DE1156508B - Controllable and switching four-layer semiconductor component - Google Patents
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Description
Steuerbares und schaltendes Vierschichthalbleiterbauelement Es sind bereits Halbleiterbauelemente bekannt, welche aus vier Schichten von abwechselnd gegensätzlichem Leitfähigkeitstyp, z. B. pnpn, bestehen. Sie zeigen ein ähnliches physikalisches Verhalten wie gasgefüllte Stromtore (Thyratrone). In der einen Polungsrichtung haben diese Halbleiterbauelemente zwei stabile Arbeitsbereiche, die mit »gesperrt« und »gezündet« bezeichnet werden. In der entgegengesetzten Polungsrichtung sperren sie den Strom, solange die negative Sperrspannung nicht ihre Sperrfähigkeit überschreitet. Für gewöhnlich sind die beiden äußeren Schichten einer solchen Anordnung mit Stromanschlüssen versehen, durch die der Laststrom ein-und austritt. Außerdem besitzt eine der mittleren Schichten einen Stromanschluß, mit dessen Hilfe die Anordnung gezündet wird. Ein Löschen tritt genau wie bei den Thyratronen von selber ein, wenn der Laststrom unter Null absinkt. Eine willkürliche Löschung durch Steuerströme ist nicht möglich.Controllable and switching four-layer semiconductor component There are already known semiconductor components, which consist of four layers of alternating opposite conductivity type, e.g. B. pnpn exist. They show a similar thing physical behavior like gas-filled electricity gates (thyratrons). In one direction of polarity these semiconductor components have two stable working areas, which are marked with "blocked" and "ignited". Lock in the opposite polarity direction the current as long as the negative reverse voltage does not exceed its blocking capacity. Usually the two outer layers of such an arrangement are with power connections through which the load current enters and exits. Also has one of the middle ones Layers a power connection, with the help of which the arrangement is ignited. A As with the thyratrons, deletion occurs automatically when the load current drops below Zero drops. Arbitrary deletion by control currents is not possible.
Ferner ist eine Signalumsetzungsanordnung bekanntgeworden, welche aus einem längserstreckten Körper aus Halbleitermaterial besteht, der vier längserstreckte Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps besitzt, bei der Mittel vorgesehen sind, die eine Raumladung an jedem der pn-Übergänge erzeugen können, welche in ihrer Stärke von dem einen Ende des Körpers zu dem anderen zunimmt. Der Eingang und der Ausgang der Signalumsetzungsanordnung sind an das eine bzw. das andere Ende des längserstreckten Körpers angeschlossen. Es handelt sich um eine Hochfrequenzanordnung und nicht um eine Schaltanordnung.Furthermore, a signal conversion arrangement has become known which consists of an elongated body of semiconductor material, the four elongated Has zones of different conductivity types, in which means are provided, which can generate a space charge at each of the pn junctions, which in their strength increases from one end of the body to the other. The entrance and the exit of the signal conversion arrangement are at one or the other end of the elongated Body connected. It is a high frequency arrangement and not around a switching arrangement.
