DE1299766C2 - Thyristor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

10. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 9, da- Feldeffekls;

durch gekennzeichnet, daß in dem pn-Übergang (1) 60 F i g. 6 zeigt im Grundriß einen Siliziumthyristor

zwischen der mit der Steuerelektrode versehenen des in Fig. 5 dargestellten Aufbaus,

inneren Zone (2a) und der ihr benachbarten Die Funktionsweise eines als elektronischer Schalter

äußeren Zone (la) ein punktförmigcr Kurzschluß benutzten Thyristors ist aus der Zeitschrift »Proc.

(16) erzeugt ist. IRE«, Bd. 44 (1956), Nr. 9, S. 1174 bis 1182, bekannt.

11. Verfahren zum Herstellen eines Thyristors 65 Die Bezeichnung »Thyristor« wird nun für HaIbnach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekenn- leiterbauelementc, deren Wirkungsweise auf diesem zeichnet, daß nach dem Planarverfahren gleich- Prinzip beruht, verwendet. Gemäß F i g. 1 ist I_B = 0, zeitig mit der mit der Steuerelektrode (12) zu ver- wenn Ie ■·- Ic- An den pn-Übergang 2 ist eine Vor-

spannung in Sperrichtung angelegt; der durch den pn-Übergang 2 fließende Strom ist gegeben durch

Ic =

o.,ic,

wobei /co der Reststrom des in Sperrichtung betriebenen pn-Übergangs 2 ist. X₁ ist der Basisschaitung-Stromverstärkungsfaktor des npn-Teiltransistors mit den pn-Übergängen 1 und 2. a₂ ist der Rasisschaltung-Stromverstärkungsfaktor des pnp-Teiltransistors mit den pn-Übergängen 2 und 3.

Die obige Gleichung kann wie folgt umgeformt werden:

Ic =

1 -

Es ist ersichtlich, daß der Thyristor aus dem im wesentlichen nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand umschaltet, wenn (^₁ + a₂) größer als 1 ist. Der Wert von A₁ kann wesentlich vergrößert werden, wenn Basisstrom In fließt. Da A₁ durch den Basisstrom In vergrößert werden kann, ist es nicht erforderlich, daß λ₂ groß ist.

Der Stromweg zwischen den pn-Übcrgängen 2 und 3 kann nun jedoch durch Vergrößern der Breite der dazwischenliegenden inneren η-leitenden Zone vergrößert werden. Die Impedanz der Zonenanordnung wird nicht wesentlich erhöht, wenn die Breite der inneren η-leitenden Zone dadurch vergrößert wird, daß eine η-leitende Zone mit niedrigem spezifischem Widerstand, die als η'-leitende Zone bezeichnet ist, wie es in F i g. 2 dargestellt ist, eingefügt wird. Diese n⁺-Zone wird durch die nn'-Übergänge 4 und 5 begrenzt.

Da es nicht erforderlich ist, die verschiedenen Zonen in einer Reihe, wie in F i g. 2 gezeichnet, anzuordnen, können sie so angeordnet werden, daß die zusätzlich eingefügte n^f-Zone außerhalb statt innerhalb der inneren η-leitenden Zone liegt. Eine solche Zonenanordnung ist in F i g. 3 dargestellt. Der nn -Übergang 6 ersetzt also die beiden nn^! -Übergänge 4 und 5. Der durch den pn-Übergang 2 fließende Strom tritt in die innere η-leitende Zone 9 ein und hut dann zwei Wege, um den pn-Übergang 3 zu erreichen. Der erste Weg entspricht dem Stromzufluß der Zonenanordnung nach F i g. 2; der Strom fließt, wie durch den Pfeil 7 bezeichnet, durch die innere η-leitende Zone 9 und dunh die η'-leitende Zone 10, bevor er wieder in die innere η-leitende Zone 9 eintritt und durch sie wiederum hindurchgeht, um den pn-Übergang 3 zu erreichen. Der zweite Weg, der durch den Pfeil 8 bezeichnet ist, ist kurzer. Der Strom fließt vom pn-Übcrgang 2 zum pn-Übergang 3 und bleibt dabei innerhalb der inneren η-leitenden Zone 9. Das Verhältnis der Impedanzen der zwei verfügbaren Stromwege 7 und 8 hängt von dem Verhältnis der spezifischen Widerstände der zwei Zonen 9 und 10 ab.

