DE7148809U1 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter - Google Patents
Steuerbarer HalbleitergleichrichterInfo
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Description
8500 Nürnberg - Wiesentalstraße 40, Telefon 0911/37781 - Telex 06/22155
PA-Bu/Rü I 167106 22. Dezember 1971
Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit wenigstens
vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von welchen wenigstens eine der an die äußeren hochdotierten Emitterzonen angrenzenden,
schwachdotierten Innenzonen sich durch die jeweilige Emitterzone hindurch bis zu deren äußerer Oberfläche erstreckt und direkt mit
einem auf dieser Oberfläche angeordneten, leitfähigen, zur Kontaktierung dienenden Überzug verbunden ist.
Beim Einsatz steuerbarer Halbleitergleichrichter, sogenannter Thyristoren,
unter regulären oder Überlagerten Spannungen jeweils höherer Frequenz als
der Üblichen Netzfrequenz kommt zusammen mit anderen dynamischen Eigenschaften
dieser Bauelemente auch der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit du/dt besondere Bedeutung zu.
Wird «in Thyristor in Durchlaßrichtung mit einer ansteigenden Spannung beaufschlagt,
so kann in Abhängigkeit von Steilheit und Höhe derselben bereits vor Erreichen der sogenannten Kippspannung die DurchzUndiing, d.h.
das Umschalten vom nichtleitenden in den leitenden Zustand erfolgen. Diese
beim Einsatz unerwünschte Erscheinung wird bekanntlich damit erklärt, daß
die beiden inneren hochohmigen Schichten, die den in Durchlaßrichtung
sperrenden mittleren pn-übergang bilden, mit ihrer Raumladungszone eine spannungsabhängige Kapazität darstellen, die einen zusätzlich zum staii-
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sehen Sperrstrom fließenden Verschiebungsstrom in einer zum Durchschalten
des Thyristors ausreichenden Höhe zur Folge haben kann. Ein solches unkontrolliertes
DurchzUnden bei steil ansteigender Spannung in Durchlaßrichtnmy
wö^ dh durch egtSpre RedUZi*?yf»g dieses Verschiebung»—
strom·· zu verhindern.
Diesbezüglich wurde bereits 1959 von R. W. Aldrich und N. Holonyak jr.
•in· Vierschichtenfolge mit sogenanntem "shorted-emitter" vorgeschlagen
(Journal of Applied Physics, Vol. 30, Nr. 11, November 1959, Seite 1819 ff.). Dabei verläuft die auf der Emitter-Oberfläche vorgesehene metallische,
zur Kontaktierung derselben dienende Elektrode Über die Emitterfläche
hinaus und ist mit der angrenzenden p-Zone verbunden. Durch eine solche einen Kurzschluß des Emitters bildende Struktur wird erreicht, daß
bei Anlegen einer ansteigenden Spannung in Durchlaßrichtung ein Teil der αυ% der p-Zone zum Emitter abfließenden Häjöritätslsdungsträger direkt zus
Katnoaenanschiti» äUjeSäijgt wird und nicht sshr rvr Injektion ve» Mincritätsladungsträgern
aus der Emitterzone in die angrenzende p-Zone und damit zu einem unerwünschten Durc' schalten beitragen kann. Die Vergrößerung
des zum Kurzschluß des Emitters vorgesehenen Flächenabschnitts der p-Zone erbringt eine Zunahme der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
du/dt, ist jedoch aufgrund der durch verschiedene Gesichtspunkte bedingten gegenseitigen Anordnung von Emitter, p-Zone und der darauf vorgesehenen
Kontaktelektroden sowie der Forderung nach optimaler Flächennutzung für hohe Strombelastbarkeit nicht beliebig möglich.
