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Thyristor
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein solcher Thyristor ist beispielsweise in dem Buch von R. Müller
Bauelemente der Halbleiter-Elektronik", Springer-Verlag, Berlin 1973, auf den Seiten
158 bis 166 beschrieben.
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Bei den bekannten Thyristoren dieser Art steht die Steuerelektrode
mit einem der beiden weiteren Halbleitergebiete unmittelbar in Kontakt. Dabei ergibt
sich ein solch niedriger Eingangswiderstand an der Steuerelektrode, daß über diese
Steuerströme von 10 mA oder mehr zugeführt werden müssen, um eine Zündung des Thyristors
zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Thyristoren der eingangs
genannten Art so zu verbessern, daß sie mit
möglichst niedrigen
Steuerleistungen gezündet werden kö#nnen. Dies wird gemäß der Erfindung durch die
im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Maßnahmen erreicht.
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Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin,
daß sich ein einfach aufgebautes, in einfacher Weise in eine Halbleiterschicht integrierbares
Bauelement ergibt, das mit besonders niedrigen Steuerleistungen gezündet wird und
auf einer kleinen Halbleiterfläche plaziert werden kann.
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Aus der Zeitschrift "Electronic design" vom 15.2.78, (Band 4), Seiten
32 ff ist eine Funf-Schichten-Triac-Struktur bekannt, die aus zwei in eine Halbleiterschicht
integrierten DMOS-Transistoren mit einem gemeinsamen Draingebiet aufgebaut ist.
Die diffundierten Kanalzonen beider Transistoren sind mit Gateoxidbereichen abgedeckt,
über denen ein gemeinsames Kontrollgate plaziert ist. Während das gemeinsame Draingebiet
keinen äußeren Anschluß aufweist, sind das Sourcegebiet und die diffundierte Kanalzone
des einen Transistors jeweils mit einem Kathodenanschluß, das Sourcegebiet und die
diffundierte Kanalzone des anderen Thyristors jeweils mit einem Anodenanschluß versehen.
Bei einer Ansteuerung des Triac über das isoliert angeordnete gemeinsame Kontrollgate
ist nur- eine Steuerleistung von wenigen pW erforderlich.
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Es handelt sich jedoch bei dieser Struktur um ein mit einer komplizierten
Ansteuerung versehenes, aus mehreren Bauelementen funktionell integriertes Gebilde,
das mit einem Thyristor nach der Erfindung nicht vergleichbar ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt: Fig. 1 die schematische Darstellung eines n-Kanal-Thyristors nach der
Erfindung, Fig. 2 die schematische Darstellung eines p-Kanal-Thyristors nach der
Erfindung, Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Thyristors nach Fig. 1, und
Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Thyristors nach Fig. 1.
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In Fig. 1 ist eine Vier-Schichten-Halbleiterstruktur dargestellt,
deren einzelne Schichten 1 bis 4 jeweils aus p+-, n-, p- und n+- dotiertem Halbleitermaterial,
z.B. Silizium, bestehen. Das Gebiet 1 ist mit einer ersten endseitigen Elektrode
versehen, das Gebiet 4 mit einer zweiten endseitigen Elektrode, wobei diese jeweils
mit dem Anoden- und Kathodenanschluß A und K des Thyristors verbunden sind. Das
p-dotierte Gebiet 3 ist mit einer dünnen Isolierschicht 5, z.B. aus SiO2, bedeckt,
auf der ein aus einer elektrisch leitenden Beschichtung gebildetes und mit einem
Steueranschluß G verbundenes Gate 6 angeordnet ist. Das Gate 6 kann entweder aus
Metall, z.B. Al, bestehen oder aus hochdotiertem, polykristallinen Silizium.
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An die Anschlüsse A und K ist ein Stromkreis 7 geschaltet, der eine
Spannungsquelle 8 und einen Lastwiderstand 9 enthält. Dabei ist der positive Pol
der Spannungsquelle 8 mit dem Anodenanschluß A verbunden. Ein an den Kathodenanschluß
K und den St eueran schluß G G angeschlossener Steuerstromkreis 10 weist eine Steuerspannungsquelle
11 und einen Umschalter 12 auf.
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Wenn die von 11 erzeugte, positive, oberhalb des Wertes
der
Einsatz spannung liegende Steuerspannung über den Umschalter 12 in seiner nicht
gezeichneten Schaltstellung an den Anschluß G gelegt wird, so entsteht in dem Gebiet
3 eine Raumladungszone 12, innerhalb welcher sich an der Grenzfläche zur Isolierschicht
5 eine Inversionsrand -schicht 13 bildet. Nach dem Aufbau dieser einen n-leitenden
Kanal zwischen den Gebieten 2 und 4 darstellenden Inversionsrandschicht zündet der
Thyristor und der zwischen den Anschlüssen A und K fließende Strom schließt den
Stromkreis 7. Beim Umlegen des Umschalters 12 in seine gezeichnete Schaltstellung
bleibt dieser Strom bestehen.
