SE450069B - Grindstyrda diodstromstellaranordningar - Google Patents

Description

20 25 3D (JJ än 40 450 069 typen av ledningsförmåga. Mellan de första anod- och katodområdena och de andra anod? och katoderna finns ett styrelektrodområde av den motsatta typen av ledningsförmåga, vilket styrområde, verkar för att elektriskt separera det första-anodområdet samt katodområdena från det andra anodområdet och katodområdena samt' för att åstadkomma korrekt drift. Alla anod* och katodområden' > är skilda genom delar av halvledarkroppens huvudmassa och alla har låg resístivitet jämfört med halvledarkroppens huvudmassa.

För drift, som är att föredraga, är en första elektrod kopplad till det första anodområdet samt till det andra katod- omrâdet; en andra elektrod är kopplad till det andra anodområdet samt till det första katodområdet; och en tredje elektrod är kopplad till styrelektrodområdet. Halvledarkroppen har en övre yta, som är en del av en övre huvudyta hos halvledarsubstra- _tet,och en undre huvudyta. Styrelektrodområdet kan valfritt 'utsträckas så att det passerar mellan båda grupperna av anod- och katodområden på den övre huvudytan eller på den undre huvud- ytan eller på båda ytorna.

Användningen av det gemensamma styrelektrodområdet för åstadkommande av elektrisk isolering mellan två grindstyrda diodströmställare i ett gemensamt dielektriskt separerat rör resulterar i en nettoinbesparing av kiselområde jämfört med *två separata, dielektrisktseparerade rör, var och en inne- hållande en grindstyrd diodströmställare. Denna kiselomrâdes- inbesparing kan avsevärt sänka tillverkningskostnaderna för grupper av strömställare.

Uppfinningen kommer att beskrivas närmare nedan under hänvisning till den bifogade ritningen, Figur 1 visar en konstruktion enligt en utföringsform av uppfinningen.

Figur 2 visar ett elektriskt schema, som tillnärmelsevis motsvarar konstruktionen enligt figur 1.

Figur 3 visar en del av en mot konstruktionen enligt fig. 1 approximativt svarande elektrisk krets, vilken år förspänd för att tillåta ledning genom densamma.

Såsom framgår av figur 1 visas en konstruktion-10, vilken kan användas såsom en strömställare av halvledartyp, som till- låter genomledníng i båda ríktningarna och är i stånd till åtminstone begränsad strömbrytardrift (-avbrottsdrift). Kon~ struktionen 10 innefattar väsentligen två hopkopplade grind- vi' 10 15 40 450 069 D! styrda diodströmställare GDS1 och GDS2, som är sammankopplade i antiparallell form, såsom äskådliggöres i elektrisk schema- form i figur 22 Utformningen enligt figur 2 är âskådliggjord på sidan 171 i den ovan beskrivna artikeln i IEEE-publikationen från_1980.

Grunddelarna hos konstruktionen 10, som väsentligen inne- fattar GDS1 och GDS2, är åskådliggjorda inom de på lämpligt sätt ' betecknade streckade linjerna. Grundförklaringen till driften hos en grindstyrd díodströmställare beskrives i den ovan be- skrivna artikeln i IEEE-publikationen 1980. Följaktligen antages läsaren vara familjär med grunddriften hos en grindstyrd diod- strömställare. Ledning genom den dubbelriktade strömställaren sker om anod- katod-spänningen är tillräckligt hög och om det finns en lämplig spänning på styrelektrodområdet. Vilken av de två grindstyrda diodströmställarna, som leder ström under TILL-tillståndet, beror på anod- katod-spänningens polaritet.

Ledning under TILL-tillståndet mellan katod- och anodomrâdena sker genom dubbelladdningsbärarinjicering, som bildar ett ledande~ plasma. Anordníngen kopplas till FRÅN-tillståndet genom påtryck- ning av en tillräcklíg.spänning på styrelektrodområdet för att utarma huvuddelen mellan anod och katod hos strömbärare.

Konstruktionen 10 innefattar ett stödelement 12 med en övre huvudyta 11 samt en halvledarkropp 16 av en första typ av ledningsförmåga, vilken kropp är skild från elementet 12 genom ett första dielektriskt skikt 14. yta, som är gemensam med den övre huvudytan 11 samt en undre Halvledarkroppen 16 har en huvudyta 12 och fyra sidoväggar 15, av vilka endast den främre inte åskädliggöres. Ett andra hâlförsett dielektriskt skikt 26 täcker den övre ytan 11. Ett begränsat kontaktområde 34 har en del, som är gemensam med den övre huvudytan 11.

