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DE2329398C3 - In Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement - Google Patents

In Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement

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DE2329398C3
DE2329398C3 DE2329398A DE2329398A DE2329398C3 DE 2329398 C3 DE2329398 C3 DE 2329398C3 DE 2329398 A DE2329398 A DE 2329398A DE 2329398 A DE2329398 A DE 2329398A DE 2329398 C3 DE2329398 C3 DE 2329398C3
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DE
Germany
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thyristor
unit
diode
electrode
layer
Prior art date
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Application number
DE2329398A
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English (en)
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DE2329398A1 (de
DE2329398B2 (de
Inventor
Josuke Sanda Hyogo Nakata (Japan)
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.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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 Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
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Publication of DE2329398B2 publication Critical patent/DE2329398B2/de
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Description

zugleich weitgehend die Vorteile von in Rückwärtsrichtung leitenden Thyristorbauelementen herkömmlichen Aufbaas mit kurzgeschlossenem Emitter beibehalten werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Thyristorbauelement der eingangs beschriebenen Ar» erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Elektrodenteil auf der Thyristoreinheit und ein Elektrodenteil auf der Diodeneinheit vorgesehen sind, wobei beide Elektrodsnteile voneinander beabstandet sind und gemeinsam die zweite Hauptelektrode bilden, daß zwischen der Thyristoreinheit und der Diodeneinheit eine Nut vorgesehen ist, die den in der Dicdeneinheit enthaltenen pn-Obergang von dem in der Thyristoreinheit enthaltenen mittleren pn-Obergang trennt und daß der is Elektrodenteil auf der Thyristoreinheit Fenster aufweist, in denen die Enden von sich durch die benachbarte Emitterschicht erstreckenden Teilen der an diese Emitterschicht angrenzenden Basisschicht freiliegen.
Mit dem erfindungsgemäß aufgebauten Thyristorbauelement wird eine Verringerung der Sperrspannung in Vorwärtsrichtung infolge der Kommutierung des Laststromes sicher vermieden. Das Thyristorbauelement hält hohen Werten von Einschaltstromänderungen und Einschaltstromstößen stand und weist bei höheren Temperaturen nur eine geringe Abnahme der Sperrspannung in Vorwärtsrichtung auf. Weiter kann mit dem erfindungsgemäßen Thyristorbauelement die Sperrspannung in Vorwärtsrichtung bei Verringerung des Spannungsabfalls in Vorwärtsrichtung vergrößert werden. Die Thyristorbauelemente sind einfach für hohe Durchbruchspannungen und Ströme herzustellen.
Zweckmäßige Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen 2 bis 6 hervor.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden im Vergleich zum Stande der Technik näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 ein gemäß bekannten Prinzipien aufgebautes, in Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement in einer teilweisen Perspektivansicht und zum Teil im Schnitt,
Fig.2 als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein in Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement in einer ieilweisen Perspektivansicht und zum Teil im Schnitt,
F i g. 3 einen Bereich des in F i g. 2 dargestellten Bauelements in einer vergrößerten Perspektivansicht >o und zum Teil im Schnitt und
F i g. 4 eine ähnliche Ansicht wie F i g. 2 einer anderen Ausführungsform der Erfindung.
In F i g. 1 ist ein in Rückwärts- oder Sperrichtung leitendes Thyristorbauelement oder eine Thyristorein- 5Λ> richtung herkömmlichen Aufbaus gezeigt und generell mit IQQ bezeichnet. Diese Thyristoreinrichtung enthält eine Siliciumscheibe, die generell mit 1£ bezeichnet ist. Die Siliciumscheibe IQ enthält eine Basisschicht 12 vom η-Typ, eine auf einer Oberfläche, in diesem Fall der t>o unteren Oberfläche, bei Betrachtung der F i g. 1 der Basisschicht 12 des η-Typs liegende Basisschicht 14 vom η+ -Typ und eine Basisschicht 16 vom ρ+-Typ, die auf der anderen bzw. oberen Fläche der Basisschicht 12 zur Bildung eines pn-Übergangs 18 zwischen den betreffen- t>"> den Schichten vorgesehen ist. Die Basisschicht 14 vom η+-Typ weist auf ihrem mittleren Teil einen mittleren Aiiöuen-Erfiitter-Bereieh vom ρ *-Typ in Form einer Scheibe und eine Vielzahl, in diesem Fall zwei ringförmige Anoden-Emitter-Bereiche vom ρ+-Typ auf, die den mittleren Emitterbereich konzentrisch umgeben. Diese Anoden-Emitter-ßereiche sind mit 20 bezeichnet; sie bilden individuelle pn-Übergänge 22 zwischen sich und der Basisschicht 14 vom n+-Typ; die freiliegende Oberfläche der betreffenden Bereiche ist von den freiliegenden Oberflächenbereichen der Basisschicht 14 umgeben. In entsprechander Weise weist die Basisschicht 16 vom ρ+-Typ in ihrem mittleren Bereich eine Vielzahl, die im vorliegenden Fall drei beträgt, von Kathoden-Emitter-Bereichen 24 des ρ+-Typs in der Form von konzentrischen Ringen auf, wodurch zwischen den betreffenden Bereichen individuelle pa-Übergänge 26 gebildet sind. Die Emitterbereiche 24 sind mit ihren freiliegenden Oberflächen von freiliegenden Oberflächenteilen der Basisschicht 16 des ρ+-Typs umgeben.