F i g. 4 zeigt im Querschnitt die praktische Verwirklichung des in F i g. 3 schematisch dargestellten Thyristoraufbaus. FJn Siliziumplättchen 10 mit n^!-Dotierung hat eine n-!eitende Oberflächenschicht 9, die auf einer Hauptfiädie epitaktisch aufgewachsen ist. Fine doppelt diffundierte npn-Transistoranordnung wird in der Oberflächenschicht 9 nach dem Planarverfahren hergestellt. Die innere Zone la und damit der Kollektor-Hasis-pn-Übergang 2 wird dabei durch Diffusion eines Akzeptorelementes, wie beispielsweise Bor. hereestellt. und anschließend die äußere Zone 1« und damit der Emitter-Basis-pn-Übergang 1 durch Diffusion eines Donatorelementes, wie beispielsweise Phosphor. Zusätzlich wird gleichzeitig mit der Herstellung des pn-Übergangs 2 eine weitere getrennte p-leitende Zone 3a hergestellt, die durch den pn-übergang 3 begrenzt wird. Besonders geeignete spezifische Widerstände sind für das Siliziumplättchen 10 mit n⁺-Dotierung 0,01 Ohmcm und für die n-leitende epitaktische Oberflächenschicht 9 2 Ohmcm. Die Dicke der epitaktischen Oberflächenschicht 9 beträgt vorzugsweise 10 μΐη und der Abstand zwischen den pn-Übergängen 2 und dem nn^f-Übergang6 sowie zwischen dem pn-Übergang 3 und dem nn⁺-Übergang 6 vorzugsweise 5 μίτι. Der Abstand der pn-Übergänge 2 und 3 entlang der Oberfläche des Siliziumplättchens kann etwa 100 μηι oder mehr betragen. Es ist selbstverständlich, daß der Stromweg durch die n-Zone 10 der Weg niedrigster Impedanz zwischen den pn-Übergängen 2 und 3 ist und daß der größte Teil des Stromes auf diesem Wege fließen wird is. den Pfeil 7 in F i g. 3).

Durch das Einfügen eines weiteren pn-Übergangs 11 zwischen den pn-Übergängen 2 und 3 — wie in F i g. 5 dargestellt — wird eine weitere Steuerungsmöglichkeit geschaffen. Dieser pn-übergang Il grenzt mit seiner einen Seite an eine weitere p-leitende Zone ll<7 und wird durch Eindiffusion eines Akzcptorelcmentes, wie beispielsweise Bor, in das Siliziumplättchen hergestellt. Die an der p-leitenden Zone 11« angebrachte Elektrode 13 kann wie eine Steuerelektrode eines Feldeffekttransistors verwendet werden, d. h., daß eine an den pn-Übergang 11 angelegte Sperrspannung eine an beweglichen Ladungsträgern verarmte Schicht erzeugt, welche den verfügbaren Stromweg vom pn-Übergang 2 zum pn-übergang 3, durch den ein gegebener Strom fließt, einengt. In diesem Fall entspricht der tatsächliche Stromweg dem Pfeil 7 in F i g. 3.

Die Lebensdauer der Minoritätsladungsträger ist im schwach dotierten Material, aus dem die Oberflächenschicht 9 besteht, höher als im stark dotierten Materiel, aus dem das Siliziumplättchen 10 besteht.

Der Stroinverstärkungsfaktor des durch die pn-Übergänge 2 und 3 gebildeten pnp-Teiltransistors wird deshalb fast vollständig durch die von dem pn-Übergang 3 durch die Oberflächenschicht 9 hindurch zu dem pn-Übergang 2 hin wandernden Defektelektronen bestimmt. Dieser Defektelektronenstrom kann durch die Verarmungsschicht des pn-Übergangs 11 beeinflußt werden, die durch die an den pn-Übergang Il angelegte Sperrspannung hervorgerufen wird und die die gesamte Oberflächenschicht 9 durchsetzt. Ein Thyristor mit einer solchen Steuerbarkeit der Stromverstärkung kann in der bekannten Weise mit Hilfe eines der Steuerelektrode 12 zugeführten positiven Impulses eingeschaltet und durch Zuführung eines negativen Impulses an die zweite Steuerelektrode 13 abgeschaltet werden. Die Abschaltgeschwindigkeit ist bei dieser Ausbildung des Thyristors schneller als beim bekannten Thyristor. Da die zweite Steuerelektrode 13 zum Absperren des Defektelektronenstromes zwischen den pn-Übergängen 2 und 3 dient, sollte sie vorteilhaft einen oder beide dieser pn-Übergängc umgeben.