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Erst wenn der Strom einen relativ kleinen Haltewert unterschreitet,
wird der Thyristor blockiert und der Stromkreis 7 unterbrochen. Die vorstehend beschriebene
Zündung des Thyristors erfolgt nach dem Prinzip der Anreicherung (enhancement) der
Randzone des Gebietes 3 mit negativen beweglichen Ladungsträgern.
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Falls die Isolierschicht 5 im Bereich ihrer Grenzfläche gegenüber
dem Gebiet 3 positive Grenzflächenladungen aufweist, entstehen die Raumladungszone
12 und die Inversionsrandschicht 13 in der gezeichneten Stellung des Umschalters
12, in der G auf dem Potential von K liegt.
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Führt man unter Umpolung der gezeichneten Spannungsquelle 11 eine
negative Steuerspannung über den Umschalter 12 in seiner nicht gezeichneten Schaltstellung
dem Steueranschluß G zu, so wird die Wirkung der Grenzflächenladungen aufgehoben
und der Aufbau der Raumladungszone 12 und der Inversionsrandschicht 13 verhindert,
so daß der Thyristor nicht zünden kann. Erst wenn der Umschalter 12 umgeschaltet
wird und die Steuerspannung von G abschaltet, tritt die Zündung ein. Hierbei kann
man von einer Zündung nach dem Prinzip der Ladungsträgerverarmung (depletion) sprechen,
bei dem die Ladungsträgerdichte einer ohne angelegte Steuerspannung bestehenden
Inversionsrandschicht durch das Anschalten der Steuerspannung stark verringert wird.
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Während es sich bei Fig. 1 um einen n-Kanal-Thyristor handelt, zeigt
Fig. 2 eine p-Kanal-Ausführung. Dabei ist das Gate 6 auf einer dünnen Isolierschicht
angeordnet, die die Oberfläche des n-dotierten Gebietes 2 bedeckt. Der Thyristor
zündet bei Zuführung einer negativen, von der Spannungsquelle 11 erzeugten Steuerspannung
über den Schalter 12 nach dem bereits beschriebenen Anreicherungs(enhancement)-Prinzip,
wobei sich eine aus positiven Ladungsträgern bestehende Inversionsrandschicht 13
bildet. Bestehen negative Grenzflächenladungen in der Isolierschicht 5, so kann
andererseits eine hierdurch hervorgerufene Inversionsrandschicht 13 durch Zuführen
einer positiven Steuerspannung über den Schalter 12 am Entstehen gehindert werden,
so daß erst dann, wenn der Schalter 12 umschaltet und die Steuerspannung abschaltet,
der Aufbau der Inversionsrandschicht 13 vollzogen und der Zündvorgang eingeleitet
wird. Bei einem solchen Zündvorgang wird dann wieder von dem Prinzip der Ladungsträgerverarmung(depletion)
Gebrauch gemacht.
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In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Thyristors nach
Fig. 1 dargestellt. Zur Herstellung derselben wird in einer n-dotierten Halbleiterschicht
14 das p-dotierte Gebiet 15 und innerhalb dieses Gebietes das n+-dotierte Gebiet
16 erzeugt, was in jeweils getrennten Dotierungsschritten geschieht, insbesondere
mittels zweier aufeinanderfolgender Diffusionsvorgänge.
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Dabei ist das Gebiet 16 an allen nicht zugleich die Oberfläche der
Halbleiterschicht 14 darstellenden Teilen seiner Begrenzungsfläche von dem Gebiet
15 umgeben.
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Ein dritter Dotierungsschritt ergibt dann das p+ -dotierte Gebiet
17, dessen Begrenzungsfläche gegenüber der Halbleiterschicht 14 einen pn-Übergang
bildet. Eine die Halbleiterschicht-14 bedeckende Isolierschicht 18
wird
oberhalb des Gebietes 15 mit einer Öffnung versehen, die dann mit einer dünnen,
die Gateisolierung darstellenden Isolierschicht 19 wieder abgedeckt wird.
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Sodann werden weitere Öffnungen;20 und 21 in der Isolierschicht 18
vorgesehen, die oberhalb der Gebiete 16 und 17 liegen. Mittels fotolithographischer
Schritte werden leitende Belegungen 22 bis 24 erzeugt, von denen die Belegungen
?2 und 24 jeweils die Gebiete 17 und 16 kontaktieren und mit den Anschlüssen A und
K leitend verbunden werden, während die Belegung 23 ein durch die Gateisolation
19 von dem Halbleitergebiet 15 getrenntes Gate darstellt und an den Anschluß G geführt
wird.