Zwei Hauptelektroden befinden sich in ohmschem Kontakt mit den gegenüberliegenden Hauptseiten der Siliciumscheibe IQ. Dabei ist insbesondere eine Anodenelektrode 28 in ohmschem Kontakt mit der Basisschicht 14 des n+-Typs und den Anoden-Emitter-Bereichen 20 des ρ+-Typs, um die pn-Übergänge 22 zwischen den Anoden-Emitter-Bereichen 20 und der Basisschicht 14 teilweise kurzzuschließen; demgegenüber ist eine eine Mittelöffnung aufweisende Kathodenelektrode 30 in ohmschem Kontakt mit der Basisschicht 16 des ρ+-Typs und den Kathoden-Emitter-Bereichen 24 des n+-Typs, um die pn-Übergänge 26 teilweise kurzzuschließen. In der Mittelöffnung der Kathodenelektrode 30 befindet sich eine Steuerelektrode 32, die in ohmschem Kontakt mit der Basisschicht 16 des ρ+-Typs ist
Es dürfte somit ersichtlich sein, daß bei der Anordnung gemäß F i g. 1 in ihrem mit A bezeichneten mittleren Bereich eine Thyristoreinheit gebildet ist, die einen Vier-Schichten-Aufbau und einen Kurzschluß-Emitter-Aufbau besitzt, wobei an dem Randbereich dieser Einheit eine Diodeneinheit mit einem pn-Übergang vorgesehen ist, der aus der Verlängerung des pn-Übergangs 18 zwischen den Basisschichten 12 und 16 gebildet ist. Die Thyristoreinheit und die Diodeneinheit sind generell mit 50 bzw.6j) bezeichnet.
Das in F i g. 1 dargestellte, in Sperrichtung leitende Thyristorbauelement IQQ. spricht auf eine mit einer solchen Polarität ihr zugeführten Hauptspannung an, daß die Anodenelektrode 28 auf einem höheren Potential liegt als die Kathodenelektrode 30, wobei zwei Zustände möglich sind, bei deren einem der resultierende Hauptstrom gesperrt und bei deren anderem ein Stromfluß ermöglicht ist. Demgemäß wird das Thyristorbauelement gemäß F i g. 1 als Schaltereinrichtung verwendet.
Wird demgegenüber eine Spannung mit einer Polarität, die entgegengesetzt ist zu der gerade erwähnten Polarität, an das Thyristorbauelement 100 angelegt, so ist der pn-Übergang 18 in Durchlaßrichtung vorgespannt, wodurch ein hoher Durchlaßstrom sowohl durch die Diodeneinheit 60 als auch durch die Thyristoreinheit 50 fließen kann.
Somit könnte ein einziges Thyristorbauelement, wie es in F i g. 1 gezeigt ist, eingesetzt werden für eine Kombination eines gesonderten Thyristors und einer diesem parallelgeschalteten Diode mii entgegengesetzter Leitfähigkeitsrichtung. Die Anwendung derartiger ir. Rückwärtsrichtung leitender Thyristoreinrichtungen in Wechselrichtern und/oder Zerhackerschaltungen ist
aiii uic Beseitigung VOu
nachteiligen Auswirkungen, die aus der Streuinduktivität und dgl. auf Grund der Verdrahtung resultieren.
Das in F i g. 1 dargestellte Thyristorbauelement weist jedoch mehrere Nachteile auf. So kann z. B. das Vorwärts-Sperr-Verniögen mit Fließen eines hohen Stromes durch die Diodeneinheit 60 und den Emitter-Kiii zschlußteil der Basisschicht sowohl auf der Anodenseite als auch auf der Kathodenseite der Thyristoreinheit 50 aus folgenden Gründen verloren gehen: Das Fließen eines hohen Stromes durch die Diodeneinheit und jene Emitter-Kurzschlußbereiche bewirkt eine übermäßige Ansammlung der Ladungsträger sowohl in der Basisschicht 16 des ρ •■-Typs als auch in der Basisschicht 12 des η-Typs, und sodann werden die angesammelten Träger seitlich durch die Basisschichten 16,12 und 14 der Thyristoreinheit 50 bewegt. Wird unter diesen Umständen eine an das Thynstorbauelement 100 angelegte Spannung plötzlich in ihrer Polarität umgekehrt, so kann die Thyristoreinheit 50 einen Durchbruch bei einer niedrigen Spannung erfahren, und zwar auf Grund des Einflusses der zuvor erwähnten seitlichen Bewegung bzw. Verschiebung der Ladungsträger. Dies führt zu dem Verlust des Vorwärts-Sperr-Vermögens. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bisher die Praxis gewesen, den die Diodeneinheit durchfließenden Strom auf einer gewissen Höhe zu begrenzen oder die Änderungsgeschwindigkeit des Diodenstromes (— d/7d t) abzusenken. Daher sind bisher mit dem Aufbau und der Herstellung von in Sperrichtung leitenden Thyristoren verschiedene Schwierigkeiten verbunden gewesen. Um z. B. die Diffusion der Minoritätsträger von der Diodeneinheit zu der Thyristoreinheit zu unterbrechen, wurde die Thyristoreinheit 50 mit einer Zwischenzone versehen, in welche eine große Menge eines die Rekombination der Ladungsträger bewirkenden Mittels, wie Gold, diffundiert ist Auf diese Weise wird verhindert, daß übermäßig viele Träger in die Thyristoreinheit 50 fließen. Im Unterschied dazu kann derjenige Teil der Hauptelektrode, der mit der Diodeneinheit in ohmschem Kontakt ist, von dem ohmschen Kontakt mit der Thyristoreinheit getrennt werden, um eine Zwischenzone zu bilden. In diesem Fall geht dann die Verhinderung eines derartigen Fließens übermäßig vieler Ladungsträger auf den Widerstandseffekt zurück, der durch die Halbleiterschichten auf Grund dieser Zwischenzone ausgeübt wird. Der Vorgang des selektiven Diffundierens eines die Rekombination der Ladungsträger fördernden Mittels in die Zwischenzone allein bringt nun nicht nur komplizierte Verfahrensschritte mit sich, sondern hierdurch sind insbesondere Befürchtungen hinsichtlich eines Anstiegs des Durchlaßspannungsabfalls hervorgerufen. Bei jeder der oben beschriebenen Maßnahmen ist es praktisch kaum möglich gewesen, die Auswirkung von in der Thyristoreinheit 50 gebildeten kleinen Diodenbereichen zu vermeiden, d. h. die Auswirkungen der Dioden, die durch Kurzschließen der Emitter-Grenzschichten auf den Anoden- und Kathodenseiten der Thyristoreinheit gebildet sind.
