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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement
wie eine Freilaufdiode zur Verwendung in einer Parallelschaltung
in Sperrrichtung mit einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT).
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In
den vergangenen Jahren haben sich IGBTs bedeutend weiter entwickelt,
was die Erzielung eines niedrigen Spannungsabfalls im Einschaltzustand
und einer hohen Schaltgeschwindigkeit (eine Eigenschaft der Rückwärtserholung)
anbelangt, und sie nähern
sich ihren theoretischen Grenzen an. Unter diesen Umständen wird
den Eigenschaften von in IGBT-Module integrierten Dioden große Aufmerksamkeit
gewidmet. Solche Dioden müssen
eine niedrige Flussspannung und die Fähigkeit zum schnellen Schalten
aufweisen, aber das Hauptaugenmerk gilt der Abhängigkeit der Flussspannung
von der Temperatur. Dies liegt daran, dass die Zunahme der Größe eines
IGBT-Moduls in jüngerer
Zeit zu einer Zunahme der Anzahl der Diodenchips geführt hat,
die in ein Modul integriert sind und im Parallelbetrieb arbeiten.
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Wenn
ein Halbleiterumrichter mit einem eingebauten IGBT-Modul aus irgendeinem
Grund ausfällt,
fließt
ein großer
Strom durch das IGBT-Modul und natürlich durch die darin befindlichen
Dioden. Wenn die Dioden einen negativen Temperaturkoeffizienten
haben, d. h. dadurch gekennzeichnet sind, dass ihre Flussspannung
mit zunehmender Temperatur abnimmt, dann erleiden von einer Vielzahl
von zueinander parallel geschalteten Dioden diejenigen, durch welche
ein großer
Strom fließt,
eine Zunahme der Temperatur, wodurch die Flussspannung verringert
und das Hindurchfließen
eines viel größeren Stromes
verursacht wird. Schließlich
werden diejenigen Dioden, auf die sich der Strom konzentriert, zerstört.
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Die
Dioden umfassen pn-Dioden, die unter Verwendung einfacher pn-Übergänge gebildet
sind, und Schottky-Dioden, die unipolare Elemente sind. Bei den
pn-Dioden findet eine Injektion von Minoritätsträgern statt, so dass das Diffusionspotential
des pn-Übergangs
mit zunehmender Temperatur abnimmt. Ferner werden zur Verbesserung
der Schalteigenschaften normalerweise Rekombinationszentren unter
Verwendung eines Schwermetalls oder einer Elektronenbestrahlung
in den Halbleiter eingebracht, um die Ladungsträgerlebensdauer zu verringern.
Die Wirkung der Rekombinationszentren lässt jedoch nach, wenn die Temperatur zunimmt.
Diese Phänomene
sorgen dafür,
dass die Flussspannung mit zunehmender Temperatur abnimmt. Ferner
ist es schwierig, dafür
zu sorgen, dass diese Abnahme der Flussspannung unter den Dioden
gleich ist, und somit variiert die Temperaturcharakteristik unter
den Dioden. Diese Variation kann einige Dioden einer Stromkonzentration
aussetzen, wie es vorausgehend beschrieben wurde.
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Andererseits
erfahren die Schottky-Dioden aufgrund des Fehlens einer Injektion
von Minoritätsträgern eine
Zunahme der Flussspannung bei zunehmender Temperatur, und sie haben
eine hohe Schaltgeschwindigkeit. Diese Dioden haben jedoch einen hohen
Wert der Flussspannung.
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A.
Prost und andere haben in Proc. of IEEE ISPSD '97, Seite 213–216 (1997) berichtet, dass
die Schalteigenschaften verbessert werden können, indem man die Dotierungskonzentration
in der Anodenschicht verringert, um die Diffusionstiefe dieser Schicht
zu verringern, und indem man Rekombinationszentren einbringt, um
für einen
positiven Temperaturkoeffizienten der Flussspannung zu sorgen. Ferner
haben M. Mori und andere in Proc. of IEEE ISPSD '91, Seite 113–117 (1991) berichtet, dass
die Schalteigenschaften verbessert werden können indem man Schottky und
pn-Dioden innerhalb einer einzigen Zelle parallel schaltet und die
Injektion von Minoritätsträgern aus
der Anodenschicht beschränkt, um
für einen
positiven Temparaturkoeffizienten der Flussspannung zu sorgen.