Außerdem ist ein Transistor mit einem flachen Körper aus halbleitendem Material bekanntgeworden, welcher auf der einen Oberfläche des flachen Halbleiterkörpers verschiedene Spitzenelektroden besitzt, während auf der gegenüberliegenden Oberfläche eine Flächenelektrode mit einer vorgelagerten Halbleiterschicht vom entgegengesetzten Leitungstyp angebracht ist. Diese Halbleiterschicht hat eine solche geringe Stärke, daß sie über ihren gesamten Bereich ein einheitliches, von der Flächenelektrode aufgeprägtes Potential annimmt und dadurch den pn-Übergang in seiner Länge aufteilt in einen Bereich mit einer Polung in Flußrichtung und in einen Bereich mit einer Polung in Sperrichtung bezüglich einer Spitzenelektrode. Hierdurch lassen sich die Kollektorkennlinien in einem gewissen Maße steuern. Der Transistor zeigt in einer Ausführungsform einen Vierschichtenaufbau, weist aber im übrigen nicht das für ein schaltendes Vierschichthalbleiterbauelement typische Verhalten auf, sondern dasjenige eines normalen Transistors. Die Erfindung schafft einen Schalter mit einem steuerbaren Vierschichthalbleiterbauelement, der willkürlich durch einen Steuerstrom unabhängig von der treibenden Spannung des Laststromes gelöscht werden kann. Sie betrifft deshalb ein steuerbares und schaltendes Vierschichthalbleiterbauelement mit einem im wesentlichen einkristallinen und drei hintereinanderliegende pn-Übergänge enthaltenden Halbleiterkörper, dessen mittlerer pn-Übergang die entgegengesetzte Flußrichtung hat wie die beiden äußeren, sowie mit je einer an den beiden äußeren Zonen angebrachten Kontaktelektrode, mit zwei weiteren Kontaktelektroden an einer der beiden mittleren Zonen und mit einer Stromquelle, die in der Weise an die Kontaktelektroden der äußeren beiden Zonen angeschlossen ist, daß sie einen Laststrom durch alle vier Zonen des Halbleiterbauelementes treibt. Dieses Halbleiterbauelement ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kontaktelektroden an der mittleren Zone in der Weise angeordnet und an eine Stromquelle angeschlossen sind, daß der Strom durch die mittlere Zone den Laststrom kreuzt und diesen löschen kann.It is also a transistor with a flat body made of semiconducting Material has become known, which on one surface of the flat semiconductor body Has different tip electrodes while on the opposite surface a surface electrode with an upstream semiconductor layer from the opposite Line type is attached. This semiconductor layer is so thin that that they have a uniform surface electrode over their entire area assumes impressed potential and thereby divides the pn junction in its length in an area with a polarity in the direction of flow and in an area with a Reverse polarity with respect to a tip electrode. This allows the Control collector characteristics to a certain extent. The transistor shows in a Embodiment a four-layer structure, but otherwise does not have that for one switching four-layer semiconductor component on typical behavior, but that of a normal transistor. The invention provides a switch with a controllable Four-layer semiconductor component that is arbitrarily independent by a control current can be deleted from the driving voltage of the load current. It concerns therefore a controllable and switching four-layer semiconductor component with an essentially monocrystalline semiconductor bodies containing three consecutive pn junctions, whose middle pn junction has the opposite flow direction as the two outer, as well as with one contact electrode each attached to the two outer zones, with two further contact electrodes on one of the two middle zones and with a power source connected in the way to the contact electrodes of the outer two Zones connected so that they have a load current through all four zones of the semiconductor device drives. According to the invention, this semiconductor component is characterized in that that the two contact electrodes are arranged in the middle zone in the manner and are connected to a power source that the current through the middle zone Load current crosses and can delete it.
Eine solche Schaltanordnung verbindet verschiedene Vorteile miteinander. So läßt sie sich durch einen kurzzeitigen Stromimpuls an einem der Stromanschlüsse der den mittleren pn-Übergang der Vierschichtanordnung berührenden Schicht zünden sowie mit Hilfe eines Stromes, der durch diese mittlere Schicht von dem einen Stromanschluß zu dem anderen fließt, wieder löschen. Die Richtung des Löschstromes spielt dabei keine Rolle, so daß auch ein Wechselstrom verwendet werden kann. Auch zum Löschen genügt ein Impuls. Hiermit ergibt sich eine ideale Steuermöglichkeit sowohl für Gleich- als auch für Wechselstrom. Die erfindungsgemäße Schaltanordnung kann beispielsweise als Gleichstromschalter verwendet werden. Sie ist hierbei dem für gewöhnlich verwendeten Transistor überlegen, weil sie zum Durchlässigwerden nur durch einen kurzen Stromimpuls gezündet zu werden braucht und der Laststrom dann im gewünschten Zeitpunkt durch einen anderen Stromimpuls gelöscht werden kann, während bei dem Transistor während der ganzen Laststromdauer auch ein Steuerstrom aufrechterhalten werden muß.Such a switching arrangement combines various advantages. It can be switched on by a brief current pulse at one of the power connections of the layer touching the middle pn junction of the four-layer arrangement ignite as well as with the help of a current flowing through this middle layer from the one current connection flows to the other, delete it again. The direction of the extinguishing current plays a role does not matter, so that an alternating current can also be used. Also for Extinguish an impulse is enough. This results in an ideal control option for both Direct and alternating current. The switching arrangement according to the invention can, for example can be used as a DC switch. It is the one usually used here Transistors are superior because they only become conductive with a short current pulse needs to be ignited and the load current then through at the desired time another current pulse can be erased while at the transistor during A control current must also be maintained for the entire duration of the load current.