Die in Rückwärtsrichtung leitenden Thyristorbauelemente des herkömmlichen Aufbaus zeigen ein bedeutsames Problem hinsichtlich des Kurzschließer ihrer Emitter-Grenzschichten. Bei höheren Temperaturen oder bei höheren Anstiegsgeschwindigkeiten der Durchlaßspannung dient die kurzgeschlossene Emitteranordnung dazu, die Ausschaltzeit zu verkürzen, wodurch das Vorwärts-Sperr-Vermögen vergrößert wird. Hierbei ist jedoch von Nachteil, daß die
ίο
Emitterfunktion behindert ist, da nämlich der Emitterbereich mit der benachbarten Basisschicht auf der Oberfläche ihrer Grenzschicht durch die zugehörige Elektrode kurzgeschlossen ist. Insbesondere bei einem in den leitenden Zustand geführten Thynstorbauelement nimmt die Hauptelektrode die in der Basisschicht zu sammelnden überschüssigen Ladungsträger in der Nähe des Emitterkurzschlußbereiches auf. Dies führt zu einer Absenkung der Ladungsträgerkonzentration, die für die Ausbreitung des Einschaltplasmas erforderlich ist. Demgemäß wird die maximale Anstiegsgeschwindigkeit eines Laststromes d/7df, dem Thyristoren zu widerstehen vermögen, ungünstig beeinflußt
Der Kurzschluß der Emittergrenzschicht bewirkt ferner eine Verringerung einer an die Grenzschicht angelegten Spannung, wobei insbesondere bei hohen Stromwerten, wie bei Stromstößen, der Durchlaßspannungsabfall an den Thyristoren im Vergleich zu jenen Thyristoren hoch wird, deren Emittergrenzschicht nicht kurzgeschlossen ist. Diese Nachteile sind bei in Rückwärtsrichtung leitenden Thyristoren, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist, beachtlich gewesen, bei denen die Emitterübergänge auf der jeweiligen Anoden- und Kathodenseite kurzgeschlossen sind.
Im folgenden ist auf F i g. 2 Bezug genommen, in der entsprechende Bezugszeichen mit einem nachfolgenden Buchstaben »a« verwendet sind, um in F i g. 1 vorgesehenen Teilen entsprechende Teile zu bezeichnen. Dabei ist in F i g. 2 die eine Hälfte eines als erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellten, in Sperrichtung leitenden Thyristorbauelements mit kreisförmigem Querschnitt gezeigt, wobei das betreffende Thyristorbauelement längs einer diametral verlaufenden Ebene axial geteilt ist. Die dargestellte Anordnung weist ein kreisförmiges Plättchen aus Silicium auf, und zwar enthaltend eine Substratschicht des p-Typs, die eine Basisschicht 12a des p-Typs bildet, eine Basisschicht 14a des η+ -Typs auf der einen Oberfläche (bei Betrachtung der F i g. 2 auf der unteren Oberfläche) der Basisschicht 12a des p-Typs, und zwar zwecks Bildung eines pn-Übergangs 18a zwischen den betreffenden Schichten, und eine auf der anderen bzw. oberen Fläche der Basisschicht 12a des p-Typs befindliche Basisschicht 16a des ρ+ -Typs. Die Basisschicht 14a des η+ -Typs ist dadurch gebildet daß ein η-Leitfähigkeit verursachender Fremdstoff in hoher Konzentration von der einen (unteren) Oberfläche der betreffenden Halbleiterscheibe 10a eingebracht wird. Demgegenüber wird die Basisschicht 16a des p+-Typs dadurch gebildet, daß eine p-Leitfähigkeit verursachender Fremdstoff in hoher Konzentration von der anderen (oberen) Seite der Halbleiterscheibe eingebracht wird.
Sodann wird eine selektive Diffusionstechnik angewandt, um einen Fremdstoff des p-Typs in die Basisschicht des η+-Typs in dem mittleren Teil des relativ großen Bereiches in hoher Konzentration einzubringen, um dadurch eine Anoden-Emitter-Schicht 20a des ρ+-Typs in Form einer Scheibe zu bilden, die eine bestimmte Anzahl von kleinen »Fenstern« 34 enthält, die von dem Material der Basisschicht 16a des ρ+-Typs eingenommen werden, und zwar nach erfolgter Ausdehnung durch die Emitterschicht 20a hindurch, wobei die Fenster 34 in bestimmten, nahezu gleichen Winkelabständen und äquidistant von der Mittelachse der Halbleiterscheibe 10a entfernt angeordnet sind.
Zwischen der Basisschicht 14a des η+-Typs und der Emitterschicht 20a des ρ+-Typs ist ein pn-übergang 22a gebildet In entsprechender Weise wird ein Fremdstoff
des η-Typs in hoher Konzentration in die Basisschicht 16a des p+-Typs, um eine Kathoden-Emitter-Schicht 24a des η+ -Typs in der Γοπη eines kreisförmigen konzentrischen Ringes in der Halbleiterscheibe zu bilden sowie ein kleines »Fenster« 36, welches in axialer Richtung zu den Fenstern 34 auf der Basisschicht 20a des η+ -Typs jeweils ausgerichtet ist. Das Material der Basisschicht 16a des p+-Typs ist durch Fenster 36 freigelegt, die in der Kathoden-Emitter-Schicht 24a gebildet sind. Zwischen der Basisschicht 16a des p+-Typs und der Kathoden-Emitter-Schicht 24a des η + -Typs ist ein pn-übergang 26a gebildet.