Begränsade första och andra anodområden 18 och 18a, som är av den ena ledningstypen, samt begränsade första och andra katodomrâden 24 och 24a som är av den motsatta ledningstypen, är inkluderade i halvledarkroppen 16. Ett begränsat första skärm- område 22, som är av den ena ledningstypen, omger området 24 och ett andra skärmomräde 22a, som är av den ena ledningstypen, omger området 24a. Ett begränsat grindövergångsisoleringsormâde 20, som är av _den motsatta ledningstypen, är också inkluderat i halvledarkroppen 16. Området 20 har normalt en övre del, som sträcker sig ned från ytan 11 och gör kontakt med den övre delen 10 15 20 25 35 40 450 osš av en bottendel av densamma, vilken sträcker sig uppåt från den nedre huvudytan 13. Området 20 sträcker sig över halvledarkroppens 16 övre del och vertikalt nedåt för att fysiskt dela halvledar- kroppen 16 i två separata delar. Såsom indikeras av de streckade linjerna behöver de övre och nedre delarna av styrelektrodområdet 20 faktiskt inte alltid göra kontakt med varandra, dvs. området “ 20 behöver inte alltid sträcka sig helt över halvledarkroppen 16. Halvledarkroppens 16 del till vänster om området 20 inne- håller det första anodområdet 18 och det första katodområdet 24 och halvledarkroppens 16 del till höger om området 20 innehåller det andra anodområdet 18a och det andra katodområdet 24a.

Elektroderna 28, 32, 28a, 32a, 30 och 36 gör kontakt med områdena 18, 24, 18a, 24a, 20 respektive 34.

Elektroden 30 är åskådliggjord med en första del 30a (visad med streckade linjer), som sträcker sig mellan det första anodområdet 18 och det första katodområdet 24, samt en andra v; del 30b (visad med streckade linjer), som sträcker sig mellan det andra katodområdet 24a och det andra anodområdet 18a. Området 20 är också åskådliggjort med 1) en första halvledaredel 20a (visad med streckade linjer), som sträcker sig utmed ytan 11 och nedåt in i kroppen 16 och som förekommer mellan områdena 18 och 24, 2) en andra halvledardel 20b (visad med streckade linjer), som sträcker sig utmed ytan 11 och nedåt in i kroppen 16 och som förekommer mellan områdena 18a och 24a, 3) en tredje halvledardel 20c (visad med streckade linjer), som sträcker sig utmed ytan 13 och uppåt in i kroppen 16 och som förekommer vertikalt under och mellan områdena 24a och 18a, och 4) en fjärde halvledardel 20d (visad med streckade linjer), som sträcker sig utmed ytan 13 och uppåt in i kroppen 15 och som förekommer områdena 24 och 18. De olika, åskådliggjorda streckade linjekonfigurationerna av styrelek- vertikalt under och mellan trodområdet 20 är valfria.

En första ledare 17 ansluter den första anodelektroden 28 till den andra katodelektroden 32a. En andra ledare 19 an- _ sluter den andra anodelektroden 28a till den första katodelek- troden 32. Elektroderna 28 och 32a tjänar såsom en första ut- gångsklämma hos konstruktionen 10, elektroderna 32 och Zßn tjänar såsom en andra utgångsklämma hos konstruktionen 10 och elek- troden 30 tjänar såsom en styrklämma (styrelektrodklämma) hos konstruktionen 10. 10 15 20- 25 30 40 450 oss Stödelementet 12 är normalt ett halvledarsubstrat och området 34 är ett kontaktområde, som är av samma ledningstyp som substratet 12 men som har lägre resistivitet. Vid en före- dragen utföringsform är ledningstyperna hos de olika områdena följande:.Substratet 12 är av n-typ, området 34 är av n+-typ, halvledarkroppen 16 är av p--typ, området 18 är av p+-typ, området 18a är av p+-typ, området 20 är av n+-typ, området 22 är av p-typ, området 24 är n+-typ och området 24a av n+-typ. Alla elektroder och ledare är vanligen av aluminium och de dielektriska skikten är vanligen av kiseldioxid och/eller sammansatta skikt av kiseldioxid och kiselnitrid. De områden, som är av ledningstyp n+ och p+, kan ha en ytstörämneskoncentra- Vid en vanlig tion av approximativt 10 störämnen per cms. utföríngsform har halvledarkroppen 16 en tjocklek av 50-60 mikron ,och ytans 11 del av densamma uppgår till 300 x 500 mikron. För drift med 500-600 volt är det normala mellanrummet mellan områdets 20 övre och undre delar 10 mikron och mellanrummet mellan en ände av området 20 och sidoväggen 15 hos halvledarkroppen 16 är 5 mikron.