Auch beim Wechselstrom ist die erfindungsgemäße Schaltanordnung den bisher bekannten Anordnungen überlegen, beispielsweise bei Gleichrichteranlagen, da man nicht nur den Zündzeitpunkt, sondern auch den Löschzeitpunkt jedes Ventils genau vorherbestimmen und damit die Phasenlage in einem gewünschten Sinn beeinflussen kann, weil nun nicht nur im Stromnulldurchgang, sondern in jedem beliebigen anderen Zeitpunkt eine Unterbrechung des Laststromes herbeigeführt werden kann. Entsprechend lassen sich Wechselrichterschaltungen mit der neuen Anordnung wesentlich günstiger gestalten.Even with alternating current, the switching arrangement according to the invention is the Superior to previously known arrangements, for example in rectifier systems, because you not only know the ignition timing, but also the extinguishing timing of each valve determine exactly in advance and thus influence the phase position in a desired sense can, because now not only in the current zero crossing, but in any other Time an interruption of the load current can be brought about. Corresponding inverter circuits can be made much cheaper with the new arrangement design.
In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Vierschichthalbleiterbauelement dargestellt; Fig. 2 und 3 zeigen entsprechende Schaltzeichen; in Fig. 4 ist ein Schaltungsbeispiel dargestellt.1 shows an exemplary embodiment for a four-layer semiconductor component according to the invention shown; Figures 2 and 3 show corresponding circuit symbols; in Fig. 4 is a Circuit example shown.
Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann auf folgende Weise hergestellt werden: In einen flachen n-leitenden Halbleiterkörper, beispielsweise aus hochohmigem n-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ohm - cm, läßt man Aluminium eindiffundieren. Dies kann man so durchführen, daß man ein derartiges Scheibehen von z. B. 12 mm Durchmesser und 250 1, Stärke im Vakuum unter Anwesenheit von Aluminium erhitzt, beispielsweise in einem evakuierten und anschließend abgeschmolzenen Quarzgefäß bei 1200° C für etwa 40 Stunden. Es entsteht eine p-leitende Schicht mittlerer Dotierungskonzentration, die den unveränderten n-leitenden Kern 2 umgibt: Durch das Einätzen eines entsprechend tiefen Grabens 3 in die eine Flachseite , des Grundelementes wird die p-leitend-e Schicht in die Teile 4 und 5 aufgetrennt. Außerdem werden dünne Folien von etwa 30 [, aus Goldlegierungen, die Dotierungsmaterial enthalten, auf dieses Grundelement aufgebracht. Eine etwa 0,05 0/0 enthaltende Goldfolie 6 wird auf die p-leitende Schicht 5 auflegiert. Auf die p-leitende Schicht 4 werden eine Scheibe 7 von etwa 4 mm Durchmesser sowie eine Kreisringscheibe 8 von etwa 8 mm Innendurchmesser und 10 mm Außendurchmesser aus dem gleichen Gold-Bor-Material aufgebracht. Nach dem Legierungsvorgang ist den Teilen 6, 7 und 8 je ein hochdotierter p-leitender Bereich vorgelagert, der aber nicht besonders bezeichnet wurde, da er sich von dem angrenzenden Material des Grundelementes nach dem Leitfähigkeitstyp nicht unterscheidet und zwischen beiden kein scharf begrenzter Übergang vorhanden ist. Zwischen der Kreisscheibe 7 und der Kreisringscheibe 8 ist eine weitere Kreisringscheibe 9 angeordnet, die einen inneren Durchmesser von 5 mm und einen äußeren von 7 mm aufweist. Sie besteht aus einer Gold-Antimon-Legierung, z. B. mit etwa 0,511/o Sb, und erzeugt beim Einlegieren einen hoohdotierten n-leitenden Bereich 10, der ihr in die p-dotierte Schicht 4 hinein vorgelagert ist. Alle Legierungsvorgänge werden zweckmäßigerweise bei einer etwas über der Schmelztemperatur des Gold-Silizium-Eutektikums liegenden Temperatur, beispielsweise bei 700° C, durchgeführt.The arrangement according to FIG. 1 can be produced in the following way: Aluminum is allowed to diffuse into a flat n-conductive semiconductor body, for example made of high-resistance n-silicon with a