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DE1489937A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Halbleiterbauelement

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Publication number
DE1489937A1
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DE
Germany
Prior art keywords
layers
semiconductor
section
semiconductor body
voltage
Prior art date
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Pending
Application number
DE19651489937
Other languages
English (en)
Inventor
Davies Robert L
Davis Calvin M
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
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Pending legal-status Critical Current

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Description

ν ;');;; 4434 General Electric Company, Sohenectady, Ή.X., VSTA
Halbleiterbauelement v ' ·
Die Erfindung betrifft Maßnahmen zur Verbesserung von Halbleiterkörpern mit mindestens einem PN-Übergang und Halbleiterbauelemente, die solche Halbleiterkörper enthalten. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf Maßnahmen zur Vergrößerung der Sperrspannung, die an ein solches Halbleiterbauelement ohne Durchbruch angelegt werden kann, and zur Steigerung der Leistungsaufnahme nach dem Durchbruch in Sperrichtung. Unter dem Ausdruck Sperrspannung wird hier eine Spannung verstanden, deren Polung normalerweise mit einer Leitung Über einen gegebenen Übergang in der Richtung des hohen Widerstandes verbunden ist.
Ein Übergang zwischen zwei Haltleiterzonen von entgegen gesetztem Leitungstyp sorgt für einen geringen Widerstand, wenn der Strom in 4er einen Richtung fließt, bezw. für einen hohen Widerstand, wenn der Strom in der entgegengesetzten Richtung fließt. Bei einer Polung der Spannung, die eine; Stromfluß in Richtung des hohen Widerstandes verursachtt spricht manr wie ob@n erwähnt, von der Sperrspannung» leim Anlegen einer Sperrspannung an einen Übergaag zwischen zwei HalUleiterzQiaLen mit einem Überschuß an freien Elektronen (N-Leitung) feezw· an positiven Löchern (P-Leitung) verarmt die in der lihe. des Übergangs liegende; Zone an freien Elektronen bezw- fösitivta !löchern. Der 0rund dafür ist der,
daß beim Anlegen" eines positiven Potentials an die N-leitende Zone und'eine's negativen Potentials an die P-leitende 2ionei=!l '"'"' die positiven Ladungsträger von der negativen und die negätf-' ' ven Ladungsträger von der positiven Anschlußelektrode ange- :i Λ zogen werden. Dadurch werden auf beiden Seiten des Übergangs' die ladungsträger vote Übergang weggezogen, so daß sich feinö ~ ' ' aogenannte?0rariaungszone ausbildet. Me Verarmungszone stallt ein Dialektrikum dar, da sie von Ladungsträgern beiderlei " Vorzeichen frei ist.
Die dielektrische Verarmungszone hat einen sehr hohen Wider stand und kann größten Spannungen widerstehen. Bei den gebräuchlichen Baueiementen kann sie z.B. Sperrspannungen von einigen 100 Volt ohne Durchbruch durch das Innere des Bauelements aushalten. Diemeisten Halbleiterbauelemente können jedoch nur einen Bruchteil derjenigen Sperrspannungen ver tragen, denen ihr IBheres gewachsen ist ( das gilt sowohl für kurzzeitige als auch stationäre Zustände), da die Durchbrüohe zuerst immer an oder längs der Oberfläche stattfinden. Aus diesem Grunde sind die meisten Halbleiterbauelemente oberflächenbegrenzt.
Durch die Oberflächenbegrenzung der meisten Gleichrichter ist ' deren Anwendungsbereich stark beschränkt. Sie können z.B. ^i nur dann in Schaltungen verwendet werden, wenn bei Durchbruehs-' spannungen (sowohl bei kurzzeitigen als auch bei stationären Zuständen) von mehr als einigen hundert Volt besondere Vorsichtsmaßnahmen ( die oft mühsam sind) getroffen werden, um ein direktes Anlegen der Sperrspannung an das Bauelement zu vermeiden.
