DE3631136C2

DE3631136C2 -

Info

Publication number: DE3631136C2
Application number: DE19863631136
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 8000 Muenchen De Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-09-12
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1992-09-17
Also published as: DE3631136A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Diode mit einem Halbleiterkörper, der folgende Merkmale aufweist:

a) Der Halbleiterkörper hat eine Innenzone eines ersten Leitfähigkeitstyps;
b) an die Innenzone schließt sich an einer Seite eine stärker dotierte Außenzone ersten Leitfähigkeitstyps an;
c) an die Innenzone schließt sich an der anderen Seite eine stärker dotierte Außenzone eines zweiten Leitfähigkeitstyps an;
d) eine der stärker dotierte Außenzonen weist über ihre Hauptfläche bis zur Hauptfläche reichende verteilte Bereiche des zu ihr entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auf;
e) die Tiefe dieser Bereiche ist kleiner als die Tiefe der stärker dotierten Außenzone;
f) die eine stärker dotierte Außenzone und die Bereiche sind durch eine gemeinsame Elektrode miteinander verbunden;
g) die äußere Hauptfläche der anderen stärker dotierten Außenzone ist mit einer Elektrode verbunden.

Ein solcher Halbleitergleichrichter ist beispielsweise in der Deutschen Patentschrift 25 06 102 beschrieben. Sind die über die eine Hauptfläche verteilten Bereiche - so wie im Ausführungsbeispiel der Deutschen Patentschrift 25 06 102 angegeben - positiv dotiert, dann emittieren diese Bereiche im Sperrfall bei hohen Lawinendurchbruchströmen positive Ladungsträger in die stärker n-dotierte Außenzone. Je höher die an die Elektroden gelegte Sperrspannung ist, desto mehr Ladungsträger werden aus den Bereichen emittiert. Diese positiven Ladungsträger gelangen in die Raumladungszone der schwächer n-dotierten Innenzone und bedämpfen damit die im Halbleiterkörper bei hohen Strömen auftretenden hochfrequenten Impatt-Schwingungen derart, daß ein Zerstören des Halbleitergleichrichters durch diese hochfrequenten Schwingungen vermindert wird.

Ist eine Diode in einen Lastkreis geschaltet, so kann es bei der von außen durch diesen Lastkreis bewirkten Reduzierung des Laststromes auf Null und negative Werte mit anschließendem Spannungsanstieg in Sperrichtung (Kommutation) - je nach Art der Diode und je nach Höhe der Stromsteilheit - geschehen, daß der Rückstrom nicht sanft abklingt, sondern plötzlich mit praktisch unendlicher Steilheit abreißt. Der dadurch bedingte sehr steile Anstieg der Spannung über der Diode kann unter Umständen zur Zerstörung der Diode führen, bzw. zur Zerstörung der an die Diode geschalteten Bauteile, z. B. Thyristoren etc.

Das Abreißen des Stromes tritt ein, wenn beim Aufbau der Sperrspannung die Raumladungszone das Volumen der Diode nahezu vollständig ausräumt, so daß außerhalb der Raumladungszone keine Restladung mehr verbleibt, die über eine Diffusion der Träger in die Raumladungszone den Strom nachtragen könnte.

Dioden, die mit hohen Stromsteilheiten und damit mit hohen Rückströmen abkommutiert werden sollen, werden deshalb so dick bemessen, daß außerhalb der Raumladungszone ein Restvolumen an Speicherladung verbleibt. Im allgemeinen sind solche Dioden so ausgelegt, daß die Raumladungszone bei voller Sperrspannung gerade noch durch die niedrig dotierte n-Basiszone durchgreift.

Dioden mit geringen Anforderungen an das Abkommutierungsverhalten werden dagegen im allgemeinen so aufgebaut, daß die Raumladungszone bis in die hochdotierte kathodenseitige n- Schicht durchstößt. Solche Dioden haben bessere Durchlaßeigenschaften.

Bei Thyristoren tritt ein abrupter Stromabriß nicht ein, weil diese von vornherein dicker als Dioden dimensioniert sind. Außerdem sorgt der p-Emitter des pnp-Thyristorteils dafür, daß immer Ladungsträger nachgeliefert werden.

