DE2164644C3 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter - Google Patents

Description

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, vgLDE-PSll 56 510.

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 ein Thyristor in Durchlaßrichtung mit einer ansteigenden Spannung beaufschlagt, so kann in Abhängigkeit von Steilheit und Höhe derselben bereits vor Erreichen der sogenannten Kippspannung die Durchzündung, 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 statischen Sperrstrom fließenden Verschiebungsstrom in einer zum Durchschalten des Thyristors ausreichenden Höhe zur Folge haben kann. Ein solches unkontrolliertes Durchzünden bei steil ansteigender Spannung in Durchlaßrichtung wäre demnach durch entsprechende Reduzierung dieses Verschiebungsstromes zu verhindern.

Diesbezüglich wurde bereits 1959 von R. W. A1 d r i c h und N. H ο I ο π y a k jr, eine Vierschichtenfolge mit sogenanntem »shorted-emitter« (Kurzschlußemitter) vorgeschlagen (Journal of Applied Physics, Vol. 30, Nr. 11, November 1959, Seite 1819 bis 1824). Dabei verläuft die auf der Emitter-Oberfläche vorgesehene metallische, zur Kontaktierung derselben d^:?nende

ίο 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 aus der p-Zone zum Emitter abfließenden Majoritätsladungsträger direkt zum Kathodenanschluß abgesaugt wird und nicht mehr zur Injektion von Minoritätsladungsträgern aus der Emitterzone in die angrenzende p-Zone und damit zu einem unei-wünschten Durchschalten 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 Kurzschlußemitter 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

J5 und an dieser direkt mit dem als Kontaktelektrode dienenden metallischen Überzug verbunden ist (DE-PS 11 56 510). Die weiterhin als Kurzschlußemitter-Fläche bezeichnete, durch Anzahl und jeweiligen Querschnitt dieser Kanäle bestimmte, gesamte Querschnittsfläche vermindert jedoch die Fläche der Emitterzone und damit die beim Einsatz geforderte Strombelastbarkeit und ist demzufolge durch diese Betriebskenngröße der Bauelemente beschränkt Es hat sich außerdem gezeigt, daß die du/dt-Werte nicht in gleicher Weise zunehmen, wenn die Kurzschlußemitter-Fläche vergrößert wird. Als Erklärung dafür wird angenommen, daß die aus der p-Zone in Richtung der Emitterzone abfließenden Majoritätsladungsträger nicht in gewünschter Weise durch die Kanäle der bekannten Struktur zur Kontakten elektrode gelangen, weil jeder dieser Kanäle mit seinem im Vergleich zur umgebenden Emitterfläche kleinen Querschnitt den Einzugsbereich zum Ansaugen der Ladungsträger bestimmt Weiterhin scheint mit zunehmender Kurzschlußemitter-Fläche auch ein Einfluß der zwischen der Emitterzone und den Kanälen der p-Zone liegenden pn-Übergangsflächen zu bestehen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift 15 39 982 ist ein Zweiweg-Halbleiterschalter bekannt bei dem mit einer Steuerelektrode beide Halbwellen eines an die Hauptelektroden angelegten Laststromes gesteuert werden können. Der Nachteil dieser Schalter, daß das Durchschalten in jeder der beiden Stromflußrichtungen mit gleichem Steuerstrom und gleicher Steuerspannung Schwierigkeiten bereitet, soll dadurch vermieden

f>^r> werden, daß jede der Hauptelektroden der zwei Thyristoren in räumlich und elektrisch entgegengesetzter Anordnung aufweisenden Struktur die zugeordnete Emitterzone und angrenzende Basiszone unter Bildung

eines KurzschluQemitters gemeinsam kontaktiert, daß die gemeinsame Steuerelektrode eine zusätzliche, in die Basiszone eingelassene Steuerzone und die Basiszone gemeinsam komaktiert, und daß Steuerelektrode und benachbarte Hauptelektrode, die einen größeren Teil 5 einer kammartigen Hauptemitterzone berührt, in gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnet sind. Die Optimierung der Kenngröße du/dt ist mit diesen Maßnahmen nicht erzielbar.