Obwohl dieser Übelstand sehr ernst zu nehmen ist, ist §r noQh nicht so bedeutend wie andere Nachteile, die mit der Qber- \ flächenloegrenzung einhergehen, nämlich z.B. Unstabilitäten und Zerstörung des Bauelementes nach .einem Oberf Iac, hendurchrbrueh in Sperrichtung.
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Die Instabilitäten kommen häufig daher, daß sich die Zustände* auf der Oberfläche des Halbleiters ändern, von denen die Gharakteristiken dieser B .»uelemente in beträchtlichem Umfang ab hängen. Wenn es daher nicht gelingt, durch besondere Torsichtsmaßnahmen eine Veränderung des Oberflächenzustands während des Gebrauchs des Gerätes zu verhindern, dann ist die Stabilität sehr gering. Es ist aber weit schwieriger, den Oberflächenzustand zu beeinflussen, als die Charakteristiken im Innern des Halbleiterkörpers zu kontrollieren. Ebenso ist es weit schwieriger, eine Änderung des Oberflächenzustands zu verhindern, als für im wesentlichen konstante Charakteristiken im Inneren zu sorgen. Tataache bleibt, daß auch bei umständlichen Vorsichtsmaßnahmen, *ie z.B. verschiedenen Oberflächenvorbehandlungen oder das Einschließen des Halbleiterkörpers in evakuierte, hermetisch abgedichtete Behälter, ein Nachlassen der Gleich» richter während des Betriebs vorwg-igend aui eine Verschlechterung der Oberfläche zurückzuführen ist.
In bezug auf eine Zerstörung der Bauelemente wird an die bekannte Tatsache erinnert, daß die typischen oberflächenbegrenzten Gleichrichter von nur wenigen Watt Leistungsaufnahme während des Durchbruchs, z.B. einem einzigen sehr kurzen Spannungsimpuls in Sperriehtung, für immer beschädigt oder zerstört werden könen. Die Tatsache dagegen, daß das Innere des Halbleiterkörpers sehr große Energiebeträge verbrauchen kann, läßt sich am besten am Beispiel eines Siliziumgleichrichters klar machen, indem man berüeksichtigt, daß solche Bauelemente, zumindest momentan, mehr als 1000 Watt Wärme in Vürwärtsrichtung verbrauchen können, ohne daß jemals irgendein Schaden auftritt. Diese offenbare Anomalie kann dadurch erklärt werden, daß sich in Vorwärtsrichtung der Strom und die mit ihm verbundene Wärme gleichmäßig über die gesamte tfaergangsflache erstrecken, wodurch eine maximale .Ausnutzung dea Kühlsystems des Gleichrichters sowie seiner thermischen Kapazität gewährleistet ist. In Sperrichtung dagegen findet der Oberflächenstrom des« Gleichrichters bei momentanen Sperrspannungsspitzen mikroskopisch kleine Hisse oder schwache
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Stellen vor, :il denen er sich konzentriert. Diese schwachen Stellen befinden sich im allgemeinen an der Oberfläche des Übergangs, dort wo £er aus dem Siliziumkörper an die Oberfläche tritt. An solchen winzigen Stellen kann ein Bruchteil eines Watts konzentrierter Hitze ausreichen, daßdas Material schmilzt und die Sperreigenschaften des Gleichrichters unabhängig von seiner Größe zerstört werden. D-s Problem der Sperrspannung ist derart kritisch, daß ein Bemessen der Im pulse in Sperrichtung immer mehr auf der B-sis der Spannung als auf der Bpsis der Energie geschieht.
