DE2047342C3 - Zweirichtungs-Thyristortriode - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zweirichtungs-Thyristortriode mit einem Halbleiterkörper mit fünf
aufeinanderfolgend angeordneten Bereichen von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, mit zwei auf
sich abgewandten Oberflächen de- Halbleiterkörpers angeordneten Hauptelektrode, mit einer auf einer
dieser Oberflächen mit Abstand ;ur betreffenden Hauptelektrode angeordneten Steuerelektrode und mit
einer den Steuerstromfluß hemmenden Einrichtung, die aus einem nur die Steuerelektrode umgebenden
Oberflächen-Haibleiterbereich von einem Leitungstyp entgegengesetzt zu dem des Halbleiterbereichs besteht,
in dem dieser Oberflächen-Halbleiterbereich angeordnet ist, vgl. US-PS 33 60 696.
Im allgemeinen wird eine solche Thyristortriode
gebildet, indem man auf beide Seiten eines Halbleitersubstrats eines vorgegebenen Leitungstyps Halbleiterbereiche mit einem Leitungstyp entgegengesetzt zu
dem des Substrats aufdiffundiert und in diese Halbleiterbereiche jeweils einen anderen Halbleiterbereich von
dem gleichen Leitungstyp wie der des Substrats bildet und dann je eine Hauptelektrode auf beiden Seiten des
Schaltelementes anbringt und auch eine Steuerelektrode auf einer der beiden Oberflächen des Schaltelements,
die mit den beiden Hauptelektroden ausgestattet sind, formt.
Eine Thyristortriode der genannten Anordnung wird normalerweise im nicht-leitenden Zustand gehalten.
Wenn jedoch ein Trigger- bzw. Steuersignal von einer bestimmten Größe an die Steuerelektrode und die
Kathodenelektrode gelegt wird, dann wird in das Schaltelement ein Fluß von Elektronen oder Löchern
durch den P-N-Übergang eingeleitet, der durch die beiden Elektrodenbereiche gebildet wird, von denen der
eine als Emitterbereich arbeitet. Der Fluß von Elektronen oder Löchern beschleunigt den weiteren
Fluß durch den verbleibenden P-N-Übergang zu deren Leitung. Um die leitende Schalteinrichtung zurück in
ihren nicht-leitenden Zustand zu versetzen, ist es lediglich erforderlich, einen Hauptstrom zwischen den
Kathoden- und Anodenelektroden auf ein niedrigeres Niveau als das des Haltestroms zu senken.
Mit einer Halbleiterschalteinrichtung, bei der die Steuerelektrode und einer der beiden Halbleiterbereiehe auf einer der beiden Seiten des Elements
angeordnet ist, auf der die Emitterbereiche sich befinden, durch das Epitaxieverfahren oder vorzugsweise Diffusion ausgebildet sind, enthält die oberste Fläche
des diffundierten Bereichs die höchste Konzentration an Verunreinigungen und stellt damit den geringsten
Widerstandswert dar, wobei diese Verunreinigungskonzentration gegen das Innere des Schaltelements
abnimmt, was zu einem gesteigerten Widerstandswert führt. Somit fließt der Trigger-Strom konzentriert durch
den obersten Teil des Elementkörpers, der zwischen der
Steuerelektrode und dieser einen der Hauptelektroden gebildet wird, so daß der Fluß der Elektronen oder
Löcher, der in das Schaltelement durch den P-N-Übergang eingeleitet wird, welcher sowohl durch den Steuer-
wie den Kathodenbereich bestimmt wird, auch konzentrisch durch den obersten Teil des P-N-Übergangs
wandert Es ist nämlich nur eine geringe Strömung durch den inneren Teil dieses P-N-Übergangs vorhanden.
Einige Teile dieses Elektronen- oder Lochflusses, der in das Schaltelement durch den P-N-Übergang geht, der
durch den Steuer-Bareich und den Kathodenbereich gebildet wird, rekombinieren mit anderen Elektronen
oder Löchern, die oberhalb ihres Durchgangs vorhan
den sind. Die bekannte Halbleiterschalteinrichtung, bei
der der Fluß von Elektronen oder Löchern in konzentrierter Form durch den obersten Teil des
P-N-Übergangs erfolgt, der durch den Steuer-Bereich und Kathodenbereich definiert ist, hat den Nachteil, daß
das Wirkvermögen von Elektron oder Loch abnimmt und aufgrund der folglichen Abnahme der Steuerempfindlichkeit, um die Schalteinrichtung aus einem
nicht-leitenden in einen leitenden Zustand zu bringen, ein Tiigger-Signal mit einem relativ hohen Spannungs-
oder Stromwert geliefert werden muß.