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Jedoch
verursacht bei den oben beschriebenen pn-Dioden, da die Dotierungskonzentration
in der Anodenschicht zur Verringerung der Diffusionstiefe verringert
wurde, das Anlegen einer Spannung in Sperrichtung an die pn-Diode
einen Durchbruch der Anodenschicht bei einer niedrigen Spannung,
so dass keine Spannungsfestigkeit erzielt werden kann.
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Ferner
ist es bei der Kombination von Schottky- und pn-Dioden wegen der
sehr kleinen Diffusionstiefe des Bereich der Schottky-Diode und
der Verwendung einer p-Schicht mit einer niedrigen Dotierungskonzentration
schwierig, die Höhe
der Schottky-Barriere einzustellen, weshalb die Flussspannung oder
deren Temperaturcharakteristik oder die Schalteigenschaften schwanken.
Weitere Dioden sind in JP 61-269370 und in JP 10-326900 offenbart.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diese Probleme zu lösen und
ein Halbleiterbauelement zur Verfügung zu stellen, das einen
positiven Temperaturkoeffizienten der Flussspannung und eine hohe
Schaltgeschwindigkeit bei der im tatsächlichen Betrieb auftretenden
Stromdichte hat.
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Um
diese Aufgabe zu lösen,
sieht die vorliegende Erfindung folgendes vor: Ein Halbleiterbauelement
mit einer Basisschicht eines ersten Leitfähigkeitstyps, die einen hohen
Widerstand hat, einer Anodenschicht eines zweiten Leitfähigkeitstyps,
die auf einer Oberfläche
der Basisschicht des ersten Leitfähigkeitstyps gebildet ist,
einer Anodenelektrode, die auf einer Oberfläche der Anodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps
gebildet ist, einer Kathodenschicht, die auf der anderen Oberfläche der
Basisschicht des ersten Leitfähigkeitstyps
gebildet ist, und einer Kathodenelektrode, die auf einer Oberfläche der
Kathodenschicht gebildet ist, wobei besagte Anodenelektrode mit
einem Teil der zweiten Anodenschicht verbunden ist, und das Flächenverhältnis S1/S2 zwischen 5 und
30 liegt, wobei S1 diejenige Fläche ist, über welche
besagte Elektrode nicht mit der Anodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps
verbunden ist, und S2 diejenige Fläche ist, über welche
die Anodenelektrode mit der Anodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps
verbunden ist.
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Eine
Isolierschicht ist zwischen besagter Anodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps
und besagter Anodenelektrode eingefügt, so dass die Anodenschicht
des zweiten Leitfähigkeitstyps
und die Anodenelektrode nicht miteinander verbunden sind.
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Das
Halbleiterbauelement weist eine Vielzahl von voneinander beabstandeten
Flächen
auf, auf denen jeweils besagte Anodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps
und besagte Anodenelektrode miteinander verbunden sind, und besagte
Flächen stellen
Streifen, kreisförmige
Bögen,
Ringe oder Inseln dar.
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Besagte
Anodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps,
besagte Basisschicht des ersten Leitfähigkeitstyps und besagte Kathodenschicht
des ersten Leitfähigkeitstyps
werden vorzugsweise einer Elektronenbestrahlung oder einer Schwermetalldiffusion
unterworfen.
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Indem
die Hauptelektrode nur mit einem Teil der Anodenschicht des zweiten
Leitfähigkeitstyps kontaktiert
wird, wie es oben beschrieben ist, fließt ein durch das Bauelement
fließender
Strom über
die Anodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps. Aufgrund der
hohen Dotierungskonzentration ist die Funktionsweise der Anodenschicht
des zweiten Leitfähigkeitstyps
fast unipolar, während
das Bauelement in Flussrichtung betrieben wird. Daher nehmen bei
einem Ansteigen der Temperatur die Beweglichkeit und der Diffusionskoeffizient
der Anodenschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ab, wodurch der
Widerstand (von MOSFETs oder anderen Bauelementen) zunimmt. Folglich
hat die Flussspannung einen positiven Temperaturkoeffizienten.