Wenn ein Durchbruch in Sperriehtung anstelle eines Durch schlags an der Oberfläche im Inneren stattfindet, dann kann das Bauelement etwa die gleiche Energie wie in Vorwärtsrichtung verbrauchen, und zwar sowohl momentan als auch stationär. Wenn das Bauelement im Inneren durchschlägt und Strom in Sperrichtung
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fließt, dann spricht man von einem Lawinendurchbruch, der manchmal auch fälschlich mit Zenerdurchbrueh bezeichneχ wird. Der Lawinendurchbruch ist eine mit jeder Siliziumgleichrichterdiode fest zusammenhängende und nicht destruktive Eigenschaft, die bei relativ geringen Leistungen und Spannungen als Gleiehspannungsnormal und zur Stabilisierung in sogenannten Zenerdioden eine weite Anwendung gefunden hat. Wie an einer Zenerdiode liegt auch an einem innerhalb seiner thermischen Grenzen betriebenen Gleichrichter ein im wesentlichen konstantes Potential bei beliebigem Strom, solange man innerhalb des Lawinengebietes bleibt. Wenn dabei der Strom unter Berücksichtigung der thermischen Kapazität des Bauelementes durch eine äußere Schaltung begrenzt Is+, dann ist von der wirklichen Lawinensparoiung her keine Beschädigung zu erwarten. Daher kann ein Halbleiterbauelement, dessen- Lawinendurchbrüche gleichmäßig bei Spannungen vorgenommen werden, die unterhalb derjenigen Spannung liegen, bei der lokale dielektrische Oberflächendurchbrüche auftreten,, momentan einige hundert Male mehr Energie in Rüekwärtsriehtung verbrauchen, als wenn das Gegenteilider Fall wäre.
Es ist noch anzumerken, daß Oberfiächendurchbrüche wahrscheinlich darauf zurückzuführen sind, daß an der Bberfläche des Bauelementes hohe Potentialgradienten entstehen, d.h. daß an
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der Oberfläche eine none Feldstärkendiehte vorliegt. Im allgemeinen iat die Stärke der elektrischen Feldstärke in der Höhe des Übergangs zwischen zwei Zonen unterschiedlichen Leitungstyps am größten. Die Übergangszone oder der.Übergang zwi-
—3 sehen zwei Zonen verschiedenen Leitungstyps mag z.B. 10 J cm dick sein. Daher ersoheint an der Oberfläche des durch den Übergang geteilten Halbleiterkörpers ein sehr hohes elektrisches Seid ( beiw. eine hohe Feldstärke).
Es ist versucht worden, Halbleiterkörper herzustellen, die einen mittleren Abschnitt aufweisen, in dem zuerst eine Ladungsträgermultiplikation durch Lawinendurehbruch stattfindet, und die einen dfesen umgebenden Eandabschnitt enthalten, welcher den Einfluß des Oberfläehenzustands des Bauelementes beein flußt oder festlegt. Das hat im wesentlichen dazu geführt, daß die Spannung, bei der der eine Seil des Bauelementes durchschlägt, vermindert werden ist« Wenn die Spannung genügend tief liegt, dann verläuft der Durchbruch meistens in Form einer Lawine, jedoch kann die Spannung, die das Bauelement sperren kann, so gering und die Kriechströme in Sperriehtung derart hoch sein, daß das Bauelement für hohe Spannungen nicht mehr zu gebrauchen ist,
Eine der gebräuchlichsten Arten von Gleichrichtern für hohe Spannungen enthält einen Halbleiterkörper mit mindestens drei Schichten, wobei eine innere Schicht einen höheren spezifischen Widerstand als die anderen aufweist. Ein Halbleiterkörper für eine Hochspannungsdiode enthält beispielsweise eine äußere P-leitende und eine äußere N-leitende Zone und eine innere Schicht von sehr viel höherem spezifischen Widerstand, wobei ee sich entweder um eine I-Schicht oder eine sehr schwach dotierte P- oder Η-leitende Schicht handeln kann. Ein solches Halbleiterbauelement ist hier den allgemeinen Betrachtungen zugrunde gelegt.