Die drei pn-Übergänge 18a, 22a und 26a bilden einen mittleren pn-übergang, an den eine Vorwärts-Sperrspannung angelegt wird, einen Anoden-Emitter-Übergang bzw. einen Kathoden-Emitter-Übergang. Der Übergang 18a kann zuweilen als »Zwischenübergang« bezeichnet werden.
Die Emitterschicht 20a des η+ -Typs und die Basisschicht 14a des η+ -Typs weisen sehr hohe Fremdstoff- bzw. Fremdatomkonzentrationen auf der Oberfläche auf. Die Werte der betreffenden Fremdatomkonzentrationen liegen vorzugsweise in der Größenordnung von 1 · 1020 bzw. 5 ■ IO19 Atomen pro Kubikzentimeter. In entsprechender Weise weisen der Emitterbereich 24a des η+ -Typs und die Basisschicht 16a des ρ+-Typs eine Fremdatomkonzentration von etwa 5 ■ 1020 bzw. 5 ■ 1019 Atomen pro Kubikzentimeter auf. Jene stark dotierten Schichten weisen dabei Fremdatomkonzentrationen auf, die von maximalen Werten auf den Oberflächen der betreffenden Schichten aus mit zunehmender Tiefe abnehmen. Somit bilden in den Fenstern 34 auf der Basisschicht 14a des η+ -Typs vorgesehene Bereiche des Anoden-Emitter-Übergangs und jene Bereiche des Kathoden-Emitter-Übergangs, die in den Fenstern 36 auf der Basisschicht 16a des ρ+-Typs liegen, entartete pn-Übergänge, die Nebenschlußwege bezüglich der Emitterübergänge bereitstellen, durch die ein Tunnelstrom oder ein Rekombinationsstrom bei niedrigen Spannungen fließen kann.
Wie in F i g. 2 dargestellt, weist die Halbleiterscheibe IQa eine metallische Tragscheibe 40 auf, die an der Unterseite der Halbleiterscheibe über eine Schicht 28a aus irgendeinem geeigneten Hartlötmaterial befestigt ist. Die betreffende Schicht 28a weist eine Vielzahl von kreisförmigen öffnungen auf, deren jede zu einem anderen Fenster der Fenster 34 in der Basisschicht 14a des η + -Typs ausgerichtet ist Die betreffenden öffnungen besitzen dabei einen etwas größeren Durchmesser als die Fenster. Somit kann derjenige Teil der Anoden-Emitter-Schicht 20a, der neben dem jeweiligen Fenster 34 liegt, und derjenige Teil der Basisschicht 14a des η+ -Typs, der in dem Fenster 34 liegt, durch die zugehörige öffnung der Hartlötschicht 28 gewissermaßen »betrachtet« werden. Die Hartlötschicht 28 dient als Anodenelektrode. Die Tragscheibe 40 besteht vorzugsweise aus Molybdän; sie erstreckt sich auf der Unterseite der Halbleiterscheibe IQa.
Mit der Kathoden-Emitter-Schicht 24a des η+-Typs ist eine metallische Kathodenelektrode 30a in Form eines Kreisringes in ohmschem Kontakt; diese Elektrode 30a ist mit kreisförmigen öffnungen versehen, die zu den Fenstern 36 der Basisschicht 16a des p+-Typs ausgerichtet sind und die einen etwas größeren Durchmesser als diese Fenster besitzen. Ferner ist eine kleine metallische Steuerelektrode 32a in einer kreisförmigen Mittelöffnung der Kathodenelektrode 30a vorgesehen, wobei diese Steuerelektrode 32a einen Durchmesser besitzt, der etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Ringes 30a. Die Steuerelektrode befindet sich dabei mit der Basisschicht 16a des ρ+-Typs in ohmschem Kontakt.
Der unterhalb der Kathodenelektrode 30a liegende Teil des Wafers 10a bildet eine Thyristoreinheit 5Qa mit einer Anodenelektrode 28a und einer Kathodenelektrode 30a.
Mit dem Umfangskantenteil der Basisschicht 16a des ρ+-Typs befindet sich eine ringförmige metallische Elektrode 38 in ohmschem Kontakt, und zwar derart, daß sie von dem Außenumfang der Kathodenelektrode 30a um eine bestimmte Strecke in Abstand angeordnet ist. Der unterhalb der ringförmigen Elektrode 38 liegende Umfangskantenteil der Halbleiterscheibe 10a bildet eine Diodeneinheit 60a mit den Elektroden 38 und 28a.
Die Kathodenelektrode 30a und die Diodenelektrode 38 sind zu einem einzigen Kathodenanschluß zusammengefaßt, und zwar durch Verwendung einer externen Leitung. Die betreffende Verbindung kann dabei z. B. dadurch hergestellt sein, daß ein von den beiden Elektroden berührter gemeinsamer Leiter vorgesehen ist. Der somit gebildete Kathodenanschluß und die Tragscheibe 40 werden sodann in einen Hauptstromkreis eingeschaltet, während zwischen der Steuerelektrode 32a und dem Kathodenanschluß eine Tastschaltung angeschlossen wird.