Weiterhin sind Ausführungsformen von Thyristoren mit "shorted-emitter" bekannt,
bei denen die an die eine Emitterzone angrenzende innere p-Zone sich durch eine Anzahl von getrennten Kanälen jeweils kleiner Querschnittsfläche vorzugsweise senkrecht durch die Emitterzone bis zu deren äußerer
Oberfläche erstreckt und an dieser direkt mit dem als Kontaktelektrode dienenden metallischen überzug verbunden ist. Die weiterhin als "shortedemitter"-Fläche
bezeichnete, durch Anzahl und jeweiligen Querschnitt die-
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ser Kanüle bestimmte, gesamte Querschnittsfläche vermindert jedoch die
Fluche der Emitterzone und damit die beim Einsatz geforderte Strombelastbarkcdt
und ist demzufolge durch diese Betriebekenngröße der Bauelemente beschränkt. Es hat sieh außerdem gezeigt, daß die du/dt-Werte nicht in
gleicher Weise zunehmen, wenn die "shorted-emitter"-Fläche vergrößert
wird. Als Erklärung dafUr wird angenommen, daß die aus der p-Zone in Richtung
der Emitterzone abfließenden Majoritätsladungströger nicht in gewUnschter
Weise, durch die Kanäle der bekannten Struktur zur Kontaktelektrode
gelangen, weil Jeder dieser Kanäle mit seinem im Vergleich zur umgebenden
Emitterflache kleinen Querschnitt den Einzugsbereich zum Ansaugen der Ladungsträger
bestimmt. Weiterhin scheint mit zunehmender "shorted-emitter"-FlUche
auch ein Einfluß der zwischen der Emitterzone und den Kanülen der p-Zone liegenden pn-Ubergangsflächen zu bestehen.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, bei steuerbaren Halbleitergleichricht·»«
mit "«horted-emitter" die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
ohne Beeinträchtigung charakteristischer Durchlaßeigenschaften wesentlich zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geläst, daß zum Durchgriff der
Innenzone durch die Emitterzone bis zum leitfähigen überzug eine aus mehreren,
zu einer zusammenhängenden geometrischen Figur verbundenen, stegfärmigen Abschnitten bestehende Aussparung in der Emitterzone vorgesehen
ist.
Anhand des in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausfuhrungsbeispiels werden
Aufbau und Wirkungsweise des Gegenstandes der Erfindung aufgezeigt und erläutert. In Figur 1 ist in Draufsicht und in Figur 2 im Schnitt längs
der Linie I-II gemäß Figur 1 eine Thyristorstruktur ohne Kontaktelektrode
am Emitter dargestellt. Für gleiche Teile sind in beiden Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.
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Ein beispielsweise pnp-Schichtenfolge aufweisender, Üblicherweise scheibenförmiger
Halbleiterkörper ist an seiner einen p-Zone mit einer hochdotierten p+-leitenden Schicht und in seiner gegenüberliegenden äußeren p-Zone
1 mit einer aus mehreren streifenförnvigen Anteilen 2 bestehenden n+-ieitenden Emitterzone versehen» Diese Anteile sind jeweils durch schmale
stegförmige Abschnitte 4 der p-Zone 1 voneinander getrennt, die bis zur
Oberfläche der Anteile 2 verlaufen und zusammen mit diesen mit einer nicht
dargestellten, die Kathode bildenden Kontaktelektrode kontaktiert sind. Die Abschnitte 4 der p-Zone liegen in gleicher Höhe wie die Emitterzone
und sind kammförmig angeordnet und zu einer zusammenhängenden Fläche entsprechend
verbunden, sodaß der Durchgriff der p-Zone durch die Emitterzone zu dem auf dieser vorgesehenen leitenden überzug in Form einer Über die
Fläche der Emitterzone ausgedehnten geometrischen Figur gegeben ist. Die Breite der Abschnitte 4 ist einerseits durch herstellungtechnische Gesichtspunkte,
beispielsweise bei der Fertigung der Anteile 2 mittels Diffusion durch Eindringtiefe und Diffusionsprofil, und andererseits durch
die Forderung nach möglichst geringer Gesamt f.l&cH*» der durch die Emitterzone
durchgreifenden Abschnitte 4 J-- Vergleich zur Emitterflache bestimmt.
Der gegenseitige Abstand der Abschnitte 4 richtet sich nach· der gewünschten
Ausbildung des "shorted-eeitter" und dessen Flächenverhältnis zur
Emitterflache.
