DE2507104C2 - Thyristor für hohe Frequenzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Thyristor für hohe Frequenzen mit einem aus einer Folge von wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps bestehenden Halbleiterkörper, dessen beide äußere Zonen, die Emitterzonen, stärker dotiert sind als die beiden inneren Zonen, die Basiszonen, von denen mindestens eine zwei Bereiche mit jeweils konstanter Dotierungskonzentration aufweist, wobei die Dotierungskonzentration von dem jeweiligen äußeren Zonenübergang zu dem inneren Zonenübergang hin von Bereich zu Bereich abnimmt.

Bekannte derartige Halbleiterbauelemente (Thyristoren) sind so ausgelegt, daß die Lebensdauer der Ladungsträger in den Basiszonen (r«) relativ gering gewählt wird, um dadurch die Freiwerdezeit, d. h. die Mindestzeit, die der Thyristor nach dem Abschalten des gezündeten Zustandes benötigt, um seine Sperrfähigkeit in Durchlaßrichtung wieder zu erlangen, klein zu halten (vgl. z. B. Herlet, A: Physikalische Grundlagen von Thyristoreigenschaften; in: Scientia Electrica, Vol. XII "(19^), S. 117 bis 122). Eine Verkürzung der Freiwerdezeil durch Herabsetzung der Basislebensdauer Kt aber nicht unbeschränkt möglich, weil unterhalb einer kritischen Lebensdauer für eine bestimmte Basisbreite der Diirchl;ii3-Spannungsabfall exponentiell ansteigt, und zwar näherungsweise proportional zum Ausdruck t\p(d/L).

Dabei bedeuten: c/dic Hälfte der Breite beider Basiszonen, L = ]/D ■ Γ/jdie Diffusionslänge und Odie Diffusionskonstante.

Aus der DE-PS 12 79 203 ist ein Thyristor der eingangs genannten Art bekannt mit einem Basisgebiet, bestehend aus zwei Außenschichten und einer zwischen diesen angeordneten Zentralschicht. Die Zentralschicht weist denselben Leitungstyp auf wie eine der Außenschichten und besitzt eine Dicke von 100 pm. Die Außenschichten sind 5 μπι dick. Das Produkt aus der Störstellenkonzentration und der Dicke sollte für die Zentralschicht kleiner als 10¹² Störstellenatome je Quadrat-Zentimeter sein und für die Außenschichten zwischen 2 - 10^M und 2 - I0'² Störstellenatome je Quadratzentimeter liegen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art ein verbessertes Frequenzverhalten, durch in weiten Grenzen einstelllbare Herabsetzung der Freiwerdezeit, zu erzielen, ohne die Durchlaßeigenschaften des Thyristors zu verschlechtern und ohne, daß zusätzliche Elektroden verwendet werden müssen.

Diese Aufgabe wird bei einem eingangs genannten Halbleiterbauelement durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus dem Unteranspruch.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend im Vergleich zum Stand der Technik anhand von Figuren erläutert. Es zeigt

F i g. 1 schematisch einen seitlichen Schnitt durch ein übliches Halbleiterbauelement mit einer N ⁺ PNP⁺-Zonenfolge;

F i g. 2 schematisch einen seitlichen Schnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements nach der ErfintAing;

F i g. 3a bis 3c den Verlauf der Dotierungskonzentration (Fig. 3a) sowie den Verlauf der Feldstärke £in den Basiszonen bei anliegender maximaler Sperrspannung in Rückwärtsrichtung (Fig.3b) und Kippspannung in Vorwärtsrichtung (F i g. 3c) des Halbleiterbauelementes nach Fig.2;und

Fig.4 den Feldstärkeverlauf bei einem Halbleiterbauelement mit einer zum mittleren PN-Übergang unsymmetrischen Basisdotierung; und

F i g. 5 schematisch einen seitlichen Querschnitt durch ein praktisches Ausführungsbeispie¹. des neuen Thyristors.