Bei bekannten Gleichrichtern für hohe Spannungen, die durchweg im Innern durchschlagen,und dem hier betrachteten Bauelement weiden die spezifischen Widerstände des Halbleitermaterials nach den spezifischen Widerständen ausgewählt, die zur Erzielung der Durchbruchs spannung notwendig sind, während für die Dicke der inneren Schicht mit sehr großem Widerstand dann nur ein
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Kompromiß übrig bleibt, um andere erwünschte Parameter zu erhalten. Die innere Schicht mit hohem Widerstand sollte nämlich dann sein, damit sich ein geringer Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung und geringe Sperrströme (besonders bei hohen Temperaturen) ergeben. Gleichzeitig sollte die gleiche Schicht aber genügend dick sein, damit Oberflächendurchbrüche bei den betrachteten Oberflächen vermieden werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die genannten Schwierigkeiten zu beseitigen und Halbleiterbauelemente vorzuschlagen, die im Inneren durchschlagen und bei denen Halbleiter mit hohen spezifischen Widerständen verwendet werden können, die nach der Diffusion dauerhafte Charakteristiken aufweisen unaad"ureh die Eigenschaften der Sperrströme bei hohen Temperaturen im Bereich von z.B. 2000C verbessern. Die Spannungsabfälle in Durchlaßrichtung sollen im wesentlichen unabhängig von Oberflächendurehbrüchen bei hohen Spannungen ( 2000-4000 Volt) sein»
Gemäß der Erfindung wird ein Gleichrichter aus einem Halbleiterkörper mit drei oder mehr Schichten hergestellt, die verschiedene mittlere spezifische Widerstände haben und wobei jede Grenzfläche zwischen den Schichten im wesentlichen über ihre volle Ausdehnung einen gleichen Konzentrationsgradienten aufweist. Eine der Schichten hat einen hohen spezifischen Widerstand im Vergleich zu den anderen beiden. Das Bauelement besitzt einen mittleren Abschnitt, in dem auerst eine Ladungsträgermultiplikation durch Lawinen auftritt, und einen äußeren Abschnitt, der den mittleren Abschnitt umgibt. Dadurch, daß die Dicke der inneren halbleitenden Schicht von größerem Widerstand im mittleren Alischnitt geringer als im äußeren Abschnitt gemacht wird, schlägt das Bauelement eher im Inneren als an der Oberfläche durch. Die den Hauptstrom^ führenden Elektroden des Bauelementes werden ohmsch mit den äußeren Schichten im mittleren Abschnitt verbunden.
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Me Erfindung wird nun auch, anhand der beilie§enden Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen »ur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.
Die Fig I zeigt einen Schnitt durch einen Halbleiterkörper eines Gleichrichters gemäß der Erfindung.
Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Thyristor gemäß der Erfindung.
Die Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Halbleiterkörper 10 % aus einem monokristaiiinen Halbleitermaterial wie Silizium oder G-ermanium. In vielen praktischen Fällen ist der Halbleiterkörper etwa in der Form einer Münze kreisrund» doch sind auch andere» Formen möglich. Der Halbleiterkörper 10 enthält drei Zonen mit verschiedenen spezifischen Widerständen. Die oberste Schicht oder Zone 11 ist eine stark P-dotierte Schicht mit geringem Widerstand, an die sich eine innere Schicht 12 mit hohem spezifischen Widerstand und eine ixntere Schicht 13 mit Ii-Leitungstyp und, hoher Dotierung anschließen. Daher trennt eine mittlere Schicht, 12 mit hohem spezifischen Widerstand, die hier als I-Schicht dargestellt ist, aber ebenso eine P-Schioht oder N-Schicht sein kann, zwei Schichten 11 'and 13 entgegen- a gesetzten Leitungstyps und geringen spezifischen Widerstands. Die Übergänge 14 und 15 von der Schicht 12 mit hohem spezifischen Widerstand zu jeder der äußeren Schichten 11 und 13 mit geringem spezifischen Widerstand können abrupt sein und im mittleren Teil des Haibieiterkörpers 10 größere Teile besitzen, die im wesentlichem eben verlaufen. Die Übergänge 14 und Ip heißen allgemein Übergangsflächen zwischen zwei Schichten. Eine Über-
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gangsfläche ist dabei gleichzeitig ein (gleichrichtender) Übergang, wenn sie zwischen zwei Schichten oder Zonen entgegengesetzten Leitungstyps liegt.