Eine Trägernachlieferung läßt sich auch in der Diode erreichen, allerdings muß durch geeignete Maßnahmen erreicht werden, daß der Nachliefermechanismus im Normalfall ausgeschaltet ist. Eine der Hauptschwierigkeiten besteht nun darin, daß das Abreißen des Stromes nicht unbedingt bei maximalem Strom, sondern erst auf der abfallenden Flanke eintritt. Da das Abreißen des Stromes in enger Wechselwirkung mit der Diodenspannung steht, sollte die Trägernachlieferung sowohl abhängig vom Rückstrom als auch abhängig von der an der Diode liegenden Rückwärtsspannung erfolgen.

In dem in der Deutschen Patentschrift 25 06 102 beschriebenen Halbleiterkörper muß - damit die Bereiche als p-Emitter wirken - aufgrund des in der n⁺-Zone querfließenden Stromes unter dem p-Bereich eine Spannung von ca. 0,5 Volt auftreten. Der Strom, bei dem die Trägerinjektion durch die p-Bereiche einsetzt, läßt sich über die Dotierung der n⁺-Zone und über die Breite der p-Bereiche steuern.

Diese Anordnung ist jedoch für das Verhindern des Abreißens nicht ausreichend, da die Trägernachlieferung nur vom Rückstrom und nicht von der Rückwärtsspannung abhängig ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den in der Deutschen Patentschrift 25 06 102 beschriebenen Halbleitergleichrichter so weiterzubilden, daß die Ladungsträger sowohl abhängig vom Rückstrom als auch abhängig von der Rückwärtsspannung nachgeliefert werden. Damit lassen sich hochsperrende und zugleich schnelle Dioden realisieren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Dotierstoffkonzentration der einen stärker dotierten Außenzone so gewählt ist, daß die Raumladungszone bei maximaler Sperrspannung bis nahe an die vorstehend erwähnten Bereiche reicht.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert. Zum besseren Verständnis ist die Erfindung dem bekannten Stand der Technik gegenübergestellt. Es zeigt

Fig. 1 das Ausschaltverhalten einer Diode mit weichem Abklingen des Stromes,

Fig. 2a das Ausschaltverhalten einer Diode mit Abreißen des Stromes,

Fig. 2b das Ausschaltverhalten eines erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichters mit Ladungsträgerinjektion,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen bekannten Halbleitergleichrichter, der stromabhängige Ladungsträgernachlieferung vorsieht,

Fig. 4 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichters, der strom- und spannungsabhängige Ladungsträgernachlieferung vorsieht,

Fig. 5 die Dotierstoffkonzentration nach Fig. 4,

Fig. 6 den Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichters, der strom- und spannungsabhängige Ladungsträgernachlieferung versieht und

Fig. 7 die Dotierstoffkonzentration nach Fig. 6.

In Fig. 1 ist der Strom- und Spannungsverlauf beim Ausschaltvorgang einer "normalen" Diode dargestellt. Die strichliert gezeichnete Spannung an der Diode sinkt zunächst mit abnehmendem Strom. Anschließend steigt die Spannung in Sperrichtung auf den durch den Lastkreis und die Schutzbeschaltung gegebenen Wert an. Durch das Absaugen der sich im Halbleiterkörper noch befindlichen Ladungsträger fließt ein Strom in Sperrichtung, der sog. Rückstrom, dessen Wert mit zunehmender Stromsteilheit ansteigt.

Ist die Stromsteilheit genügend groß oder der Halbleitergleichrichter entsprechend dünn ausgebildet, so kann es geschehen, daß der Rückstrom plötzlich mit praktisch unendlicher Steilheit abreißt. Dieses Verhalten ist in Fig. 2a dargestellt. Mit dem Abreißen des Stromes ist ein steiler betragsmäßiger Anstieg der Spannung verbunden, der zur Zerstörung der Diode führen kann.