Om området 20 sträcker sig från ytan 11 ned till ytan 13 och från den bakre väggen 15 sträcker sig helt över halvledar- kroppen 16 till den främre väggen 15 är halvledarkroppen 16 fysiskt delad i två separata delar, som är väsentligen elektriskt separerade från varandra genom två pn-övergångar med hög spänning och relativt litet läckage, nämligen Övergångarna mellan styr- elektrodområdet 20 och huvudområdet 16. Detta resulterar i en verksam hög resistans mellan två åtskilda delar hos halvledar- kroppen 16, vilket hindrar ström från att strömma direkt från den ena delen till den andra delen genom området 20. Detta till- lâter varje grindstyrd diodströmställare GDS1 och GDS2 att arbeta relativt oberoende av den andra.

Om områdets 20 övre och undre delar inte mötas för att bilda ett fast område och/eller inte sträcker sig helt från den bakre sidoväggen 15 till den främre sidoväggen 15, så är halvledarkroppen 16 inte helt fysiskt delad i två delar utan har fortfarande två delar, som är väsentligen elektriskt separerade, varvid varje del innehåller en grindstyrd diodströmställare.

Områdets 20 övre och undre delar kan då anses vara styrelektroderna hos en högspännings-övergångs-fälteffekttransistor (JFET), var- vid de delar av halvledarkroppen 16, som finns mellan områdets 10 15 20 25 35 40 450 069 20 övre och undre delar samt mellan områdets 20 delar och sido- väggarna 15 hos det dielektriska skiktet 14, är strömstrypta för att ha en mycket högre resistans än andra delar av halvledar- kroppens 16 huvuddel. Detta tjänar till att elektriskt separera halvledarkroppen 16 i en första del, som innehåller en första grindstyrd diodströmställare (GDS1), vilken innehåller områdena 18, 22 och 24 samt området 20, och i en andra del, som inne- håller en andra grindstyrd diodströmställare (GDS2), vilken inne- Q håller områdena 18a, 22a och 24a samt området 20. GDS1 och GDS2 är fortfarande ístånd att arbeta väsentligen oberoende av varandra.

Tillräcklig elektrisk separering mellan GDS1 och GDS2 erfordras för att undvika behovet av en alltför stor inkopplings- spänning, för att säkerställa att anordningen inkopplas korrekt samt för att befrämja relativt låg TILL-resistens. Sålunda kan ett visst litet läckage tolereras.

I figur 2 åskådliggöres en dubbelriktad strömställar- kombination, varvid den första anodelektroden 28 och den andra katodelektroden 32a innefattar den första utgångsklämman, den andra anodelektroden 28a och den första katodelektroden 32 innefattar den andra utgångsklämman och styrelektrodseparerings- elektroden 30 omfattar styrklämman (styrelektrodklämman). Denna kombination är i stånd att överföra signaler från elektroderna 28 och 32a till elektroderna 28a och 32 eller vice versa.

I figur 3 åskådliggöres ett approximativt ekvivalent elektriskt schema avseende halvledarkonstruktionen 10 enligt figur 1, varvid antages att styrelektrodområdet 20 är förspänt för att tillåta ledning genom konstruktionen 10. R1 representerar resístansen från det första anodområdet 18 genom halvledarkroppens 16 huvuddel mellan det första anodomrâdet 18 och skärmområdet 22. Den åskådliggjorda dioden D1, som via sin katodklämma är kopplad till elektroden 32, representerar pn-övergången mellan 'skärmområdet 22 och katodområdet 24. RISO1 representerar det verk- samma motståndet mellan skärmområdet 22 och anodområdet 18a genom huvuddelen av halvledarkroppens 16 separeringsområden 22 och 20, genom styrelektrodområdet 20 och genom huvuddelen av halvledarkroppensló separeringsområden 20 och 18a. R2 representerar motståndet från det andra anodområdet 18a, genom huvuddelen av halvledarkroppen 18 mellan det andra anodområdet 18a och skärmområdet 22a. Den åskådliggjorda dioden D2, som via sin andra katodklämma är kopplad till elektroden 32a, represen- h) 10 15 25 40 450 0069 terar pn-övergången mellan skärmområdet Z2a och katodområdet 24a. RIS02 representerar det verksamma motståndet mellan skärm- området Z2a och anoden 18 genom huvuddelen av halvledarkroppens 16 separeringsområden 22a och 20, genom styrelektrodområdet 20 och genom huvuddelen av halvledarkroppens 16 separeringsområden 20 och 18. m och Rz är normalt mindre motstånd än R1so1 och Rrsoz.