Fig.! zeigt ein Halbleiterbauelement, das aus einem einkristallinen Halbleiterkörper 1 mit einer N ^f PNP ⁺ -Zoncnfolge und zwei sich an diesen Körper anschließenden Kontaktelektroden A, K besteht, wobei die P⁺-Emitterzone 2 mit dem Anodenkontakt A und die N+ -Emitterzone 3 mit dem Kathodenkontakt # versehen ist. Die P-Basiszone4 ist mit einem Steuerkontakt (Gate) C versehen. Zwischen der i'-Basiszone 4 und der P⁺-Emitterzone befindet sich die N-Basiszone 5. Die so durch die aneinandcrgrcnzenden Zonen gebildeten Zonenübergänge sind von links nach rechts mit den Bezugszeichen 6,7 und 8 gekennzeichnet.

Liegt beispielsweise an dem Anodenkcntakt A ein positives und an dem Kathodenkontakt K üin negatives •55 Potential (Thyristor ist in Vorwärtsrichtung gepolt), dann wird mit dem Anlegen eines Zündimpulses an den Steuerkontakt G der Thyristor leitend und schaltet vom sperrenden in den leitenden Zustand. Dt:r Durchlaß-Strom fließt dabei von der Anode A zur Kathode K in der mit Iy gekennzeichneten Richtung. Wird nun die Polarität der im Durchlaßzustand an der Anode A und der Kathode K anliegenden Spannung umgekehrt (Thyristor ist in Rückwärtsrichtung gepolt), so werden mit der Umkehr dieser Spannung die injizicrien Ladungsträger in der Umgebung der beiden äußeren Zonenübergänge 6,8 abgesaugt und rufen den Umschaltsperrstroni /, hervor.

/Auch nachdem die beiden äußeren ZonenübereanEe

6, 8 ihren sperrenden Zustand erreicht haben — und damit die schraffiert gezeichneten Sperrschichten 9 und 10 aufgebaut sind — fließt noch der Umschaltsperrstrom l_s weiter, da in der Umgebung des mittleren Zonenüberganges 7 noch eine hohe Konzentration injizierter Ladungsträger existiert, die erst langsam durch Rekombination und Diffusion zu den Rändern der Sperrschichten 9 und 10 abgebaut wird.

Nachdem sich an den äußeren Zonenübergängen 6,8 die Sperrschichten 9, 10 ausgebildet haben, klingt die Ladungsträgerkonzentration in den Basiszonen etwa mit der Zeitkonstanten:

'L₈IlV¹

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ab, wobei mit W der kürzeste Abstand zwischen den beiden Sperrschichten 9,10 bezeichnet ist Für den Fall, daß ULb > W ist, wird r_m « WVII²D, d. h. die Freiwerdezeit wird in diesem Fall praktisch unabhängig von der Lebensdauer der Minoritätsträger und nur abhängig vom Abstand der Sperrschichten 9, ίΟ. Sofern demnach die Bindung ÜL_B > VVerfüllt ist, kann &.e Freiwerdezeit beliebig klein gemacht werden, ohne daß auch die Diffusionslänge klein zu sein braucht. Praktisch genügt es, daß das Verhältnis W/L < 1 ist

Die Wahl der Diffusionslänge Lb bestimmt den Wert der Nullkippspannung. Denn der Thyristor wird nicht erst beim Erreichen der Lawinendurchbruchspannung des mittleren Zonenüberganges 7 leitend, sondern bereits bei einer unter Umständen wesentlich geringeren Spannung. Würde nämlich der Thyristor erst bei der Lawinendurchbruchspannung des Zonenüberganges 7 leitend werden, so hätte sich die an diesem Zonenübergang 7 ausbildende Sperrschicht den beiden äußeren Zonenübergängen 6,8 bis auf einen Abstand kleiner als HL/2 genähert. Aufgrund der hohen Dotierung der Emitterzonen 2, 3 gelangen aber bereits, wenn die Sperrschicht am Übergang 7 etwa das 0,5- bis 2fache der Diffusionslänge Lb von den Zonenübergängen 6, 8 entfemi ist, genügend Ladungsträger aus diesen Zonen 2,3 in die Sperrschicht des mittleren Überganges 7. Unter Umständen kann der Thyristor dann schon bei Spannungen, die unter der Lawinendurchbruchsspannung liegen, zünden.