Den aus der Deutschen Patentschrift 25 06 102 bekannten Halbleiterkörper eines Gleichrichters zeigt Fig. 3. Dieser Halbleiterkörper weist eine schwach n-dotierte Innenzone 1 auf, an deren untere Fläche eine stärker dotierte p⁺-Zone 2 angrenzt, an die ihrerseits eine Kontaktelektrode 3 grenzt. An die obere Fläche der schwach n-dotierten Innenzone 1 grenzt eine stärker n-dotierte Außenzone 4. Diese stärker n-dotierte Außenzone 4 weist über ihre obere Fläche, also der einen Hauptfläche des Halbleiterkörpers, verteilte Bereiche 5 mit positivem Leitfähigkeitstyp auf. Die Tiefe dieser Bereiche ist geringer als die Tiefe der stärker dotierten Außenzone 4. Eine gemeinsame Elektrode 6 verbindet die p⁺-Bereiche 5 und die stärker n⁺-dotierte Zone 4. Damit ergibt sich die Struktur eines p⁺-n-n⁺-Leistungsgleichrichters, in dessen katodenseitiger n⁺-Außenzone 4 punktförmige p⁺-dotierte Bereiche 5 eindiffundiert sind. Außerdem ist in Fig. 3 die sich im Sperrfall im Halbleiterkörper ausbildende Raumladungszone 10 dargestellt. Diese Raumladungszone 10 greift gerade bis in die stärker n⁺-dotierte Außenzone 4 durch.

Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung ist in Fig. 4 zu sehen. An eine schwächer n-dotierte Innenzone 1 grenzt unten eine stärker p⁺-dotierte Außenzone 2, an deren äußere Hauptfläche eine Kontaktelektrode 3 anschließt. An die obere Fläche der Innenzone 1 schließt eine stärker n⁺-dotierte, z. B. epitaktisch aufgebrachte Außenzone 4 an. Diese n⁺-dotierte Außenzone 4 weist z. B. eine äußere noch höher n⁺⁺-dotierte Schicht 7 zur besseren Kontaktierung auf. Über der oberen Fläche dieser n⁺⁺-dotierten Schicht 7, also der einen Hauptfläche des Halbleiterkörpers sind Bereiche 5 mit positivem Leitfähigkeitstyps verteilt, deren Tiefe geringer als die Tiefe der stärker n⁺-dotierten Außenzone 4 ist. Die Tiefe der n⁺⁺-dotierten Schicht 7 ist geringer als die Tiefe der Bereiche 5. Eine gemeinsame Elektrode 6 verbindet diese Bereiche 5 mit der n⁺⁺-dotierten Schicht 7. Die Dotierstoffkonzentration der n⁺-Außenzone 4 ist so niedrig gewählt, daß die Raumladungszone 11 beim Erreichen der gewünschten maximalen Sperrspannung bis nahe an die Bereiche 5 reicht. Die n⁺-Außenzone 4 kann auch so ausgelegt sein, daß die Raumladungszone 11 bis zu den p⁺-Bereichen 5 durchstößt (punch-through). Dann ist die maximale Sperrspannung allerdings niedriger als die der "normalen" Diode. Die sich auszubildende Raumladungszone 11 ist in Fig. 4 dargestellt. Die erfindungsgemäße Diode weist zwischen schwach n-dotierter Innenzone 1 und p⁺-dotierter Außenzone 2 einen ersten pn-Übergang 8 und zwischen den p-dotierten Bereichen 5 und der n⁺-dotierten Außenzone 4 einen zweiten pn-Übergang 9 auf.

Zur Verdeutlichung der einzelnen Dotierstoffkonzentrationen ist in Fig. 5 die Dotierstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Tiefe des in Fig. 4 dargestellten Halbleiterkörpers aufgetragen.

Fig. 5 gibt einen prinzipiellen Verlauf der Dotierstoffkonzentrationen wieder. Die n⁺⁺-Schicht 7 ist höher dotiert als die p⁺-Bereiche 5 bzw. die p⁺-Außenzone 2, die beide in etwa annähernd die gleiche Dotierstoffkonzentration aufweisen. Am niedrigsten dotiert ist die n-Innenzone 1, an die die stärker dotierte n⁺-Außenzone 4 anschließt, deren Dotierstoffkonzentration jedoch deutlich unterhalb der p⁺-Bereiche 5 liegt.

Die Auslegung der n⁺-Außenzone 4 und der p⁺-Bereiche 5 richtet sich nach den Anforderungen an das Rückstromverhalten der Diode.