F i g. 3 zeigt in einem vergrößerten Maßstab eines der Fenster 36 auf der Basisschicht 16a des ρ + -Typs. Ferner ist ein Stromweg /1 verdeutlicht, längs dessen ein Tunnel- oder Rekombinationsstrom durch den Oberflächenbereich des Kathoden-Emitter-Übergangs 26a in dem betreffenden Fenster 36 fließt. Wenn der Strom /1 ansteigt, steigt auch der Spannungsabfall an dem unterhalb des Fensters 36 sich erstreckenden Nebenschlußweg an, was dazu führt, daß ein Diffusionsstrom Id ansteigt, der von der Basisschicht 16a des ρ+-Typs durch das Innere des Kathoden-Emitter-Übergangs 26a fließt. Nachdem der Diffusionsstrom Id auf eine gewisse Höhe angestiegen ist, werden Elektronen von der Kathoden-Emitter-Schicht 24a in die Basisschichten 16a und 12a injiziert, was zum Einschalten der Thyristoreinheit 50a führt. Die kreisförmige Kante des Kathoden-Emitter-Übergangs 26a, der dem Fenster 36 gegenüber frei liegt, kann vorzugsweise einen Widerstand in der Größenordnung von 20 Ohm pro Längeneinheit des betreffenden pn-Übergangs aufweisen. Der Durchmesser, die Anzahl oder Dichte sowie das Verteilungsmuster der Fenster und damit der Öffnungen auf der Elektrode sollten durch den Vorwärts-Sperrspannungswert dv/df und die Schaltcharakteristik festgelegt werden, die für den bestimmten Thyristor gefordert sind. Obwohl die Kathodenelektrode 30a in F i g. 2 als acht öffnungen enthaltende Elektrode dargestellt ist, die in weitgehend gleichen Winkelabständen auf einem Kreis angeordnet sind, dürfte somit einzusehen sein, daß die Anzahl und Anordnung jener öffnungen und damit der Fenster 36 von den in F i g. 1 dargestellten Verhältnissen ausgehend verändert sein können.
Da der Widerstand des oben beschriebenen Nebenschlußweges einen negativen Temperaturkoeffizienten bezüglich seines Widerstands innerhalb eines Arbeitstemperaturbereichs besitzt, neigt dieser Nebenschlußweg dazu, mit zunehmender Temperatur seinen Widerstand zu verringern. Dies führt zu einem charakteristischen Merkmal, nämlich dazu, daß ein Kippstrom bei höheren Temperaturen ansteigt
Die Hartlötschicht 28a, durch die die Tragplatte 40 an der Halbleiterscheibe 10a fest angebracht ist, wird dabei durch die Anoden-Emitter-Schicht 20a des ρ+-Typs berührt, wobei zwischen dieser Schicht und der Hartlötschicht ein niedriger Widerstand gebildet ist. Auf s Grund der über den Fenstern 34 auf der Basisschicht 14a befindlichen öffnungen der Hartlötschicht 28a wird die Hartiötschicht 28a jedoch nicht unmittelbar von der Basisschicht 14a des η+-Typs berührt. Die ringförmige Kathodenelektrode 30a wird ferner von der Emitterschicht 24a des η+-Typs berührt, wobei zwischen der betreffenden Elektrode 30a und dem genannten Bereich ein niedriger Widerstand gebildet ist. Die ringförmige Kathodenelektrode 30a wird jedoch nicht von der Basisschicht 16a des ρ+-Typs direkt berührt. Demge- is maß ist die Hartlötschicht 28a an und neben den Fenstern 34 mit der Basisschicht 14a des η+ -Typs elektrisch verbunden, und zwar über Widerstände, die durch die betreffenden Nebenschluß wege dargestellt sind. Dies trifft auch für den Fall der Kathodenelektrode 30a zu.
Wie in F i g. 2 dargestellt, ist bei der Thyristoreinheit 50a zu dem Mittelteil der Oberfläche auf der Kathodenseite oder auf der oberen Oberfläche bei Betrachtung der F i g. 2 ein mittlerer, einen Steuerbereich bildender Teil der Basisschicht 16a des ρ+-Typs freigelegt. Die Steuerelektrode 32a befindet sich sodann in ohmschem Kontakt mit diesem mittleren Teil der Basisschicht 16a des ρ+-Typs. Bezüglich eines Teils des Kathoden-Emitter-Übergangs 26a, der aus jenen Teilen der Basisschicht 16a des ρ+ -Typs und der Kathoden-Emitter-Schicht 24a des η+-Typs gebildet ist, die dem Steuerbereich gegenüber frei liegen, ist ein höherer Widerstand erforderlich als bezüglich des in den jeweiligen Fenstern 36 an die Oberfläche tretenden pn-Übergangs 26a. Zu diesem Zweck ist die Oberflächenschicht hoher Fremdatomkonzentration nahe dem Oberflächenteil des nächstliegenden pn-Übergangs 26a beseitigt, wie durch Wegätzen der zuletzt genannten Fläche. Auf diese Weise wird wirksam verhindert, daß *o ein für eine Steuerelektrodenzündung erforderlicher Strom unnötig höher wird.
Wie in F i g. 2 gezeigt, ist die Thyristoreinheit 50a von der Diodeneinheit 60a über eine ringförmige Nut 70 umgeben, die einen V-förmigen Querschnitt besitzt und *5 die mit irgendeinem geeigneten elektrischen Isolationsmaterial 72, wie Glas, ausgefüllt ist Die ringförmige V-Nut 70 verläuft mit ihrer öffnung weitgehend in der gleichen Ebene, in der der ringförmige Zwischenraum zwischen der kreisförmigen Kathodenelektrode 30a und der ringförmigen Elektrode 38 liegt Die Nut 70 endet innerhalb der Ar oden-Emitter-Schicht 20a auf deren äußerem Umfangsteil. Die betreffende Nut 70 dient dazu, den pn-übergang 18a in einen pn-übergang für die Thyristoreinheit 50a und in einen pn-übergang für die Diodeneinheit 60a aufzuteilen. In entsprechender Weise sind jene Teile der n+-, p- und p+-Schichten 14a, 12a bzw. 16a, die in der Diodeneinheit 60a vorgesehen sind, von den entsprechenden Schichten in der Thyristoreinheit 5Qa durch die V-förmige Nut 70 getrennt Die V-förmige Nut 70 dient dabei gleichzeitig dazu, die Thyristoreinheit 50a. zu der Kathodenelektrode 30a zu verjüngen. Dies bedeutet, daß der Umfang der Thyristoreinheit 50a durch eine nach oben und nach innen geneigte Wandfläche 74 der V-förmigen Nut 70 derart begrenzt ist, daß die Querschnittsflächen der betreffenden Thyristoreinheit zu der Kathodenelektrode 30a hin allmählich abnimmt Die andere Wandfläche 78 der Nut 70 dient dazu, den Querschnittsbereich der Diodeneinheit 6Qa von der Tragplatte 40 aus zu der oberen ringförmigen Elektrode 38 hin mit der am Anfang geneigten Fläche 80 der Halbleiterscheibe 10a allmählich zu verringern.