Um somit die Steuerempfindlichkeit so stark wie möglich zu erhöhen, bevorzugt man einen Fluß von
Elektronen oder Löchern durch den möglichst am weitesten innen gelegenen Teil des P-N-Übergangs
einzubringen, der durch die Steuer- und Kathodenbereiche gebildet wird.
Aus der US-PS 33 60 696 ist es weiterhin bekannt, die Steuerelektrode mit einer flachen Nut vollständig zu
umgeben, die den Sieuerstromfluß zur benachbarten
so Hauptelektrode unterbindet.
Im Hinblick auf die heutigen Fertigungsmöglichkeiten ist es extrem schwierig, eine solche Nut mit hoher
Präzision in jedem Produkt zu bilden. Die Bildung dieser Nut trifft mit dem weiteren Nachteil zusammen, daß
erhebliche Schwankungen in der notwendigen Trigger-Spannung und im Stromwert auftreten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Thyristortriode der eingangs genannten Art so zu
verbessern, daß die Triggerleistung verringert und die Triggerspannung und der zur Umschaltung von
Durchlaß in den Sperrzustand notwendige Stromwert stabilisiert werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des einzigen Anspruchs angegebenen
h5 Merkmale.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert werden, in
denen
Fig» IA eine Draufsicht auf eine Zweirichtungs-Thyristortriode
(Triac) zeigt, und
Fig. IB ein Schnitt längs der Linie 16-16 in Fig. IA
ist.
Auf beiden Seiten eines Silizium-Halbleitersubstrats 417 der N-Art sind durch Diffusion ein Steuerbereich
427 der P-Art und ein Anodenbereich 437 ausgebildet. Auf dem Anodenbereich 437 Ist eine der Hauptelektroden
angebracht Auf einem Teil der Oberfläche des Steuerbereichs 427 ist eine Schicht einer Gold-Antimon
Legierung abgeschieden und auf der Oberfläche dieser abgeschiedenen Schicht ist eine Kathodenelektrode 487
ausgebildet, die die andere Hauptelektrode darstellt Ein Teil der Gold-Antimon-Legierungsschicht ist mit einem
Teil des Steuerbereiches 427 legiert, der sich unmittelbar darunter befindet, um einen Kathodenbereich 447
und einen Steuerelektrodenbereich 457 der N-Art von etwa 20 μΐη Dicke zu bilden. Auf dem Steuerelektrodenbereich
457 und dem Anodenbereich 437 sind eine Steuerelektrode 497 bzw. eine Anodenelektrode 507
angebracht, wobei die Anodenelektrode einen in den Anodenbereich eingelassenen N-Bereich 467 rsiit dem
Anodenbereich kurzschließt. Es ergeben sich also fünf P-N-Übergänge, und zwar ein Übergang /2 zwischen
dem Substrat 417 und dem Steuerbereich 427, ein Übergang /3 zwischen dem Substrat 417 und dem
Anodenbereich 437, ein Übergang /4 zwischen dem Anodenbereich 437 und dem N-Bereich 467, ein
Übergang /10 zwischen dem Steuerbereich 427 und dem Kathodenbereich 447 und ein Übergang /11
zwischen Steuerbereich 427 und dem Abschirmbereich 62ii. Es ist ein bandförmiger Abschirmbereich 62n des
N-Leitungstyps ausgebildet, der einen Teil des Umfangs de · Steuerelektrode 497 umgibt. Der Teil des Abschirmbereiches
62||, der der Hauptelektrode gegenübersteht, ist schmaler als die anderen Teile ausgebildet. Der
Abschirmbereich wird wie üblich durch Diffusion gebildet; er steht in Verbindung mit dem N-Bereich 457.
Der genannte bandförmige Abschirmbereich, der den Durchgang ehes Oberflächen-Triggerstroms behindern
soll, hat also eine möglichst große Breite an den Stellen, wo der Fluß des Trigger-Stroms verhindert werden
sollte, und eine möglichst geringe Breite an den Stellen unterhalb dieses Abschirmbereichs, durch die der
Triggerstrom wünschenswert treten soll.