Ein mittlerer Abschnitt 16 des Halbleiterkörpers 10 ist für die Eigenschaften des Bauelementes, die nicht die Oberflächen- ' durchbräche betreffen, von entscheidender Bedeutung. Der mittlere PIN-Abschnitt ist unter Berücksichtigung der erwünschten Gleichrichtereigenschaften auf übliche Weise hergestellt. Das bedeutet, daß die Dicke des gesamten mittleren Abschnitts, die Dicke der einzelnen Schichten 11, 12 und 13 und die Dotierungen zur Einstellung der erwünschten Eigenschaften entsprechend vorgewählt sind. Der spezifische Widerstand und die Dicke der inneren I-Schicht 12 im mittleren Abschnitt 16 sind in dem Bauelement nach der Pig. I derart gewählt, daß sich die Verarmungszone längs der beiden Übergangsflächen 14 und spreizt.
Die Wirkung des Oberflächenzustandes auf den Betrieb des Bauelementes ist dadurch auf ein Minimum herabgesetzt, daß ein Randabschnitt 17 vorgesehen ist, der den mittleren Abschnitt umgibt und in dem die innere Schicht 12 mit hohem spezifischen Widerstand und auch der gesamte Halbleiterkörper wesentliche, dicker sLa im mittleren Abschnitt sind. Da der Randabschnitt nicht die Leitungsaigenschaften des Bauelementes bestimmt, ist er nur zu dem besonderen Zweck angebracht, Oberflächendurchbrüche zu vermeiden.
Bei der Herstellung des Halbleiterkörpers 10 geht man von einem P-leitenden Körper (Silizium) von etwa 0,18 mm ( 7 mils)Dicke aus, das beinahe eigenleitend ist, und diffundiert Η-Material (Phosphor) ein, um die H-leitende Schicht 13 mit einer Dicke von 0,064 (2,5 mils) und einer Oberflächendotierung von etwa 10 y Atomen/cm5 auszubilden. Die Dicke des mittleren Abschnitts wird durch übliche Maßmahmen , wie ζ.Χ.Ätzen, Sandstrahlgebläse oder Ultraschallbohren auf das erwünschte Maß herabgesetzt. Die obere P-leitende Schicht wird dann bis zu einer Tiefe von '
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0,064 mm (2,5 mils) mit einer Oberflächendotierung von etwa 7-1018 Atomen/cm-5 (Bor) eindiffundiert. Die innere Schient 12 ist im mittleren Abschnitt 16 etwa 0,05 mm (2 mils) und an der dicksten Stelle des Handabschnitts etwa 0,1 mm (4 mils) dick. An den oberen und unteren Hauptflächen des Hafcbleiterkörpers sind phmsche Elektroden 18 und 19 angebracht, damit eine Spannung anlegbar ist. Zu bemerken ist noch,ndaß die obere Elektrode 18 lediglich mit dem mittleren Abschnitt 16 in Berührung steht, so daß der Hiuptstrompfad zwischen den Elektroden in diesem Abschnitt liegt. ~~
Zur weiteren Verbesserung des Halbleiterkörpers 10 gegenüber Oberflächendurehbrüchen kann sein Randabschnitt irgendwie geformt oder abgeschrägt sein, wie es in einer älteren Anmeldung beschrieben ist. Da die innere Schicht 12 im R-.aidabschnitt 17 ziemlich dick gemacht werden kann, ohne die elektrischen Eigenschaften des Bauelementes beträchtlich zu beeinflussen, können sehr hohe Spannungen ( 2000 bis 4000 Volt) erreicht werden, die eher im Inneren als an der Oberfläche durchsehlagen»
Das gleiche g allgemeine Prinzip kann auf Halbleiterbauelemente mit mehreren Schichten angewendet werden. Die lig. 2 zeigt beispielsweise einen Halbleiterkörper 20 eines Thyristors aus Silizium gemäß der Erfindung. Die Wirkungsweise des Thyristors wird hier nicht im einzelnen beschrieben, da es zum Verständnis der Erfindung nicht notwendig ist, und da sie außerdem genügend μ bekannt ist,(z.B. aus dem Kapitel 1- des "General Electric Controlled Rectifier Manual",Copyright I960, von General Electric ). lür die Anmeldung sollte es genügen, darauf hinzueisen , daß der Teil des Bauelementes, der für die Gleichrichtung und die Steuereigenschaft sorgt, aus einem scheibenförmigen, gleiehrich^ tenden Halbleiterkörper 20 besteht. '