Auf Grund der Tatsache, daß die Kanten der pn-Übergänge 18a im Dioden- und Thyristorbereich zu der geneigten Oberfläche 74, 78 und 80 hin freigelegt sind, ist die Stärke des elektrischen Feldes auf der Oberfläche neben der freigelegten Kante des pn-Übergangs geringer als die Feldstärke in dem Bereich unterhalb der betreffenden Oberfläche. Dies dürfte ohne weiteres einzusehen sein auf Grund des Umstandes, daß die Schicht 14a auf der einen Seite des pn-Übergangs 18a eine höhere Fremdntomkonzentration besitzt, wodurch ihr spezifischer Widerstand in der Querschnittsfläche größer ist als in der Schicht 12a auf der anderen Seite des pn-Übcrgangs, der eine geringere Fremdatomkonzentration und damit einen geringeren spezifischen Widerstand besitzt. Mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß die betreffenden Fremdatomkonzentrationen so festgelegt worden sind, daß ein positiver Kegel erreicht wird.
Die obenerwähnte ringförmige Nut 70 kann dadurch gebildet sein, daß zunächst das zwischen uer Thyristoreinheit 50a und der Diodeneinheit 60a vorgesehene Material der Haibieiit. scheibe IQa entsprechend einer V-Form, wie y~ aus Fig. 2 hervorgeht, durch Sandstrahlen beseitigt wird. Sodann wird die so gebildete Oberfläche der V-förmigen Nut 70 geätzt, wie durch die herkömmliche Oberflächenbehandlung von pn-Übergängen. Danach wird die Nut 70 mit einem elektrischen Isolationsmaterial 72 ausgefüllt.
Es hat sich gezeigt, daß als derartiges Material vorzugsweise Glas verwendet wird, obwohl auch irgendein anderes elektrisches Isolationsmaterial verwendet werden kann. Wird Glas verwendet, so wird ein Glaspulver in die ringförmige Nut 70 eingefüllt und auf eine oberhalb der Erweichungstemperatur des betreffenden Glases liegende Temperatur erhitzt. Nach erfolgler Abkühlung ist das Glas an dem Halbleitermaterial der beiden Einheiten angeschmolzen. Diese Maßnahme ist wirksam hinsichtlich der Beibehaltung der Oberfläche neben der freigelegten Kante des pn-Übergangs sowie hinsichtlich der Isolation von der umgebenden Luft.
Es sei bemerkt daß die geneigte Oberfläche 80 der Diodeneinheit 60a in derselben Weise bearbeitet wird wie die ringförmige Nut 70, und zwar zum Zwecke des Schutzes der betreffenden Oberfläche 80 vor der Atmosphäre. Es ist aber auch möglich, hierfür einen elektrischen Isolationsüberzug zu verwenden, der jedoch in F i g. 2 nicht gezeigt ist
Es dürfte einzusehen sein, daß es bezüglich der ringförmigen N Jt 70 mit dem V-förmigen Querschnitt nicht erf order'ich ist daß diese Nut eine solche hinreichende Tiefe besitzt, daß sie die Halbleiterscheibe IQa in die Thyristoreinheit 50a und die Diodeneinheit 60a aufteilt Es hat sich nämlich gezeigt, daß es genügt wenn die Nut die mittlere Schicht 12a hohen spezifischen Widerstands aufteilt, so daß die Thyristoreinheit 50a und die Diodeneinheit 60a ihre eigenen, voneinander getrennten Teile der betreffenden Schicht enthalten. In dem zuletzt genannten Fall sind gegenseitige Störungen der Thyristoreinheit und der Diodeneinheit ziemlich gebessert, und zwar in einem solchen Ausmaß, daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst werden kann.
Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen sei bemerkt, daß die Thyristoreinheit 50a und die Diodeneinheit 60a an der Träger-Molybdänplatte 40 durch die Hartlötschicht 28a fest angebracht sind und daß die betreffenden Einheiten durch das Isolationsmaierial 72 fest miteinander verbunden sind, welches die zwischen ihnen gebildete ringförmige Nut 70 mit dem V-förmigen Querschnitt ausfüllt. Die betreffenden Einheiten sind dabei weitgehend elektrisch voneinander isoliert. Die in der Thyristoreinheit und der Diodeneinheit jeweils enthaltenen Halbleiterschichien sind zunächst durchgehende Schichten im Hinblick auf die in der jeweils anderen Einheit enthaltenen Schichten; sie werden von den jev/eils anderen Schichten durc*· •-'ie ringfo-mige Nut 70 mi' dem V-förmigen Querschnitt getrennt.
Das in F i g. 2 dargestellte Thyristorbauelement wird dadurch hergestellt, daß als Ausgangsmaterial ein Silirium-Plätuhen dci p-Typs verwendet wird, daß in der Halbleiterscheibe durch Anwendung eines bekannten Diffusionsverfahrens die Basisschicht 14a des η+ -Typs und die Basisschicht 16a des ρ V-Typs gebildet werden und daß auf beiden Oberflächen der Halbleiterscheibe durch Anwendung von ebenfalls bekannten selektiven Diffusionstechniken die Emitterbereiche 20a und 24a gebildet werden. Die obenerwähnten Fenster 34 und 36 werden auf beiden Seiten der Halbleiterscheibe 10a gebildet
Die so hergestellte Halbleiterscheibe 10a wird dann an der Träger-Molybdänplatte 40 durch die Hartlötschicht 28a befestigt Die Nut 70 wird in der Halbleiterscheibe, z. B. durch Sandstrahlen, gebildet. Nach der bekannten Oberflächenbehandlung wird die Nut 70 mit einem elektrischen Isolationsmaterial 72, wie Glas, gefüllt Die Anordnung wird dann vervollständigt, indem die Elektroden 30a, 32a und 38 an die Oberfläche der Halbleiterscheibe gegenüber der Trägerplatte 40 angebracht werden.