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Ferner
kann die Schaltgeschwindigkeit erhöht werden, indem Rekombinationszentren
mittels Elektronenbestrahlung oder Schwermetalldiffusion eingebracht
werden.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben. Obwohl die folgenden Ausführungsbeispiele
unter der Annahme beschrieben werden, dass der erste Leitfähigkeitstyp
eine n-Typ-Schicht ist, während
der zweite Leitfähigkeitstyp
eine p-Typ-Schicht ist, können
n- und p-Leitung zwischen den Schichten vertauscht werden.
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1 ist
eine perspektivische Schnittansicht einer pn-Diode nach einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
eine Zeichnung, welche den Betrieb der pn-Diode in 1 erläutert;
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3 zeigt
die Temperaturabhängigkeit
des Zusammenhangs zwischen der Flussspannung und dem Flussstrom
für jede
in 1 gezeigte experimentelle pn-Diode, wobei 3(a) das experimentelle Bauelement 1 und 3(b) das experimentelle Bauelement 2 zeigt;
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4 zeigt
die Temperaturabhängigkeit
des Zusammenhangs zwischen der Flussspannung und dem Flussstrom
für jede
in 1 gezeigte experimentelle pn-Diode, wobei 4(a) das experimentelle Bauelement 3 und 4(b) das experimentelle Bauelement 4 zeigt;
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5 ist
ein Schaltbild einer Testschaltung für das Abschalten eines IGBT;
und
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6 zeigt
Variationen des planaren Musters der Ausführungsform von 1,
wobei 6(a) ein Muster mit kreisförmigen Bögen, 6(b) ein Ringmuster und 6(c) ein
Inselmuster zeigt.
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Mit
Bezug auf die Figuren ist eine p-Anodenschicht 1 auf einer
Oberfläche
einer n-Basisschicht 3, die
einen hohen Widerstand hat, gebildet, während eine n-Kathodenschicht 2 auf
der anderen Oberfläche
gebildet ist. Die Oberfläche
der p-Anodenschicht 1 ist mit einer Isolierschicht beschichtet,
in der Kontaktschlitze gebildet sind, und eine Anodenelektrode 5 ist
auf der p-Anodenschicht 1 gebildet und mit der p-Anodenschicht 1 in
den Bereichen der Kontaktschlitze 7 verbunden. Eine Kathodenelektrode 6 ist auf
der n-Kathodenschicht 2 gebildet. Ferner ist das planare
Muster der Kontaktschlitze 7 gestreift. Das Verhältnis der
Flächen
S1/S2 beträgt 5 oder
mehr und 30 oder weniger, wobei S1 die Fläche der
p-Anodenschicht 1 ist,
die von einer Isolierschicht 4 bedeckt ist (die Fläche eines
nicht verbundenen Bereichs), und S2 ist
die Fläche
der Bereiche der Kontaktschlitze 7 (die Fläche des
verbundenen Bereichs). Ferner ist die pn-Diode zur Verringerung
der Schaltzeit mit Elektronenstrahlen bestrahlt, um die Lebensdauer
zu verkürzen.
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Die
Herstellung des obigen Bauelements wird jetzt im Detail beschrieben.
Ein Halbleitersubstrat wurde bereitgestellt, indem Phosphor, der
einen n-Typ-Dotierstoff darstellt, von einer Oberfläche einer n-Typ-Scheibe
mit einem spezifischen Widerstand von 150 Ωcm und einer Dicke von 350 μm eindifundiert
wurde, bis der Phosphor eine Tiefe von 150 μm erreichte, wodurch eine n+-Schicht gebildet wurde. Diese n+-Schicht fungierte als die n-Kathodenschicht 2.
