  1. 32A O564
    -Heilbrönn, den 02*11.82 PTL-HN-Ma/pi - HN 82/26
    Patentansprüche
    (lySteuerbares Halbleiterschaltelement aus mindestens einem in einer Halbleiterscheibe angeordneten Vertikalthyristor (2 oder 3) aus vier Zonen wechselnden Leitungstyps, wobei die beiden Laststromanschlüsse (6, 8) an der Oberfläche (5) Und an der Unterfläche (7) der Halbleiterscheibe (1) angeordnet sind, sowie aus einem weiteren, in die Halbleiterscheibe integrierten, steuerbaren Schaltelement (4), das zur Zündung des Vertikalthyristors dient, dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche steuerbare Schaltelement (4) einen lateralen Zonenaufbau (11·, 24, 23, 22) aufweist und an der Oberfläche (5) der Halbleiterscheibe (1) angeordnet ist, und daß Zpnen (H1, 24, 23) dieses zusätzlichen Schaltelementes (4) mit Zonen (11, 12, 13) des Vertikalthyristors derart gekoppelt sind, daß der Vertikalthyristor indirekt durch Zünden des lateralen Schaltelementes zündbar ist.
  2. 2) Steuerbares Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Halbleiterscheibe (1) zwei vertikal angeordnete, antiparallele Thyristoren (2, 3) aus jeweils vier Zonen wechselnden Leitungstyps angeordnet sind, wobei drei Zonen (11, 12, 13) beiden Thyristoren gemeinsam sind, während die vierten äußeren, als Emitter wirkenden Zonen (14, 15) einander gegenüberliegend in die Ober- (5) bzw. Unterfläche (7) der Halbleiterscheibe in die sich jeweils anschließende Steuerbasiszone (11, 13) eingelassen sind, und daß die beiden Laststromanschlüsse (6, 8) beiden Vertikalthyristoren gemeinsam sind.
    324üb64
  3. 3) Steuerbares Halbleiterschaltelement nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das laterale Schaltelement (4) ein Thyristor mit vier Zonen (II1, 24, 23, 22) wechselnden Leitungstyps ist.
  4. 4) Steuerbares Halbleiterschaltelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere Zone (11·) des Lateralthyristors (4) mit einer beiden Vertikal thyristoren gemeinsamen Zone (11) gleichen Leitungstyps an der Oberfläche (5) der Halbleiterscheibe elektrisch gekoppelt ist, und daß die zweite äußere Zone (22) des Lateralthyristors (4) mit einer gleichfalls beiden Vertikalthyristoren gemeinsamen Zone {13) entgegengesetzten Leitungstyps an der Unterfläche (7) der Halbleiterscheibe elektrisch gekoppelt ist.
  5. 5) Steuerbares Halbleiterschaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (II1) des Lateralthyristors (4) den an der Unterfläche (7) der Halbleiterscheibe angeordneten Emitter (15) eines Vertikalthyristors (3) in der Projektion zumindest teilweise überlappt.
  6. 6) Steuerbares Halbleiterschaltelement nach einer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Oberfläche (5) integrierte Lateralthyristor (4) optisch schaltbar ist.
  7. 7) Steuerbares Halbleiterschaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Unterfläche (7) angeordnete p-Zone (13) am Rand der Halbleiterscheibe (1) bis zur Oberfläche (5) geführt ist und dort über eine elektrische Verbindung oder eine aufgebrachte Metallisierung (25) mit der zweiten äußeren η-leitenden Zone (22) des Lateralthyristors (4) verbunden ist.
    BAD ORIGINAL
  8. 8) Steuerbares Halbleiterschaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die zweite äußere Zone (22) des Lateralthyristors (4) umgebende p-leitende Zone (23) an der Oberfläche (5) in Teilbereichen in die von der Unterfläche (7) über den Scheibenrand hochgeführte p-leitende Zone (18) übergeht.
  9. 9) Steuerbares Halbleiterschaltelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere, p-leitende Zone (II1) des Lateralthyristors (4) über einen p-leitenden, als Bahnwiderstand wirkenden Zonenbereich in die beiden Vertikalthyristoren gemeinsame p-leitende Zone (11) an der Oberfläche (5) der Halbleiterscheibe übergeht.
  10. 10) Steuerbares Halbleiterschaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der beiden Vertikalthyristoren (2, 3) ein die Zündung auslösender Lateralthyristor (4, 4') zugeordnet ist, deren laterale Zonenfolge an der Oberfläche (5) der Halbleiterscheibe (1) verläuft.
  11. 11) Steuerbares Halbleiterschaltelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das in die Oberfläche integrierte laterale Schaltelement (4, 41) eirie integrierte Schutzbeschaltung (29, 30, 31) zur Vermeidung von StörZündungen aufweist.
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