Der Halbleiterkörper 20 besteht aus einm monoktistallinen Halbleitermaterial (z.B. Silizium) und enthält drei Übergänge 21, 22 und 23 zwischen vier Schichten 24, 25, 26 und 27 abwechselnd
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entgegengesetzten Leitungstyps. Die vier Schichten haben abwechselnd einen Überschuß an freien Elektronen (H-Leitungstyp) oder einen Überschuß an freien positiven löchern (P-Leitungstyp). Die innere H-leitende Schicht 25 enthält zwei Unterzonen 28 und 29,
die vom gleichen Leitungstyp sind, aber verschiedene Dotierungs
grade haben. Diese sind durch den Buchstaben Ή~ für die Zone 29· wodurch ein geringer Dotierungsgrad angezeigt werden soll, und durch den Buchstaben ΪΓ für die Zone 28 angegeben, um auf einen höneren Dotierungsgrad hinzuweisen. Eine Übergangsfläche 50 in der Mg 2 bedeutet einen abrupten Übergang zwischen den Dotierüngsgraden.
Der mittlere Abschnitt 51 spielt beim Herstellen derjenigen Eigenschaften des Bauelementes eine entscheidende Rolle, die nicht die Oberflächendurchbrüche betreffen, während ein Randabschnitt 52 den mittleren Abschnitt umgibt und für die mit Oberflächendurchbrüchen zusammenhängenden Eigenschaften wichtig ist. Die gesamte Dicke des mittleren Abschnitts 51 und die Dicke und der Dotierungsgrad der einzelnen Schichten sind derart ausgewählt, daß das Bauelement die erwünschten Charakteristiken hat. D -bei hat in diesem Ausführungsbeispiel die innere IT" -leitende Zone 29 bezüglich den anderen Schichten einen hohen spezifischen Widerstand und entspricht in diesem Sinne der I-Zone 12 des PIN-Bauelementes der 3?ig· 1.
Der Rcindabschnitt 52 bestimmt deshalb die mit Oberflächendurchbrüchen zusammenhängenden Eigenschaften, weil in ihm die innere ET -leitende Zone 29 sehr viel dicker als im mittleren Abschnitt ist und weil seine Gesamtdicke die des mittleren Abschnitts 51 übertrifft. Da der Randabschnitt 52 die Leitungseigenschaften des Bauelementes nicht wesentlih beeinflußt, dient er lediglich einer Verhinderung icon Oberflächendurchbrüchen. Zur weiteren Verbesserung des Halbleiterkörpers 20 gegenüber Oberflächendurchbrüehen kann seine Peripherie irgendwie geformt uder gemäß der oben erwähnten älteren Anmeldung abgeschrägt sein.
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- ii -
Der gezeigte Halbleiterkörper besitzt einen Durchmesser von 20,3 mm ( 800 mils) und eine Dicke von etwa 0,28 mm (11 mils) mit ΊΓ -Iiöitungstyp für die innere ST -Zone 29 (z.B. 10 Atome/cnr) Die Dicke des mittleren Abschnitts 31 ist durch Itzen, Sandstrahlgebläse oder durch Ultraschallbohren oder irgendeine Kombination dieser Verfahren auf etwa 0,23 mm (9 mils) herabgesetzt. Die obere P-Schicht wird mittels Bor oder Gallium bis zu einer Tiefe von etwa 0,06-4 hh& (2,5 mils) eindiffundiert, so daß eine Oberflächenkonzentration von etwa 7*10 Atomen/cnr vorliegt. Die obere und die untere 3J-Sehicht 27 bezw. 28 wird mittels geeigneter Masken bis zujeiner Dicke von 0,38 dhq (l>5 mils) und einer Oberflächenkonzentration von etwa 10 Atomen/cm eindiffundiert. Danach wird die untere Oberfläche abgeätzt, bis die untere N-Schicht 28 eine Oberflächenkonzentration von etwa 10 Atomen/cnr aufweist, wonach die untere P-Schicht 24 bis zu einer Dicke von 0,38 mm (l,i? mils) bei einer Konzentration von etwa 1021 Atomen /cm5 epitaxial niedergeschlagen wird.