Ein Beispiel soll dies verdeutlichen:
Das Abreißverhalten gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 1 eines wie im Ausführungsbeispiel beschriebenen Halbleitergleichrichters soll folgenden zwei Forderungen genügen:

1. Bei einer Rückstromdichte von bis zu 1 A/cm² soll der Halbleitergleichrichter den Strom noch ohne zusätzliche Trägerinjektion führen, wenn die Raumladungszone gerade an die n⁺-Außenzone 4 anstößt, und
2. bei maximaler Spannung sei ein Abreißen nur bei Stromdichten kleiner als 0,1 A/cm² erlaubt bzw. anders ausgedrückt: Die Trägerinjektion soll bei maximaler Spannung dann einsetzen, wenn die Stromdichte größer als 0,1 A/cm² ist.

Die Mindestdotierung in der n⁺-Außenzone 4 richtet sich nach der maximalen Feldstärke E_{m 2}, die am n-n⁺-Übergang 12 erreicht werden soll.

Wenn die Raumladungszone 11 etwa bei halber Maximalspannung an die n⁺-Außenzone 4 anstößt, ergibt sich eine Feldstärke E_{m 2} am n-n⁺-Übergang 12 von ca. 80 000 V/cm. Daraus ergibt sich gemäß

mit

e = Elementarladung
ρ_F = Flächenbelegung [cm^-2]
ε = Dielektrizitäskonstante

eine notwendige Flächenbelegung von

ρ_F = 0,5 · 10¹² cm^-2

und damit ein Flächenwiderstand

η = 8300 Ω.

Mit der Annahme, daß die n⁺-Zone 4 vorsichtshalber um 10% höher dotiert ist - also eine 10prozentige Dotierungsreserve gewährleistet ist - ergibt sich für die Flächenbelegung

p_F = 0,55 · 10¹² cm^-2

und entsprechend für den Flächenwiderstand η ein um 10% geringerer Wert, also

η = 7500 Ω.

Wird der p⁺-Bereich 5 als kreisförmiges Loch mit dem Radius r eingebracht, so gilt für die laterale Spannung in der n⁺-Zone 4

Damit ein j=1 A/cm² zu Spannungen kleiner als 0,5 V führt, damit also keine zusätzliche Trägerinjektion einsetzt, muß für den Radius r folgende Bedingung gelten:

Wird im Lauf des Abkommutierungsvorganges die maximale Spannung erreicht - reicht also die Raumladungszone 11 bis nahe an die p⁺-Bereiche 5 -, so hat sich der Flächenwiderstand unter dem p-Bereich von 7500 Ω auf 75 000 Ω erhöht.

Dementsprechend wird die Injektion der Ladungsträger bei einem Zehntel des Stromwertes, d. h. bei Werten größer als 0,1 A/cm² einsetzen. Dieser Wert wird um so kleiner sein, je geringer die Dotierungsreserve angesetzt werden kann. Diese kann über die Eindiffusion der p⁺-Bereiche besonders dann sehr genau eingestellt werden, wenn die Dotierung der n⁺-Außenzone sehr flach verläuft, d. h., wenn sie z. B. epitaktisch hergestellt wird oder eine zur Oberfläche hin abgereicherte Dotierung verwendet wird.

Beim Anstoßen der Raumladungszone erschöpft sich zunächst die Trägernachlieferung und die Spannung über die Diode wird dementsprechend stärker ansteigen, bis auf Grund des sich verringernden Flächenwiderstandes die Injektion der Träger einsetzt und damit der Spannungsanstieg abgeschwächt wird.

Je nach Verlauf der Spannung über den Wert hinaus, bei dem die Raumladungszone 11 an die n⁺-Außenzone 4 anstößt, wird die Ladungsträgerinjektion näher bei Stromdichten von 1 A/cm² oder mehr an 0,1 A/cm² einsetzen. Die beginnende Injektion der Ladungsträger wirkt sofort auf den Spannungsanstieg zurück. Der Ansprechbereich für den Einsatz der Injektion kann entsprechend den Einsatzbedingungen für die Diode über den Radius der p⁺-Bereiche beliebig eingestellt werden. Die Gesamtfläche der einzelnen p⁺-Bereiche 5 richtet sich nach der Stromdichte, die für das einzelne Gebiet zugelassen sein soll. Die Flächenbelegung kann z. B. 5% betragen.

Zur Vergleichmäßigung des Stromflusses über die Fläche kann es zweckmäßig sein, die p⁺-Bereiche 5 mit Ballastwiderständen zu versehen. Solche Ballastwiderstände werden z. B. dadurch realisiert, daß zwischen Kontaktelektrode und den einzelnen p⁺-Bereichen eine dünne Schicht aus dotiertem Polysilizium angeordnet ist.