Ein Grundriß dieser Ausbildung des Thyristors ist in F i g. 6 dargestellt. Dieser Grundriß ist dem Muster der Belichtungsmaske entnommen, die bei der Herstellung benötigt wird. Die pn-Übergänge 3, 11 und 2

werden durch Diffusion von Akzeptormatcrial hergestellt und haben die Abmessungen 0,76 · 0,15 mm, 0,61 · 0,33 mm (Außenmaß) und 0,38 ■ 0,22 mm. Der pn-Übergang 11 umgibt praktisch den pn-Übergang 2, da die vierte Seite des letzteren an der Kante des Siliziumplättchens liegt, die als Rekombinationszentrum für Minoritätsladungsträger wirkt. Der pn-Übergang 1 wird durch Diffusion von Donatormaterial hergestellt und hat die Abmessungen 0,33 · 0,18 mm (Außenmaß). Die kreuzförmig schraffierten Gebiete 12,14 und 15 sind durch Metallisierung aufgebrachte Kontaktelektroden. Alle Austrittsstellen der pn-Übergänge an die freie Oberfläche der Oberflächenschicht 9 werden mit Siliziumoxyd bedeckt, wie es nach dem Planarverfahren bekannt ist. Die erläuterte Ausführungsform des Thyristors kann mit einem Durchlaßstrom von 500 mA und einer Spannung von 140 V am pn-Übergang 2 betrieben werden.

Ein kleiner »Kurzschlußpunkl«, der mit Ϊ6 in F i g. 6 bezeichnet ist, wird im pn-Übergang 1 erzeugt. Das ist ein bekanntes Verfahren zur Reduzierung der geringen Stromverstärkung des npn-Tdltransistors des Thyristors. Er wird deshalb erzeugt, um ein zufälliges Umschalten des Thyristors durch Spannungsspitzen, die an den Kontaktelektroden durch die äußere Schaltung hervorgerufen werden, zu verhindern.

ίο Thyristoren mit ähnlichen Arbeitskennlinien werden auch bei einer pnpn-Anordnung in einem p-leitendcn Halbleiterplättcheii erhalten.

Zur Herstellung eines oder aller pn-Übergänge können auch andere Diffusionsverfahren, beispielsweise Verfahren zur Herstellung von Mesa-Halbleiterbauelementen, verwendet weiden. Außer Silizium können auch Halbleitermaterialien wie halbleitende intermetallische Verbindungen verwendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

sehenen inneren Zone (lc) die dieser Zone (2a) nicht benachbarte äußere Zone (3α) des Thyristors diffundiert wird. Patentansprüche: ™ηι ^ diffundiert

1. Thyristor mit vier aufeinanderfolgenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in einem a

Halbleiterplättchen mit Kontaktelektroden an den

beiden äußeren und mit einer Steuerelektrode an
einer der beiden inneren Zonen, dadurch

gekennzeichnet, daß die beiden äußeren . . . .

Zonen (la, 3a) nebeneinander an einer Ober- » Die Erfindung betrifft einen Thyristor m,t vier auf.

flächenschicht (9) des Halbleiterplättchens (10), einanderfolgenden Zonen entgegensetzten Le,tfah_lg-

die einen höheren spezifischen Widerstand als das keitstyps in einem Halbleiterplättchen mit kontakt-

Halbleiterplättchen(lO) besitzt, und die mit der elektroden an den beiden äußeren und mit einer

Steuerelektrode (12) versehene innere Zone (2a) Steuerelektrode an einer der beiden inneren Zonen.