Zum Einfügen des Halbleiterbauelementes in eine Schaltung wird eine ohmsche Elektrode 34 als Anode am unteren Teil des Halbleiterkörpers 10 angebracht, während eine ohmsche Elektrode auf der oberen Oberfläche innerhalb des mittleren Abschnittes als Kathode vorgesehen ist. Eine weitere ohmsche Elektrode 35 an der inneren P-Schicht 26 dient als Steuerelektrode. Die Kathode 33 ist dabei lediglich mit dem mittleren Anschnitt 3I verbunden, so daß der Hauptstrompfad zwischen der Anode 34 und der Kathode 33 in diesem mittleren Abschnitt liegt.
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Claims (2)

U8J9 4434 Patentansprüche
1. Halbleitergleichrichter mit einem Halbleiterkörper mit mindestens drei durch Übergangsflachen getrennten Schichten mit verschiedenem spezifischen Widerstand, von denen mindestens zwei einen verschiedenen Leitungstyp besitzen, wobei die Übergangsflächen im wesentlichen über ihre gesamte Ausdehnung einen gleichen Konzentrationsgradienten haben, ferner mit Elektroden auf äußeren Oberflächen des Hakbleiterlörpers zum Anlegen einer normalen Wechselspannung zum Gleichrichten, und mit Mittein zum
™ Erhöhen der Oberf lächendurchbruchspannung in Sperrichtung auf einen Wert, der größer als die Lawinendurfabruchspannung im Inneren des Halbleiterkörper ist, dadurch gek ennz e i'chne t, daß diese Mittel in einem mittleren Abschnitt (16,31), in welchem zuerst der Lawinendurchbruch stattfindet, und in einem diesen uiagebenden Randabschnitt (17,32) bestehen, der dicker als der mittlere Abschnitt ist.
2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichne t, daß die innere der drei Schichten (12) bezüglich der anderen Schichten einen hohen Widerstand aufweist und im mittleren Abschnitt (16)
™ dünner als im äußeren Abschnitt (17) ist.
3· Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Halbleiterkörper vier Schichten (24, 25, 26, 27). mit abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp enthält, wobei eine der inneren Schichten (25) in zwei Unterschichten (28,29) gleichen Leitungstyps aber verschiedenen spezifischen Widerstands unterteilt ist, von denen die eine (29) bezüglich der anderen Schichten einen hohen spezifischen Widerstand aufweist und im mittleren Abschnitt (31) dünner als im äußeren Abschnitt (32) ist.