Vid en normal utföringsform uppgår motstånden R1 och R2, före inställningen av konduktivitetsmodulering i halvledarkroppen 16, normalt till 35 000 ohm. RIS01 och RIS02 uppgår normalt till 100 000 ohm eller mera. När en av de grindstyrda diodström- ställarna börjar att koppla till sänker konduktivitetsmoduleringen i halvledarkroppen 16 avsevärt värdet på R1 eller R2 till normalt 20 ohm eller mindre och reducerar värdet hos RISO1 och RISO2 men med ett mycket mindre värde. Om elektroderna 28 och 32a är positivt förspända med avseende på elektroderna 28a och 32 (normalt med approximativt +2 volt eller mera) och styrelektroden 30 (inte åskådliggjord i figur 3) är förspänd för att tillåta ledning genom konstruktionen 10 så passerar ström från elektroderna 28 och 32a genom R1 och sedan genom dioden D1 och till elektroderna 32 och Z8a. Endast en relativt liten mängd ström passerar genom RIS01 och RIS02, eftersom båda har relativt stort motstånd jämfört med det framförspända motståndet hos D1. Dioden D2 är backförspänd och därför passerar väsentligen inte någon ström genom D2. Om omvänt elektroden 28a och 32 är positivt förspända med avseende på elektroderna 28 och 38a och elektroden 30 (inte åskädliggjord i figur 3) är förspänd för att tillåta ledning genom konstruktionen 10, så passerar ström från elektroderna 28a och 32 genom R2 och sedan genom dioden D2 och till elektroderna D 32a och 28. Endast en relativt liten mängd ström passerar genom RIS02 och RIS01, eftersom båda har relativt stort motstånd jämfört med det framförspända motståndet hos D2. Dioden D1 är backför- spänd och väsentligen ingen ström passerar genom D1.

Konstruktionen 10 har sålunda visats vara i stånd att kunna användas såsom en dubbelriktad strömställare med föga läckage mellan separerade gríndstyrda skíkrdiodsfrömställare GDS1 och GDS2. Strukturen 10 ersätter tvâ gríndstyrdn daodstrómfifällarß var och en anordnad i ett separat dielektriskt separerat rör, med två grindstyrda diodströmställare i ett enda dielektriskt separerat rör. Den kan tillverkas med avsevärt mindre kisel- 15 20 I\J (Fl SU 450 069 omrâde och medför därför en betydande kostnadsreduktion.

De håri beskrivna utföringsformerna är avsedda att åskådliggöra uppfinníngens allmänna principer. Olika modifika- tioner är möjliga att åstadkomma inom uppfinningens ram. Exempel- vis kan, för de beskrivna formerna, elementet 12 utgöras av i kisel, galiumarsenid, safir eller ett elektriskt inaktivt material med ledningsförmåga av typ E p- eller n-. Om stödelementet 12 utgöres av ett elektriskt inaktivt material så kan det di- elektriska skiktet 14 elimineras. Vidare kan kroppen 16 till- verkas såsom en luftseparerad konstruktion. Detta tillåter eliminering av stödelementet 12 och det dielektriska skiktet 14.