Bor mit einer Dosis von ungefähr
3,0 × 1013/cm2 wurde in eine
der n+-Schicht
gegenüberliegende Oberfläche des
Halbleitersubstrats ionenimplantiert und wurde anschließend mittels
einer Wärmebehandlung
bei ungefähr
1150°C ungefähr fünf Stunden
lang eindiffundiert. Die Diffusionstiefe XJ des Bors
war ungefähr
5 μm. Diese
Diffusionsschicht fungierte als die p-Anodenschicht 1.
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Anschließend wurde
die Isolierschicht 4 auf die Oberfläche der p-Anodenschicht 1 aufgebracht und
die Kontaktschlitze 7 wurden in der Isolierschicht 4 gebildet.
Die Anodenelektrode 5 wurde in denjenigen Bereichen, in
denen die p-Anodenschicht 1 freigelegt war und auf der
Isolierschicht 4 gebildet. Die Anodenelektrode 5 und
die p-Anodenschicht 1 wurden in den Bereichen der Kontaktschlitze 7 miteinander
verbunden.
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Die
Kontaktschlitze 7 wurden in der Isolierschicht 4 in
Form von Streifen gebildet (1 zeigt das
Streifenmuster der Kontaktlöcher 7).
Die pn-Dioden wurden experimentell hergestellt, indem die Breite
W der Kontaktschlitze auf einen festen Wert von 6 μm und der
Abstand D der Kontaktschlitze auf 30 μm (experimentelles Bauelement 1),
60 μm (experimentelles
Bauelement 2), 120 μm
(experimentelles Bauelement 3), oder 180 μm (experimentelles
Bauelement 4) festgelegt wurde, so dass das Flächenverhältnis S1/S2 zwischen der
Fläche
S1 auf der p-Anodenschicht 1, die
durch die Isolierschicht 4 abgedeckt wurde (die Fläche des
nicht verbundenen Bereichs) und der Fläche S2 der
Bereiche der Kontaktschlitze 7 (die Fläche des verbundenen Bereichs)
5, 10, 20 oder 30 war. Wenn man die Breite der p-Anodenschicht und
ihre Länge
als X bzw. Y definiert, dann ist die Gesamtfläche der p-Anodenschicht X × Y, d.
h. S1 + S2, die
Fläche
des nicht verbundenen Bereichs (S1) ist
D × Y
und die Fläche
des verbundenen Bereichs (S2) ist W × Y.
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Ferner
wurde jede pn-Diode zur Verringerung der Schaltzeit mit Elektronenstrahlen
von ungefähr
10 Mrad bestrahlt, um die Lebensdauer zu verringern. Natürlich kann
die Lebensdauer auch durch Verwendung eines Schwermetalls wie Gold
oder Platin verkürzt
werden.
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Durch
die oben beschriebene Verringerung der Dosis der p-Anodenschicht 1 und
der Diffusionstiefe XJ erhöhte sich
die Stromdichte des Stromes Ia, der die
p-Anodenschicht 1 durchquert, und der laterale Widerstand
R erhöhte
sich, wie in 2 (die eine vergrößerte Ansicht
des Gebiets um die p-Anodenschicht in 1 ist) gezeigt
ist. Der Temperaturkoeffizient der Flussspannung konnte dadurch
wirksam positiv gemacht werden. Ferner konnte die Lebensdauer verkürzt werden,
um eine hohe Schaltgeschwindigkeit zu erzielen.
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Die 3 und 4 zeigt
die Temperaturabhängigkeit
des Zusammenhangs zwischen der Flussspannung in V und dem Flussstrom
in A als Kurve für jede
in 1 gezeigte experimentelle pn-Diode. 3(a) zeigt eine solche Kurve für das experimentelle
Bauelement 1 und 3(b) zeigt
eine solche Kurve für
das experimentelle Bauelement 2. 4(a) zeigt
eine solche Kurve für
das experimentelle Bauelement 3 und 4(b) zeigt
eine solche Kurve für
das experimentelle Bauelement 4. Diese experimentellen Bauelemente
hatten eine Chipgröße von 1
cm2.