Bezeichnet man als Ausräumspannung U\ diejenige Spannung, die erforderlich ist, um onne Lawinendurchbruch an den äußeren Zonenübergängen 6, 8 in Rückwürtsrichtung die Sperrschichten 9,10 bis zu einem Abstand IV = 0 zu nähern, so ist bei großen Diffusionslängen Lh demnach das Verhältnis von Nullkippspannung U/zu Ausräumspannung U.\ sehr klein.

Fig. 2 stellt eine Thyristorstruktur dar. bei der das Verhältnis UyIU.\ wesentlich größer eingestellt werden kann, als dieses bei Strukturen nach F i g. 1 möglich ist.

Die beiden Basiszonen 4', 5' bestehen jeweils aus den aneinundergrenzenden Teilbereichen 11, 12 und 13, 14 mit den Dicken d\, d> und d₂', d\ {Fig. 3a). Innerhalb eines jeden Teilbereiches ist die Störst<:l!cnkonzentration etwa konstant, wobei die beiden äußeren Teilberei- t> <> ehe 11,14 und die beiden inneren Teilbereiche 12, 13 die gleiche Störstellenkonzentration aufweisen und die Störstellenkonzentration der äußeren Teilbereiche 11, 14 größer im als die der inneren Bereiche 12,13.

!11 F i g.-)a ist beispielsweise der Dotierungsverlauf ni eines Thyristors uv\ symmetrischer Struktur gemäß F i g. 2 wiedergegeben. F i g. 3b und 3c /eigen den FeId-Miirkevcrlauf in der R;i:_:is/one dieses Thyristors beim Anliegen der Ausräumspannung Ua. (F ig. 3b) bzw der Nullkippspannung i/?(F i g. 3c).

Bei der Herstellung eines solchen Bauelementes diente als Ausgangsmaterial eine PMeitende Siliziumscheibe. Auf diese Scheibe wurden dann in an sich bekannter Weise die N, N-, P-, N ⁺ -Schichten epitaktisch abgeschieden.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig.2 und 3 ist die Lebensdauer tb der Basiszonen variiert. Die Idee ist hierbei, in den beim Anlegen einer Spannung in Vorwärtsrichtung, die ungefähr der Kippspannung entspricht, sich ausbildenden neutralen Gebieten die Lebensdauer rg extrem kurz zu machen (re*), so daß die Diffusionslänge klein wird, und damit die Dicke dieser neutralen Zonen sehr klein ist. Im mittleren Teil der Basis wird dagegen die Lebensdauer Tb so groß wie möglich gemacht (tbi), so daß gleichzeitig der Durchlaßspannungsabfall gering bleibt. Dabei ist das Verhältnis TbJ reu größer als 2.

In Fig. 3c sind die verschiedenen Lebensdauergebiete eingezeichnet. Bei dem Ausführ,· .gsbeispiel beträgt die Vorwärtssperrspannung 3 kV und die Ausräumspannung nur 2,2 kV. Die Lebensdauer wurden mittels einer Golddiffusion so eingestellt, daß rs* etwa 0,1 us und tbi etwa 10 μ ist. Bei einer Dotierung der jeweils 75 μπι dicken P- und N-Gebiete 11, 14 von 1,5 ■ 10¹⁴ Ladungsträger cm-^J, sowie der etwa 100 μΐη dicken P-- bzw. N--Gebiete 12, 13 von 2 · IO¹³ Ladungsträger cm-³ und einer Basisweite von 350 um ergibt sich ein Durchlaßspannungsabfall von 1.6 V bei 200 A/cm-'.