Es soll nun der Schaltvorgang eines in der
vorbeschriebenen Weise aufgebauten Thyristors beschrieben werden. Bei einer Gleichspannung von
vorbestimmtem Wert, die in Vorwärtsrichtung an die Kathodenelektrode 487 Ui:d die Anodenelektrode 507
gelegt wird, wird über die Steuerelektrode 497 und die Kathodenelektrode 487 eine Steuerspannung mit einem
Wert größer als dem vorbestimmten eingeprägt, so daß die Steuerelektrode 497 eine positive Polarität bezüglich
der Kathodenelektrode 487 annimmt; es fließt dann von der Steuerelektrode 497 zur Kathodenelektrode
487 ein Steuerstrom entsprechend der Größe der Steuerspannung, In diesem Fall tritt der Steuerstrom
konzentriert durch die Oberfläche des schmalen Teils des Abschirmbereiches 62)ι, der einen bei weitem
geringeren Widerstandswert als die übrigen Teile des ίο Abschirmbereiches aufweist Somit wird ein Fluß aus
Elektronen in die Schalteinrichtung vom Kathodenbereich 447 konzentriert insbesondere durch den Teil des
P-N-Übergangs 710 eingeleitet, welcher der Steuerelektrode
497 benachbart ist Diese einströmenden Elektronen erreichen den Anodenbereich 437 durch den
in Sperrichtung vorgespannten P-N-Übergang /2, der durch den Steuerbereich 437 und das Substrat 417
gebildet wird, sowie dann durch den P-N-Übergang /3, der durch das Substrat 417 und den Anodenbereich 437
gebildet wird, wodurch der Thyristor ■; einen leitenden
Zustand aus dem nicht-lcitcndcn Zustand bei dem die
Kathodenelektrode 487 und die Anodenelektrode 507 elektrisch gegeneinander gesperrt sind, versetzt wird,
wobei der Trigger-Strom bei hoher Dichte konzentriert durch der. schmalen Teil des Abschirmbereichs geht. Die
Einrichtung gelangt also von einem nicht-leitenden in einen leitenden Zustand durch eine Steuerspannung und
einen Strom kleiner als beim Stand der Technnik.
Es sollen nun Versuche beschrieben werden, die durchgeführt wurden, um das Verhältnis der Tiefe zu
dem Widerstandswert des Halbleiterabschirmbereichs zu bestimmen. Auf einem Halbleitersubstrat der N-Art
mit einer Verunreinigungskonzentration von beispielsweise 2,5 >; 1014 Trägern pro Kubikzentimeter wurde
ein P-Bereich mit einer Oberflächenverunreinigungskonzentration von etwa I χ ΙΟ18 Trägern pro Kubikzentimeter
auf eine Tiefe von etwa 50 μπι diffundiert.
Auf einen Teil des P-Bereichs wurde ein Hrlbleiterbereich
der N-Art von etwa 25 μπι Dicke ausgebildet.
Bei einer Halbleitereinrichtung entsprechend der vorgenannten Art, wo der genannte Halbleiterbereich der N-Art nicht vorgesehen war, lag der Widerstand des Halbleiterbereichs der P-Art von 1 cm Breite und 1 cm Länge bei etlichen Ohm, wogegen, wenn dieser Halbleiterbereich in der N-Art gebildet wurde, der Widerstandswert des Halbleiterbereichs der P-Art über diesen N-Bereich auf etwa 350 Ohm stieg. Wurde der Halbleiterbereich der N-Art bis auf eine Tiefe von 30 μπι eindiffundiert, so stieg der Widerstandswert der Halbleitereinrichtung der P-Art durch diesen Bereich der N-Art auf einen Wert in der Größenordnung von 1000 Ohm.
Bei einer Halbleitereinrichtung entsprechend der vorgenannten Art, wo der genannte Halbleiterbereich der N-Art nicht vorgesehen war, lag der Widerstand des Halbleiterbereichs der P-Art von 1 cm Breite und 1 cm Länge bei etlichen Ohm, wogegen, wenn dieser Halbleiterbereich in der N-Art gebildet wurde, der Widerstandswert des Halbleiterbereichs der P-Art über diesen N-Bereich auf etwa 350 Ohm stieg. Wurde der Halbleiterbereich der N-Art bis auf eine Tiefe von 30 μπι eindiffundiert, so stieg der Widerstandswert der Halbleitereinrichtung der P-Art durch diesen Bereich der N-Art auf einen Wert in der Größenordnung von 1000 Ohm.
Claims (1)
- Patentanspruch;Zwejrichtungs-Thyristortriode mit einem Halbleiterkörper mit fünf aufeinanderfolgend angeordneten Bereichen von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, mit zwei auf sich abgewandten Oberflächen des Halbleiterkörpers angeordneten Hauptelektroden, mit einer auf einer dieser Oberflächen mit Abstand zur betreffenden Hauptelektrode angeordneten Steuerelektrode und mit einer den Steuerstromfluß hemmenden 'Einrichtung, die aus einem nur die Steuerelektrode umgebenden Oberflächen-Halbleiterbereich von einem Leitungstyp entgegengesetzt zu dem des Halbleiterbereichs besteht, in dem dieser Oberflächen-Halbleiterbereich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (497) seitlich auf der betreffenden Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht ist und daß derjenige Teil des den SteuerstrorofJuß hemmenden Oberflächen-Halbleiterbereichs, welcher räumlich zwischen der Steuerelektrode (497) und der dieser benachbarten Hauptelektrode (487) liegt, schmaler als die übrigen Teile dieses Bereichs ausgebildet ist
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