Beispielsweise wurden bei einer Fläche der Emitterzone mit 20,5 mm Durchmesser
und mit einem kamaförmigen "shorted-emitter", dessen Streifenbreite
40 u und dessen Streifenabstand 1,2 mn betrug, woraus sich ein FlQchenver*
hältnis zur Eeitterf lache von 3,2 % ergab, du/dt-Werte von 1100 V/pisec.
und darüber erzielt, jeweils entsprechend 67 % des Höchstwertes einer nach
einer e-Funktion ansteigenden Spannung. Vergleichsweise ergab eine Anordnung
mit getrennten punktförmigen Kanälen der p-Zone durch die Emitterzone
und mit einem Flächenverhältnis von 3,5 % du/dt-Werte von nur etwa 700 V/usec. Ein Flachenverhältnis von 2 bis 5 % und ein gegenseitiger Abstand
der streifenförmigen Abtshnitte 4 bis etwa 3 mm haben sich als be-
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sonders vorteilhaft fur den Gegenstand der Erfindung erwiesen.
Anstatt kammförmig gemäß der Darstellung in Figur 1 kann der "shortedemitter"
auch mäander-, raster-, stern» oder spiralenfönnig ausgebildet
sein oder die Form eines Ringes mit nach innen verlaufenden Strahlen oder
aber 4ie Form eines Spinnennetzes aufweisen.
Der Gegenstand der Erfindung kann auch einen Vierschichtenaufbau mit einer
schwachtiotiertfen η-Basis und einer angrenzenden hochdotierten p+-Emitterzone
sowie Anordnungen mit mehr als vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps betreffen.
Zur Herstellung steuerbarer Halbleitergleichrichter mit erfindungsgemttßen
Aufbau wird die gewünschte Form des "shorted-emitter" beispielsweise mit
Hilfe einer sogenannten Fotomaske auf eine vorbereitete, vorzugsweise oxidierte und fotolackbeschichtete Scheibe aus Halbleitermaterial und mit
entsprechender Schichtenfolge aufkopiert. In einer anschließenden Strukturätzung
werden die zur Anordnung von Emitterzonen-Anteilen 2 (zwischen den Abschnitten 4) vorgesehenen Flächenbereiche der Oxidschicht bis zur
p-Zone abgetragen. Die noch verbliebenen streifenfurmigen Cxidschichtteile
bilden die Maskierung fUr den nachfolgenden Diffusionsprozeß und sind so bemessen, daß die jeweils zwischenliegend eindiffundierten hochdotierten
Emitter-Teil-Zonen aufgrund von Eindringtiefe und Diffusionsprofil durch
Abschnitte 4 des nshorted-emitter" mit gewünschter Ausdehnung voneinander
getrennt sind. Danach werden die Oxidschichtstreifen entfernt, und
schließlich wird die plane Oberfläche der Halbleiterscheibe, an welcher im
Wechsel Abschnitte der Emitter- und der angrenzenden Basiszone nebeneinander
angeordnet sind, mit einem als Kontaktelektrode dienenden leitfähigen
überzug abgedeckt und die Emitterzone kurzgeschlossen.
Claims (4)
1.) Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit wenigstens vier Zonen abwechselnd
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, von welchen wenigstens
eine der an die äußeren hochdotierten Emitterzonen angrenzenden, schwachdotierten Innenzonen sich durch die jeweilige Emitterzone hindurch
bis zu deren äußerer Oberfläche erstreckt und direkt mit einem auf dieser Oberfläche angeordneten, leitfähigen, zur Kontaktierung
dienenden überzug verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Durchgriff der Innenzone durch die Emitterzone bis zum leitfähigen
überzug eine aus mehreren, zu einer zusammenhängenden geometrischen
Figur verbundenen, stegförmigen Abschnitten bestehende Aussparung
xn der Emitterzone vorgesehen ist.
2.) Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zum Durchgriff der Innenzone vorgesehene Aussparung kammförmig, rasterfurmig oder mäanderfärmig ausgebildet ist.
3.) Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zum Durchgriff der Innenzone vorgesehene Aussparung spiralenförmig ausgebildet ist.
4.) Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zum Durchgriff der Innenzone vorgesehene Aussparung sternförmig ausgebildet ist oder die Form eines Ringes mit nach innen
verlaufenden Strahlen aufweist.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE2164644 | 1971-12-24 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE7148809U1 true DE7148809U1 (de) | 1979-11-22 |
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