Das Doppelpunchthrough-Prinzip kann in gleicher Weise auch auf der Anodenseite angewendet werden, wie es in Fig. 6 schematisch dargestellt ist. Fig. 7 zeigt die entsprechende Dotierstoffkonzentration nach Fig. 6.

In diesem Fall ist für die Dotierung der p⁺-Zone die Maximalfeldstärke von ca. 200 000 V/cm zu berücksichtigen. Die Änderung des Flächenwiderstandes beim Anstieg der Spannung von halber auf volle Sperrspannung ist die gleiche wie in obigem Beispiel. Die relativen Anforderungen an die Dotiergenauigkeit sind jedoch entsprechend der Gesamtdotierung höher.

In Fig. 6 ist an der oberen Fläche der schwach n-dotierten Innenzone 1 eine stärker n⁺-dotierte Außenzone 2 angeordnet, deren obere Fläche - die zugleich eine Hauptfläche des Halbleiterkörpers darstellt - mit einer Kontaktelektrode 3 verbunden ist. An die untere Fläche der schwach n-dotierten Innenzone 1 schließt eine zu ihr im Vergleich stärker p⁺-dotierte Außenzone 4 an. Über der äußeren, die andere Hauptfläche des Halbleiterkörpers bildende Fläche sind n⁺-dotierte Bereiche 5 verteilt, deren Tiefe geringer als die Tiefe der p⁺-dotierten Außenzone 4 ist. Eine gemeinsame Elektrode 6 verbindet diese Bereiche 5 mit der p⁺-dotierten Außenzone 4. Zur besseren Kontaktierung kann - wie in Fig. 4 dargestellt - wieder eine noch höher dotierte Schicht zusätzlich zwischen Kontaktelektrode 6 und p⁺-dotierter Außenzone 4 vorgesehen werden.

Wie die erfindungsgemäße Diode wirkt, zeigt ein Vergleich von Fig. 2a und Fig. 2b. Der abrupte Stromabriß setzt infolge der strom- und spannungsmäßigen Ladungsträgernachlieferung nicht ein, weswegen auch kein steiler Anstieg der Spannung auftritt.

Claims

1. Gleichrichter mit einem Halbleiterkörper, der folgende Merkmale aufweist:

a) Der Halbleiterkörper hat eine Innenzone (1) eines ersten Leitfähigkeitstyps;
b) an die Innenzone (1) schließt sich an einer Seite eine stärker dotierte Außenzone (4) ersten Leitfähigkeitstyps an;
c) an die Innenzone (1) schließt sich an der anderen Seite eine stärker dotierte Außenzone (2) eines zweiten Leitfähigkeitstyps an;
d) eine der stärker dotierten Außenzonen (4, 2) weist über ihre Hauptfläche bis zur Hauptfläche reichende verteilte Bereiche (5) des zu ihr entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auf;
e) die Tiefe dieser Bereiche (5) ist kleiner als die Tiefe der stärker dotierten Außenzone (4);
f) die eine stärker dotierte Außenzone (4) und die Bereiche (5) sind durch eine gemeinsame Elektrode (6) miteinander verbunden;
g) die äußere Hauptfläche der anderen stärker dotierten Außenzone (2) ist mit einer Elektrode (3) verbunden.

gekennzeichnet durch das Merkmal:

h) die Dotierstoffkonzentration der einen stärker dotierten Außenzone (4) ist so gewählt, daß die Raumladungszone (11) bei maximaler Sperrspannung bis nahe an die Bereiche (5) reicht.

2. Gleichrichter mit einem Halbleiterkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der Bereiche (5) insgesamt etwa 5% der Fläche der einen stärker dotierten Außenzone (4) beträgt.

3. Gleichrichter mit einem Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Bereichen (5) und der Elektrode (6) Ballastwiderstände angeordnet sind.

4. Gleichrichter mit einem Halbleiterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine stärker dotierte Außenzone (4) mit einer an ihre Elektrode (6) grenzende Fläche mit einer höher dotierten Schicht (7) des gleichen Leitfähigkeitstyps versehen ist und die Tiefe dieser Schicht (7) geringer als die Tiefe der Bereiche (5) ist.