!wischen einer der beiden äußeren Zonen (la, 3a) 15 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen

und der Oberflächenschicht (9) angeordnet sind. Thyristor so auszubilden, daß er nach dem 2. B aus

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekenn- der Zeitschrift »Scientia Electrica«, Bd 9 (1%3), Nr. 2, zeichnet, daß der Abstand der pn-Übergänge S. 67 bis 91, bekannten Planarvcrfahren unter Aüs-(2, 3) zwischen der mit der Steuerelektrode (12) nutzung der Vorteile dieses Verfahrens herstelloar ist. versehenen inneren Zone (2a) und der ihr nicht *> Die Erfindung, die diese Aufgabe lost, oestem benachbarten äußeren Zone (3a) etwa 100 μ be- darin, daß die beiden äußeren Zonen nebeneinander _trägt. ' an einer Oberflächenschicht des Halblciterplailchens.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch die eben höheren spezifischen Widerstand a;s d^ gekennzeichnet, duß die Oberflächenschicht (9) Halbleiterplättchen besitzt, und die mit der Steuersich über die gesamte Oberflächenseite des Halb- *5 elektiode versehene innere Zone zwischen einer leiterplättchens (10) erstreckt. der beiden äußeren Zonen und der Oberflächenschicht

4. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 3, da- angeordnet sind.

durch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren Aus den ausgelegten Unterlagen des belgischen Zonen (la, 3a) und die mit der Steuerelektrode (12) Patents 6 30 858 ist zwar eine ähnliche Halbleiterversehene innere Zone in die Oberflächenschicht (9) 30 anordnung bekannt. Diese ist aber eine Festkörpereingesetzt sind. schaltung mit einem Transistor und einer Diode, die

5. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 4, da- nach dem Ersatzschaltbild über einen Widerstand :111t durch gekennzeichnet, daß zur Steuerung des einer Zone des Transistors verbunden ist und beispiels-Minoritätsladungsträgerstromes mit Hilfe des Feld- weise in Planarbauweise nach der Zeitschrift »Scientia effektes eine weitere Zone (Πα) des zu dem der 35 Elektrica«, Bd. 9 (1963), Nr. 2, S. 67 bis 91, hergestellt Oberflächenschicht (9) entgegengesetzten Leitfähig- werden kann. Im Unterschied zu einer Halbleiterankeitstyp an der Oberflächenschicht (9) zwischen Ordnung nach dem belgischen Patent besteht ein der mit der Steuerelektrode (12) versehenen inneren Thyristor aus zwei Teiltransistoren, deren Kollektor-Zone (2a) und der an diese Zone (2a) nicht an- zonen und Basiszonen zu den zwei inneren Zonen einer grenzenden äußeren Zone (3a) angeordnet ist. 40 Vierzonenfolge zusammengefaßt sind, so daß beim

6. Thyristor nach Anspruch 5, dadurch gekenn- Anlegen einer Spannung, bei der der mittlere pn-Überzeichnet, daß die zusätzliche Zone (Ha) minde- gang sperrt, die beiden äußeren Zonen als Emitter stens eine der beiden benachbarten Zonen (la, 3a) wirken und Minoritätsladungsträger in die Raumvom gleichen Leitfähigkeitstyp umgibt. ladungszone des mittleren pn-Obcrgangs injizieren.

7. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 6, da- 45 Lin Siliziumthyristor nach der Erfindung wird nun durch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines an Hand der Zeichnungen näher erläutert.
Halbleiterplättchens (10) aus Silizium die Ober- F i g. 1 stellt schematisch den Aufbau des bekannten fläche mindestens teilweise mit Hilfe von Silizium- Thyristors und seine bekannte Schaltung in einem dioxyd geschützt ist. elektrischen Stromkreis dar;

8. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 7, da- 50 F i g. 2 zeigt in schematischer Form eine Abwanddurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des lung der Zonenanordnung nach F i g. 1;
Halbleiterplättchens (10) auf einer Unterlage die F i g. 3 zeigt schematisch den Aufbau des Thy-Kontaktelektroden (12 bis 15) so angebracht sind. ristors nach der Erfindung;

daß sie über die Oberfläche des Halbleiterplätt- F i g. 4 stellt im Querschnitt einen Siliziumthyristor

chens (10) hinausragen. 55 entsprechend dem Aufbau nach F i g. 3 dar, und

9. Thyristor nach den Ansprüchen 1 bis 8, da- F i g. 5 zeigt den Querschnitt eines Sili/iumdurch gekennzeichnet, daß die Metallkontakt- thyristors, wie er in F i g. 4 dargestellt ist, jedoch mit elektroden (12 bis 15) teilweise aus Lot bestehen. einer Weiterbildung zur Steuerbarkeit mit Hilfe des