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4·' Halbleitergleiohrlchter nach Anspruch 3, dadurch g' ek e η η ζ e i c h η e t , daß die nicht unterteilte innere Schicht (26) mit einer ohmschen Steuerelektrode (3ü) versehen ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0217780A2 (de) * 1985-10-04 1987-04-08 General Instrument Corporation Anisotroper Gleichrichter und Verfahren zu seiner Herstellung

Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL6603372A (de) * 1965-03-25 1966-09-26
US3461356A (en) * 1965-08-19 1969-08-12 Matsushita Electric Ind Co Ltd Negative resistance semiconductor device having an intrinsic region
US3458777A (en) * 1966-09-21 1969-07-29 Hughes Aircraft Co Pin diode with a non-uniform intrinsic region width
CH454279A (de) * 1966-12-02 1968-04-15 Bbc Brown Boveri & Cie Halbleiterventil
GB1142095A (en) * 1967-01-13 1969-02-05 Standard Telephones Cables Ltd Method for producing gallium arsenide devices
DE1589683A1 (de) * 1967-04-04 1970-03-26 Itt Ind Gmbh Deutsche Flaechentransistor
US3559006A (en) * 1968-04-11 1971-01-26 Tokyo Shibaura Electric Co Semiconductor device with an inclined inwardly extending groove
CH485329A (de) * 1968-07-22 1970-01-31 Bbc Brown Boveri & Cie Stossspannungsfeste Halbleiterdiode
CH543178A (de) * 1972-03-27 1973-10-15 Bbc Brown Boveri & Cie Kontinuierlich steuerbares Leistungshalbleiterbauelement
DE2323592C2 (de) * 1972-06-09 1981-09-17 BBC AG Brown, Boveri & Cie., Baden, Aargau Thyristor
IT1010445B (it) * 1973-05-29 1977-01-10 Rca Corp Raddrizzatore a semiconduttore com mutabile allo stato di non condu zione per mezzo di una tensione ap plicata all elettrodo di porta del lo stesso
DE2340128C3 (de) * 1973-08-08 1982-08-12 SEMIKRON Gesellschaft für Gleichrichterbau u. Elektronik mbH, 8500 Nürnberg Halbleiterbauelement hoher Sperrfähigkeit
US4051507A (en) * 1974-11-18 1977-09-27 Raytheon Company Semiconductor structures
US4080620A (en) * 1975-11-17 1978-03-21 Westinghouse Electric Corporation Reverse switching rectifier and method for making same
JPS5460870A (en) * 1977-10-24 1979-05-16 Nippon Intaanashiyonaru Seiriy Semiconductor
JPS5624972A (en) * 1979-08-07 1981-03-10 Mitsubishi Electric Corp Thyristor
GB2082836A (en) * 1980-08-20 1982-03-10 Philips Electronic Associated Corrugated semiconductor devices
GB2089119A (en) * 1980-12-10 1982-06-16 Philips Electronic Associated High voltage semiconductor devices
DE3469830D1 (en) * 1983-12-07 1988-04-14 Bbc Brown Boveri & Cie Semiconductor device
GB8703405D0 (en) * 1987-02-13 1987-03-18 Marconi Electronic Devices Power semi-conductor device
GB8817459D0 (en) * 1988-07-22 1988-08-24 Gen Electric Semiconductor devices
US5445974A (en) * 1993-03-31 1995-08-29 Siemens Components, Inc. Method of fabricating a high-voltage, vertical-trench semiconductor device
JP4167313B2 (ja) * 1997-03-18 2008-10-15 株式会社東芝 高耐圧電力用半導体装置
WO2004066391A1 (ja) * 2003-01-20 2004-08-05 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha 半導体装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2908871A (en) * 1954-10-26 1959-10-13 Bell Telephone Labor Inc Negative resistance semiconductive apparatus
US3008089A (en) * 1958-02-20 1961-11-07 Bell Telephone Labor Inc Semiconductive device comprising p-i-n conductivity layers
US3083441A (en) * 1959-04-13 1963-04-02 Texas Instruments Inc Method for fabricating transistors
NL291461A (de) * 1962-04-18
US3270255A (en) * 1962-10-17 1966-08-30 Hitachi Ltd Silicon rectifying junction structures for electric power and process of production thereof
US3264492A (en) * 1963-08-06 1966-08-02 Int Rectifier Corp Adjustable semiconductor punchthrough device having three junctions
US3278347A (en) * 1963-11-26 1966-10-11 Int Rectifier Corp High voltage semiconductor device

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0217780A2 (de) * 1985-10-04 1987-04-08 General Instrument Corporation Anisotroper Gleichrichter und Verfahren zu seiner Herstellung
EP0217780A3 (en) * 1985-10-04 1989-03-29 General Instrument Corporation Anisotropic rectifier and method for fabricating same
US4891685A (en) * 1985-10-04 1990-01-02 General Instrument Corporation Rectifying P-N junction having improved breakdown voltage characteristics and method for fabricating same

Also Published As

Publication number Publication date
GB1105177A (en) 1968-03-06
US3370209A (en) 1968-02-20

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