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In
den 3 und 4 bedeutet T die Raumtemperatur,
wobei für
einen Flussstrom im tatsächlichen
Betrieb von 200 A der Wert (Flussspannung bei 125°C minus Flussspannung
bei Raumtemperatur)/(Flussspannung bei Raumtemperatur) als Temperaturkoeffizient
definiert ist. Wenn dieser Wert negativ ist, ist der Temperaturkoeffizient
negativ, und wenn dieser Wert positiv ist, ist der Temperaturkoeffizient
positiv. Ferner stellt der Betrag des Wertes den Betrag der Änderungsrate
der Flussspannung als Funktion der Temperatur dar.
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Die
Messergebnisse zeigten, dass das experimentelle Bauelement 1 einen
Temperaturkoeffizienten von +0,1 und eine Flussspannung von 2,0
V bei Raumtemperatur hatte, dass das experimentelle Bauelement 2 einen
Temperaturkoeffizienten von +0,2 und eine Flussspannung von 2,5
V hatte, dass das experimentelle Bauelement 3 einen Temperaturkoeffizienten
von +0,3 und eine Flussspannung 3,0 V hatte und dass das experimentelle
Bauelement 4 einen Temperaturkoeffizienten von +0,5 und
eine Flussspannung von 3,5 V hatte.
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Zum
Vergleich wurden versuchsweise pn-Dioden hergestellt, die eine Kontaktschlitzbreite
von 6 μm
und einen Kontaktschlitzabstand von 20 μm (Vergleichsbauelement 1)
oder 200 μm
(Vergleichsbauelement 2) hatten, und die eine Struktur
hatten, welche mit derjenigen von 1 vergleichbar
ist. Obwohl dies nicht gezeigt ist, hatte das Vergleichsbauelement 1 einen
Temperaturkoeffizienten von –0,1
und eine Flussspannung von 2,4 V und das Vergleichsbauelement 2 hatte
einen Temperaturkoeffizienten von +1 und eine Flussspannung von
4,5 V.
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Ferner
wurde an einer konventionellen pn-Diode (mit einer über der
gesamten p-Anodenschicht
gebildeten Anodenelektrode) ein Temperaturkoeffizient von –0,5 und
eine Flussspannung von 2,3 V festgestellt.
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Diese
Ergebnisse zeigen, dass der Temperaturkoeffizient negativ ist, wenn
die Breite D der Isolierschicht kleiner als diejenige des experimentellen Bauelements 1 ist.
Darüber
hinaus steigt der laterale Widerstand der p-Anodenschicht an und
vergrößert den
Betrag der Flussspannung exzessiv, wenn die Breite D der Isolierschicht
größer als
diejenige des experimentellen Bauelements 4 ist. Außerdem kann sich
der Strom im Bereich der Kontaktschlitze 7 konzentrieren
und dadurch das Bauelement zerstören.
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Die
Ergebnisse der experimentellen Herstellung zeigen, dass gute Ergebnisse
erzielt werden, wenn die Kontaktschlitzbreite 6 μm ist und wenn der Abstand zwischen
den Kontaktschlitzen (die Breite D der Isolierschicht) zwischen
30 und 180 μm
liegt. Dies wiederum zeigt, dass gute Ergebnisse erzielt werden,
wenn das zuvor erwähnte
Flächenverhältnis S1/S2 zwischen 5 und
30 liegt. Im übrigen
konnten dann, wenn S1/S2 zwischen
5 und 30 lag, vergleichbare Ergebnisse erzielt werden, auch wenn
die Kontaktschlitzbreite W verändert
wurde.
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Ferner
hatten die experimentellen Bauelemente (experimentelle Bauelemente 1 bis 4)
fast den gleichen Rückwärtserholungsstrom
und die gleiche Rückwärtserholungszeit
wie die Vergleichsbauelemente (Vergleichsbauelemente 1 und 2).
Die Rückwärtserholungszeit
lag zwischen 630 und 650 nsec, und der Rückwärtserholungsstrom lag zwischen 1100
und 1200 A.