Weiter ist in der älteren deutschen Anmeldung ,0 P 20 56 8063 ein bistabiles Halbleiterbauelement mit mindestens drei Zonenübergängen beschrieben. Es lag die Erkenntnis zugrunde, daß die Kurzschlußemitter-Bereiche bei bekannten Bauformen von Thyristoren die von der Steuerelektrode ausgehende Ausbreitungsfront des Durchzündens unterbrechen, umlenken oder aufspalten, und daß dadurch die kritische Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt in unerwünschter Weise verringert wird.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist eine Struktur offenbart, bei welcher die Kurzschlußemitter-Bereiche als schmale Streifen ausgebildet und derart angeordnet sind, daß ihre Längsseiten im wesentlichen parallel zu der durch die geometrische Form und Anordnung von Steuerelektrode und benachbarter Hauptelektrode bestimmte Ausbreitungsrichtung des Durchzündens verlaufen. Maßnahmen zu einer wesentlichen Verbesserung von du/dt sind jedoch der älteren Anmeldung nicht zu entnehmen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, bei jo steuerbaren Halbleitergleichrichtern mit Kurzschlußemitter die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit ohne Beeinträchtigung charakteristischer Durchlaßeigenschaften wesentlich zu verbessern.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß zum Durchgriff a der Innenzone durch die Emitterzone bis zum leitfähigen Überzug eine aus mehreren, zu einer zusammenhängenden geometrischen Figur verbundenen, stegförmigen Abschnitten bestehende Aussparung in der Emitterzone vorgesehen ist, und daß das Verhältnis der am leitfähigen Überzug anliegenden Fläche der Aussparung zur Fläche der Emitterzone 0,02 bis 0,05 beträgt

Thyristoren mit einer solchen Struktur sind ohne Gefahr unerwünschter vorzeitiger Durchzündung bei 4^r> höheren Betriebstemperaturen und/fxier bei Blockierspannur.gen höherer Steilheit anwendbar und zeigen zusätzlich auf Grund der Geometrie des Kurzschlußemitters auch ein günstigeres Zündverhalten als Ausführungsformen mit bekannter Kurzschlußemitter- v) Struktur.

Anhand der F i g. 1 und 2 wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. In F i g. 1 ist in Draufsicht und in Fig.2 im Schnitt längs der Linie I-11 gemäß F i g. 1 eine Thyrisiorstruktur ohne Kontaktelektrode π am Emitter dargestellt. Für gleiche Teile sind in beiden Figuren gleiche Bezeichnungen gewählt.

Ein beispielsweise pnp-Schichtenfolge aufweisender, üblicherweise scheibenförmiger Halbleiterkörper ist an seiner einen p-Zonc mit einer hochdotierten ρ+-leitenden Schicht und in seiner gegenüberliegenden äußeren p-Zone 1 mit einer aus mehreren streifenförmigen Anteilen 2 bestehenden n⁺-leitenden Emitterzone versehen. Diese Anteile sind jeweils durch schmale stegförmige Abschnitte 4 der p-Zone 1 voneinander f>^r> 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, so daß 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 Gesamtfläche der durch die Emitterzone durchgreifenden Abschnitte 4 im Vergleich zur Emitterfläche bestimmt Der gegenseitige Abstand der Abschnitte 4 richtet sich nach der gewünschten Ausbildung des Kurzschlußemitters und dessen Flächenverhältnis zur Emitterfläche (0,02 bis 0,05).

Beispielsweise wurden bei einer Fläche der Emitterzone mit 20,5 mm Durchmesser und mit einem kammförmigen Kurzschlußemitter, dessen Streifenbreite 40 μίτΐ und dessen Streifenabstand 1,2 mm betrug, woraus sich ein Flächenverhältnis zur Emitterfläche von 0,032 ergab, du/dt-Werte von 1100 V/usec. 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 0,035 du/dt-Werte von nur etwa 700 V/usec. Dem Flächenverhältnis von 0,02 bis 0,05 entspricht ein gegenseitiger Abstand der stegförmigen Abschnitte 4 von etwa 3 mm.

Anstatt kammförmig gemäß der Darstellung in F i g. 1 kann der Kurzschlußemitter auch mäander-, rasterode r sternförmig ausgebildet sein oder die Form eines Ringes mit nach innen verlaufenden Strahlen aufweisen.

Zur Herstellung steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einem derartigen Kurzschlußemitter wird die gewünschte Form des Kurzschlußemitters 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 streifenförmigen Oxidschichtteile bilden die Maskierung für den nachfolgenden Diffusionsprozeß und sind so bemessen, daß die jeweils zwischenliegend eii'idiffundierten hochdotierten Emitter-Teil-Zonen aufgrund von Eindringtiefe und Diffusionsprofil durch Abschnitte 4 des Kurzschlußemiiters 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

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 Oberzug verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zum Durchgriff der Innenzone (1) durch die Emitterzone (2) bis zum leitfähigen Oberzug eine aus mehreren, zu einer zusammenhängenden geometrischen Figur verbundenen, stegförmigen Abschnitten (4) bestehende Aussparung in der Emitterzone vorgesehen ist, und daß das Verhältnis der am leitfähigen Oberzug anliegenden Fläche der Aussparung zur Fläche der Emitterzone 0,02 bis 0,05 beträgt

2. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Durchgriff der Innenzone vorgesehene Aussparung kammförmig, rasterförmig oder mäanderförmig ausgebildet ist

3. 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