Da in diesem Fall die Ausräumspannung geringer ist als die Nullkippspannung, kann bei einer gegenüber an dem Thyristor liegenden sinusförmigen Spannung dieser von der negativen Halbwelle automatisch ausgeräumt werden.

Die in dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 2 und 3 angegebene vollständige Symmetrie in der Dotierung braucht nicht eingehalten zu werden. Beispielsweise kann die Schicht des N"-Gebietes auch von dem P--Gebiet eingenommen werden (Fig. 4). Damit dann die maximale zulässige Feldstärke am N^P-Übergang nicht überschritten wird, kann die P-Dotierung etwas herabgesetzt werden. Entsprechend könnte dann die N-Dotierung erhöht werden.

Die Basisstruktur enthält dann nur noch drei homogen dotierte Bereiche und ist damit leichter realisierbar. Bei der Herstellung derartiger Bauelemente wurde von einer P--leitenden Siliziumscheibe ausgegangen, auf die auf der einen Seite eine P-leitende und auf der anderen Seite eine N-Ieilcnde Schicht epitaktisch abgeschieden wurde. Die N^f- und P^l-leitenden Zonen wurden anschließend durch Diffusion cr/eugt.

Thyristoren mit sehr kurzer Freiwerdezeil können besed^rs dann gut eingesetzt werden, wenn auch die Einschaltzcitcn entsprechend kurz gewählt werden können. Gate-Anordnungen, die ein schnelles Einschalten ermöglichen,sind bekannt (vgl./. B. Ärmel:Thyristoren mit innerer Ziindverstärkung, in: J. Burtscher, ti. a. (Hrsg.): Dynamische Probleme der Thyristortechnik. VDE-VerlagGmbH. Berlin 1971. S. 128-138). Bei dem neuen Halbleiterbauelement muß allerdings im Gegensatz /um normalen Thyristor /wischen Kathode und P-Basis die unter Umständen hohe Ausraumspannung aufgenommen werden. Die Stellen, an denen ein N · P-Übcrgang un die Oberfläche tritt, müssen deshalb eine entsprechende Anschrägung aufweisen mit einem sehr kleinen Winkel (z. 13. -S)

Γ ig. 5 zeigl beispielsweise einen solchen Thyristor.

Als Gateanordnung wird ein Amplifying-Gatc 15 verwendet. Die beiden an die Oberfläche tretenden N ¹P-Übcrgänge sind mit 16 und 16' bezeichnet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

IO

20

25

30

35

40

65

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   I. Thyristor für hohe Frequenzen mit einem aus einer Folge von wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps bestehenden Halbleiterkörper, dessen beide äußere Zonen, die Emitterzonen, stärker dotiert sind ais die inneren Zonen, die Basiszonen, von denen mindestens eine zwei Bereiche mit jeweils konstanter Dotierungskonzentration aufweist, wobei die Dotierungskonzentration von dem jeweiligen äußeren Zonenübergang zu dem inneren Zonenübergang hin von Bereich zu Bereich abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszonen (4', 5') zusammen drei Gebiete (I, II, HI) mit unterschiedlicher Ladungsträgerlebensdauer (?Bk, rs;) umfassen, wobei das erste (I) und das dritte (III) Gebiet an die beiden äußeren Zonenübergänge (6', 8') grenzen und die Breite dieser Gebiete (I, HI) jeweils zwischen dem 0,5- und dem 2fachen der Di'-fusionslänge L der Ladungsträger in diesen Bereichen beträgt, das zweite Gebiet (I!) den mittleren Teil der Basiszonen (4', 5') einnimmt, und das Verhältnis der Lebensdauer in dem zweiten Gebiet (r_Bi) zur Lebensdauer in dem ersten und dritten Gebiet (FBk) größer als 2 ist.
2. 2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die P-Ieitende Basiszone (4') mit einer Steuerelektrode (G) versehen ist.