In Fig.4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt Dabei sind zur Bezeichnung von mit in Fig.2 dargestellten Teilen übereinstimmenden Teilen die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 2, wobei jedoch anstelle des der jeweiligen Zahl nachfolgenden Buchstabens »a« hier der Buchstabe »b« verwendet ist Bei der dargestellten Anordnung wird die Trägerschicht 12b des n-Typs enthaltende Halbleiterscheibe 106 auf einer Seite der Basisschicht 166 des p+-Typs auf der Träger-Molybdänplatte 40 abgestützt, die in der Form eines kreisförmigen Ringes vorliegt, und zwar über eine Hartlötschicht 286. Die Steuerelektrode 326 ist dabei in der Mitte in ohmschen Kontakt mit der Basisschicht 166 des P+-Typs; sie befindet sich innerhalb der Mittelöffnung der ringförmigen Trägerplatte 40. Somit dient die Trägerplatte 40 als Kathodenelektrode, während die mit der Basisschicht 146 des n+-Typs in ohmschem Kontakt befindliche kreisförmige Elektrode 30a als Anodenelektrode dient. Die Diodenelektrode 38 befindet sich im Gegensatz zu dem in Fig.2 dargestellte^ Thyristorbauelement in ohmsdiem Kontakt mit der Basisschicht 146 des n+-Typs anstelle der Basisschicht 166 des ρ < -Typs. In anderer Hinsicht stimmt die Anordnung
ίο weitgehend mit der in Fig.2 dargestellten Anordnung überein.
Die in F i g. 4 dargestellte Anordnung wird dadurch hergestellt, daß das oben in Yr'-bindung mit Fig.2 beschriebene Verfahren wiederholt wird; eine Ausnahme hiervon bildet jedoch der Umstand, daß eine Halbleiterscheibe des η-Typs als Ausgangsmaterial verwendet wird.
Um ähnliche Wirkungen hervorzubringen wie jene, die die bekannten Kurzschluß-Emitter-Anordnungen mit sich bringen, ohne aber eine solche Anordnung zu verwenden, sind auf den Anoden- und die Kathoden-Emitter-Schichten in F i g. 2 und 4 Fenster vorgesehen, in denen das Material der benachbarten Basisschicht freigelegt ist, ohne daß jedoch herkömmliche Emitterkurzschlüsse durch Elektroden angewandt werden. Sofern erwünscht, kann eine der Anoden- und Kathoden-Emitter-Schichten derartige Fenster enthalten.
Bei der in Fig.2 und 4 jeweils dargestellten
Anordnung ist der mittlere pn-übergang in der Thyristoreinheit kein zu dem pn-Übergang in der Diodeneinheit durchgehender pn-Übergang, und außerdem sind die Basisschichten der Thyristoreinheit von den entsprechenden Schichten der Diodeneinheit unterbrochen, und zwar mittels der ringförmigen Nut 70. Der Emitterbereich auf der jeweiligen Anoden- und Kathodenseite innerhalb der Thyristoreinheit ist jedoch nicht mit der zugehörigen Basisschicht über die Hauptelektrode direkt kurzgeschlossen. Auf die Umkehr der Vorspannung der Thyristoreinheit hin wird somit ein in Vorwärtsrichtung durch den mittleren pn-Übergang 18a oder 186 fließender Strom veranlaßt, in Rückwärtsrichtung durch die Emitterübergänge zu fließen, wodurch eine Begrenzung durch deren Impedanz erfolgt Damit wird der Durchlaßstrom sehr niedrig, so daß die Ansammlung der Ladungsträger verringert wird. Bei der vorliegenden Einrichtung tritt keine Bewegung der Träger zwischen der Diodeneinheit und der Thyristoreinheit auf, die zu der Diodeneinheit mit entgegengesetzter Polarität parallel geschaltet ist Dies stellt sicher, daß die vorliegende Einrichtung nicht bei der Kommutierung ausfällt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. In Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement mit einem einzigen Tragteil, welches eine Hauptelektrode von zwei Hauptelektroden bildet, mit einem auf dem Tragteil angeordneten Plättchen aus Halbleitermaterial mit einem ersten Halbleiterbereich, welcher vier Halbleiterschichten wechselnden Leitungstyps zur Bildung einer Thyristoreinheit enthält, während unmittelbar neben dem ersten Halbleiterbereich auf dem Tragteil und parallel zu diesem ein zweiter Halbleiterbereich vorgesehen ist, welcher zwei Halbleiterschichten unterschiedlichen Leitungstyps zur Bildung einer Diodeneinheit enthält, wobei Thyristoreinheit und Diodeneinheit 'S antiparallel zueinander geschaltet sind, und die zweite Hauptelektrode auf der dem Tragteil gegenüberliegenden Fläche des Plättchens vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Elektrodenteil (30a, 30b) auf der Thyristoreinheit (50a. 50b) und ein Elektrodenteil (38) auf der Diodeneinheit (60a, 60b) vorgesehen sind, wobei beide Elektrodenteile (30a, 306; 38) voneinander beabstandet sind und gemeinsam die zweite Hauptelektrode bilden, daß zwischen der Thyristoreinheit (50a, 50b) und der Diodeneinheit (60s, 60b) eine Nut (70, 72) vorgesehen ist, die den in der Diodeneinheit (60a 6Ob) enthaltenen pn-übergang von dem in der Thyristoreinheit (50a, SOb) enthaltenen mittleren pn-übergang (18a,) trennt und daß der Elektrodenteil (30a, 30b) auf der Thyristoreinheit (50a. 50b) Fenster (34,36) aufweist, in denen die Enden von sich durch die benachbarte Emitterschicht (24a, 20b) erstreckenden Teilen der an diese Emitterschicht (24a, 206,) angrenzenden Basisschicht (16a, 14ö^ freiliegen.
2. Thyristorbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang der Diodeneinheit (60a, 60b) und der mittlere pn-übergang der Thyristoreinheit (50a, 50b) zwischen einer einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand aufweisenden Schicht (12a, \2b)\ind einer dem Tragteil (40) näherliegenden Schicht (14a, i6b) entgegengesetzten Leitungstyps und niedrigeren spezifischen Widerstandes gebildet wird und daß die Randflächen 4^ der Nut (70, 72) eine derartige Abschrägung aufweisen, daß die Querschnitte der Halbleiterschichten in einer von dem Tragteil (40) wegführenden Richtung abnehmen.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodeneinheit (60a. 60Zi) die Thyristoreinheit (50a, 50b) über eine ringförmige Nut (70) umgibt.
4. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (70) mit einem 5I> elektrischen Isolationsmaterial (72) gefüllt ist.
5. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeicnnet, daß die Nut (70) mit einem elektrisch isolierenden Glas (72) gefüllt ist.
6. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekenn- bl) zeichnet, daß der Elektrodenteil (30a, 30b) auf der Thyristoreinheit (50_a, 5Qh)die Form einer Platte hat, und daß der andere Elektrodenteil (38) auf der Diodeneinheit (60a. 60b) ringförmig ist und den Elektrodenteil (30a, 30b) auf der Thyristoreinheit hr> (5Qa, 50J^ unter Freilassung eines Isolationsabstands umgibt.
Die Erfindung bezieht sich auf ein in Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement mit einem einzigen Tragteil, welches eine Hauptelektrode von zwei Hauptelektroden bildet, mit einem auf dem Tragteil angeordneten Plättchen aus Halbleitermaterial mit einem ersten Halbleiterbereich, welcher vier Halbleiterschichten wechselnden Leitungstyps zur Bildung einer Thyristoreinheit enthält, während unmittelbar neben dem ersten Halbleiterbereich auf dem Tragteil und parallel zu diesem ein zweiter Halbleiterbereich vorgesehen ist, welcher zwei Halbleiterschichten unterschiedlichen Leitungstyps zur Bildung einer Diodeneinheit enthält, wobei Thyristoreinheit und Diodeneinheit antiparallel zueinander geschaltet sind, und die zweite Hauptelektrode auf der dem Tragteil gegenüberliegenden Fläche des Plättchens vorgesehen ist.
Ein derartiges Thyristorbauelement ist beispielsweise durch die DE-OS 17 64 791 bekanntgeworden. Das dort gezeigte Thyristorbauelement hat einen Thyristorteil mit pnpn-Vierschichtaufbau und einen Diodenteil mit pnn+-Dreischichtaufbau in Antiparallelschaltung innerhalb eines gemeinsamen Plättchens aus halbleitendem Material, wobei der Diodenteil den Thyristorteil umgibt Die beiden Hauptelektroden sind auf gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterplättchens angeordnet
Durch die Zeitschrift »Proceedings IRE«, Bd. 48 (I960), Nr. 11 (Nov.), Seiten 1833 bis 1841, ist ein gemeinsames Substrat aus Halbleitermaterial bekanntgeworden, in welchem ein pnpn-Schalter und eine pnp-Kapazitätsdiode ausgebildet ist. Die Kapazitätsdiode enthält einen pn-übergang, welcher eine Kapazität bildet und von dem Zwischen-pn-Übergang in dem pnpn-Schalter durch eine Nut getrennt ist Der Zweck dieser Nut besteht darin, einen Kondensator parallel, jedoch getrennt von dem Zwischen-pn-Übergang im Thyristorteil auszubilden und hierdurch einen Oszillator aufzubauen. Der Kondensatorteil hat einen dreischichtigen pnp-Aufbau, und der Zusammenhang zwischen einer Spannung über dem Diodenteil und einem Strom hierdurch ist grundsätzlich verschieden von demjenigen für einen dreischichtigen pnn + - oder npp+-Aufbau. Weiter hat der pnpn-Schalter keine Steuerelektrode.
Durch die US-PS 26 63 830 ist eine Halbleiterbaueinheit mit Nut bekanntgeworden, welche jedoch keine pnpn-Thyristoreinheit und keine pnn + - oder npp+-Diodeneinheit ist. Der Zweck der Nut testeht darin, einen Transistor in eine Vielzahl von Transistorteilen zu trennen und hierdurch einen Darlington-Transistor herzustellen.
Schließlich ist durch die DE-AS 15 39 630 ein Halbleiterelement mit einer Diode und einem Thyristor in Reihenschaltung mit einer positiven Abschrägung betreffend der Zwischen-pn-Übergänge in der Diode und dem Thyristor bekanntgeworden.
Ein weiteres bekanntes Thyristorbauelement besteht aus einer von einer Diodeneinheit in einer einzigen Halbleiterscheibe umgebenen Thyristoreinheit, wobei zwei Elektroden in ohmschem Kontakt mit den gegenüberliegenden, beiden Einheiten gemeinsamen Seiten der Halbleiterscheibe angeordnet sind. Dieses bekannte Thyristorbauelement ist im Zusammenhang mit F i g. 1 näher beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in Rückwärtsrichtung leitendes Thyristorbauelement zu schaffen, das einen vergrößerten Stoßstrom-Grenzwert besitzt, bei dem Störungen zwischen der Diodeneinheit und der Thyristoreinheit vermieden sind, und bei dem
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