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Somit entsprechen die Halbleitergebiete 17, 14, 15 und 16 jeweils
den Gebieten 1, 2, 3 und 4 von Fig.1. Als mögliche Dotierungswerte können für die
Schicht 14 und die Gebiete 15, 16 und 17 jeweils Stö.rstellen#onzentrationen von
1014cm#3, 1015cm#3, 1O16cm#3 und 10 cm angegeben werden.
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Falls eine Isolation des Thyristors nach Fig. 3 gegenüber anderen
auf demselben chip angeordneten Bauelementen erforderlich ist, kann so vorgegangen
werden, daß die Halbleiterschicht 14 als eine n-leitende Epitaxialschicht ausgebildet
wird, die auf einem p-leitenden Halbleitersubstrat 25 aufgewachsen ist. Dazu kommt
dann noch eine ebenfalls p-dotierte randseitige Zone 26, die sich von der Oberfläche
der Halbleiterschicht 14 bis zur Grenzfläche gegenüber dem Substrat 25 erstreckt.
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Andererseits kann der Thyristor auch mittels einer an sich bekannten
randseitigen Oxidisolation funktionell von anderen Bauelementen getrennt werden.
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Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform des Thyristors nach Fig.
1, bei der von einer n-dotierten Halbleiterschicht 27 ausgegangen wird, in~der ein
p-dotiertes
Gebiet 28 vorgesehen ist. Innerhalb dieses Gebietes
28 wird dann wieder ein n-dotiertes Gebiet 29 erzeugt, in dem schließlich ein p+-dotiertes
Gebiet 30 vorgesehen ist. Dabei ist das Gebiet 30 an allen Teilen seiner Grenzfläche,
die nicht zugleich Teile der Oberfläche der Halbleiterschicht 27 darstellen, von
dem Gebiet 29 umgeben. Das Gebiet 29 ist an allen Teilen seiner Grenzfläche, die
nicht zugleich Teile der Oberfläche der Halbleiterschicht 27 darstellen oder zur
Abgrenzung gegenüber dem Gebiet 30 dien sohn dem Gebiet 28 umgeben. Die Gebiete
28 bis 30 werden mittels getrennter Dotierungsschritte erzeugt, insbesondere durch
Diffusionsvorgange. In einer die Halbleiterschicht 27 abdeckenden Isolierschicht
31 wird dann oberhalb des Gebietes 28 eine Öffnung vorgesehen, die durch eine dünne
Isolierschicht geschlossen wird. Letztere stellt dann eine Gateisolation 32 dar.
Weitere Öffnungen 33, 34 werden oberhä#des Gebietes 30 und über einem außerhalb
des Gebietes 28 liegenden Teilbereich der Halbleiterschicht 27 vorgesehen. Leitende
Belegungen 35 bis 37 werden dann in den Öffnungen 34 und 35 und oberhalb der Gateisolation
32 plaziert und jeweils mit den Anschlüssen A, G und K verbunden. Als mögliche Dotierungswerte
können für die Schicht 27 und die Gebiete 28, 29 und 30 jeweils Störstellenkonzentrationen
von 1014cm 3, 1015cm 3, 1016cm 3 und 1017cm 3angegeben werden.
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Es ist zweckmäßig, einen die Belegung 37kontaktierenden Teilbereich
der Halbleiterschicht 27 als eine ntdotierte Anschlußzone 38 auszubilden. Weiterhin
kann der unterhalb der gestrichelten Linie 39 liegende Teil der Schicht 27n+-dotiert
sein, um den Bahnwiderstand des Thyristors zu verkleinern. Eine gute pn-Isolation
wird wieder durch die Teile 25 und 26 erreicht, die bereits
anhand
der Fig. 3 beschrieben worden sind.
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Bei einer Realisierung des p-Kanal-Thyristors nach Fig. 2 kann von
den in den Fig. 3 und 4 gezeigten Strukturen ausgegangen werden. In Fig. 3 wird
dann von einer p-dotierten Halbleiterschicht 14 ausgegangen, wobei sich die Dotierungen
der Gebiete 15 bis 17 umkehren und die Bezeichnungen der Anschlüsse A und K miteinander
vertauscht werden. In Fig. 4 sind die Halbleiterschicht 27 dann p-dotiert, die Gebiete
28, 29 und 30 und 38 jeweils n-, p-, n+- und p+-dotiert und die Bezeichnungen der
Anschlüsse A und K miteinander vertauscht.
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8 Patentansprüche 4 Figuren