Vidare kan elektroderna utgöras av dopad polysilikon, guld, titan eller andra typer av ledare. Dessutom kan störämneskoncen- trationsnivåerna, mellanrummen mellan olika områden och andra mätt hos områdena justeras för ändring av driftspänníngarna och driftströmmarna. Vidare kan andra typer av isoleringsmaterial (dielektrisk), t.ex. kiselnitríd eller halvisolerande poly- kristallint syredopat kisel (SIPOS), ersätta kiseldioxid. Vidare kan ledningstypen hos samtliga områden omkastas under förut- sättning att spänningspolariteterna ändras lämpligt på inom omrâdet välkänt sätt. Vidare kan det halvledarområde 22 (Z2a), som omger katodområdet 24 (24a) modifieras för att även inne- fatta ett skyddsríngområde samt ett eller flera andra omgivande områden med ökande resistivítet. Ytterligare områden med ökande resistivitet kan omge anodområdet 18 (18a). Vidare kan området Vidare kan ett enda halvledarsubstrat innehålla några halvledarkroppar, som har 20 ha ledningsförmåga av typ n- eller n. ledningsförmåga av typ p~, och andra som har ledningsförmåga av typ n-. Vidare kan delarna 20a, 20b, 20c och/eller 20d hos området 20 ha ledningsförmâga av typ n eller n- och inte nöd- vändigtvis av samma störämnesnivâ som varje annan del eller som området 20. Vidare kan ledarna 17 och 19 vara placerade runt området 20 och utanför det dielektriska skiktet 14. - ut

Claims (6)

450 069 Patentkrav

1. Halvledaranordning, vilken innefattar första (GDS1) och andra (GDS2) grindstyrda diodströmställare, varvid varje grindstyrd diodströmställare innefattar ett första område (18) med en första typ av ledningsförmâga samt ett styrelektrodområde (20) och ett andra område (24) med en andra typ av ledningsförmåga; varvid nämnda första område, andra område och styrelektrodomräde ingår i,en halvledarkropp med en huvuddel (16) av den första typen av ledningsförmåga;varvid nämnda första område, andra område och stvrelektrodområde är skilda från varandra genom huvuddelen och har en relativt låg resistivitet jämförd med resistiviteten hos huvuddelen; k ä-n n e t e c k n a d därav, att de båda grindstyrda diodströmställarna är utformade i en enda halvledarkropp (16); att de båda grindstyrda diodström- ställarna delar ett gemensamt styrelektrodområde (20); att det gemensamma styrelektrodområdet är så beläget, att det andra området (24) och det första området (18) hos den första grind- styrda diodströmställaren (GDS1) är belägna vid dess ena sida och det andra området (18a) och det första området (28a) hos den andra grindstyrda diodströmställaren (GDSZ) är belägna på dess andra sida; samt att det gemensamma styrelektrodområdet sträcker sig tillräckligt långt in i halvledarkroppen för att väsentligen elektriskt separera den andra grindstyrda diodström- ställaren från den första grindstyrda diodströmställaren.

2. Halvledaranordníng enligt kravet 1, k ä n n e t e c k- n a d därav, att det första området (18) hos den första grind- styrda diodströmställaren är direkt anslutet till det andra området (24a) hos den andra grindstyrda diodströmställaren och att det andra området (24) hos den första grindstyrda diodström- ställaren är direkt anslutet till det första området (18a) hos den andra grindstyrda diodströmställaren samt att hela halvledar- anordningen är anordnad att drivas såsom en dubbelriktad ström- ställare.

3. Halvledaranordning enligt kravet 2, k ä n n e t e c k- n a d därav, att varje grindstyrd diodströmställare innefattar ett skärmområde (22) av den första typen av ledningsförmåga, vilket omger det andra området (24) av den andra typen av led- ningsförmåga.

4. Halvledaranordning enligt kravet 3, k ä n n e t e c k- n a d därav, att halvledarkroppen (16) är en kropp av enkristal1~ 4-50 069 /io halvledarmaterial, dielektrískt isolerat från ett halvledar- stödelement (12) genom ett ísoleringsskikt (14).

5. Halvledaranordning enligt kravet 4, k'ä n n e t e c k- n a d därav, att det gemensamma styrelektrodområdet (20) har en del (20a§, som sträcker sig mellan det första och det andra området hos den första grindstyrda diodströmställaren, samt en annan del (20b), som sträcker sig mellan det första och det andra omrâdet hos den andra grindstyrda diodströmställaren. '3

6. Halvledaranordníng enligt kravet 4, k ä n n e t e c k- n a d därav, att halvledarkroppens botten- och sidoytor är skilda från halvledarstödelementet genom isoleringsskiktet (14) och att det gemensamma styrelektrodelementet sträcker sig hela vägen från den övre ytan till den nedre ytan hos halvledarkroppen. n!