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Ferner
wurde eine IGBT-Abschalttestschaltung nach 5 verwendet,
um die Dioden auf ihre Spannungsfestigkeit bei der Rückwärtserholung
zu prüfen,
wobei die Testschaltung einen IGBT 11, die experimentelle
Diode 12, einen Begrenzungswiderstand 13, eine
Steuerspannungsversorgung 14 und eine Spannungsversorgung 15 umfasst.
Zum Betrieb dieser Schaltung wird ein IGBT 11 eingeschaltet,
um eine Energie von (1/2)LI2 in einer Induktivität L zu speichern,
und der IGBT 11 wird dann abgeschaltet. Dann beginnt ein
durch L fließender
Strom durch eine experimentelle Diode 12 zu fließen. Wenn
der IGBT 11 dann eingeschaltet wird, beginnt durch die
experimentelle Diode ein Strom in einer gegenüber dem vorherigen Strom umgekehrten
Richtung zu fließen, so
dass der ursprüngliche
Strom aufgehoben wird. Die experimentelle Diode tritt in einen Rückwärtserholungsprozess
ein und wird abgeschaltet, nachdem ein Rückwärtserholungsstrom über einen
Zeitraum geflossen ist, welcher der Rückwärtserholungszeit entspricht.
Wenn der Rückwärtserholungsstrom
groß und
die Rückwärtserholungszeit
lang ist, steigen die Rückwärtserholungsverluste
an diesem Punkt so weit an, dass die experimentelle Diode 12 zerstört wird.
Bei den Versuchen wurden drei experimentelle Dioden 12 parallel
geschaltet. Wenn die experimentellen Dioden 12 konventionelle
Dioden umfassten, wurden sie zerstört, wenn der Abschaltstrom
des IGBT 11 1200 A war. Die Dioden gemäß der vorliegenden Erfindung
(experimentelle Bauelemente 1 bis 4) wurden jedoch
nicht zerstört,
auch wenn der Abschaltstrom des IGBT 11 bis auf 6000 A
erhöht
wurde. Dies liegt daran, dass der positive Temperaturkoeffizient
der Dioden gemäß der vorliegenden
Erfindung die Ausgewogenheit zwischen den Strömen durch die drei parallel
geschalteten Dioden beträchtlich
verbessert.
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6 zeigt
eine Variation des planaren Musters der Ausführungsform von 1. 6(a) zeigt ein Muster mit kreisförmigen Bögen, 6(b) zeigt ein Ringmuster und 6(c) ist ein Inselmuster. Diese planaren
Muster zeigen die Isolierschicht auf der p- Anodenschicht. Mit jedem dieser Muster
können mit
den vorausgehend beschriebenen Wirkungen vergleichbare Wirkungen
erzielt werden, indem besagtes Flächenverhältnis S1/S2 auf einen Wert zwischen 5 und 20 festgelegt
wird, um die Lebensdauer wie vorausgehend beschrieben zu verkürzen. Im übrigen dienen
diese Muster nur der Veranschaulichung, und obwohl beispielsweise 6(c) quadratische Inseln zeigt, können diese
natürlich
auch kreisförmig
oder polygonförmig
sein.
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Obgleich
dieses Ausführungsbeispiel
in Verbindung mit einer p-Anodenschicht mit einer Dosis von 3,0 × 1013 cm–2 beschrieben worden
ist, zeigen die Ergebnisse einer Simulation, dass ähnliche
Ergebnisse innerhalb eines Bereichs zwischen 1,0 × 1013 cm–2 und 3,0 × 1014 cm–2 erzielt werden können.
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Nach
der vorliegenden Erfindung kann der Temperaturkoeffizient der pn-Diode
positiv gemacht werden, indem die Anodenelektrode mit einem Bereich
der p-Anodenschicht verbunden wird und das Verhältnis zwischen der Fläche S1 (der nicht verbundene Bereich) und der
Fläche
S2 (der verbundene Bereich) auf einen Wert
zwischen 5 und 30 festgelegt wird.
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Ferner
kann die Schaltzeit mittels einer Elektronenstrahlbestrahlung oder
einer Schwermetalldiffusion verringert werden. Außerdem kann
die Spannungsfestigkeit bei der Rüclcwärtserholung verbessert werden.