specific resistance of 100 ohm-cm. This can be done in such a way that such a slice of z. B. 12 mm diameter and 250 l, thickness heated in vacuo in the presence of aluminum, for example in an evacuated and then melted quartz vessel at 1200 ° C for about 40 hours. The result is a p-conducting layer with a medium doping concentration that surrounds the unchanged n-conducting core 2: By etching a correspondingly deep trench 3 into one flat side of the basic element, the p-conducting layer is separated into parts 4 and 5 . In addition, thin foils of about 30 [, gold alloys containing doping material are applied to this base element. A gold foil 6 containing approximately 0.05% is alloyed onto the p-conductive layer 5. A disk 7 approximately 4 mm in diameter and a circular ring disk 8 with approximately 8 mm inside diameter and 10 mm outside diameter made of the same gold-boron material are applied to the p-conductive layer 4. After the alloying process, parts 6, 7 and 8 are each preceded by a highly doped p-conductive area, which, however, was not specifically designated because it does not differ from the adjoining material of the basic element according to the conductivity type and there is no sharply delimited transition between the two . Between the circular disk 7 and the circular ring disk 8, a further circular ring disk 9 is arranged, which has an inner diameter of 5 mm and an outer diameter of 7 mm. It consists of a gold-antimony alloy, e.g. B. with about 0.511 / o Sb, and generates a hooh-doped n-conductive region 10 when alloying, which is upstream of it into the p-doped layer 4. All alloying processes are expediently carried out at a temperature slightly above the melting temperature of the gold-silicon eutectic, for example at 700.degree.
Nach der Fertigstellung zeigt also die, gesamte Anordnung einen pnpn-Aufbau, bei dem die äußere p-Schicht durch den Stromanschluß 6 und die äußere n-Schicht durch den Stromanschluß 9 kontaktiert ist. Die mittlere n-Schicht 2 ;hat keinen Anschluß, während die mittlere p-leitende Schicht 4 durch die Stromanschlüsse 7 und B kontaktiert ist, die sich zu beiden Seiten des Stromanschlusses 9 befinden. Die metallisch leitenden Stromanschlüsse sind in der Fig. 1 schraffiert dargestellt.After completion, the entire arrangement shows a pnpn structure, in which the outer p-layer through the current terminal 6 and the outer n-layer is contacted by the power connection 9. The middle n-layer 2; has none Connection, while the middle p-conductive layer 4 through the power connections 7 and B is contacted, which are located on both sides of the power connection 9. The metallically conductive power connections are shown hatched in FIG. 1.
Die Fig. 2 zeigt das Schaltschema der eben beschriebenen Anordnung. Der Anschluß E, entspricht dem Anschluß 6, der Anschluß E,Z dem Anschluß 9 und die beiden Anschlüsse Bi und Aden Anschlüssen 7 bzw. B.Fig. 2 shows the circuit diagram of the arrangement just described. The connection E, corresponds to the connection 6, the connection E, Z to the connection 9 and the both connections Bi and Aden connections 7 and B.
Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Schaltzeichen mit den gleichen Bezeichnungen.3 shows a corresponding circuit symbol with the same designations.
In Fig. 4 ist ein einfacher Schaltungsaufbau dargestellt, der eine Anwendung des erfindungsgemäßen Schalters als Gleichstromschalter zeigt. Der Laststromkreis besteht aus der Stromquelle 11, der Last 12 und dem Vierschichtelement 13. Eine Gleichstromquelle 14, ein Strombegrenzungswiderstand 15 und ein Schalter 16 sind an das Vierschichtelement als Zündstromkreis angeschlossen. Wird der Schalter 16 geschlossen, so fließt ein Strom von dem Anschluß B1 nach dem Anschluß En und zündet damit das Vierschichtelement. Unabhängig davon, ob der Schalter 16 geschlossen bleibt oder nun geöffnet wird, fließt nun der Laststrom. Zum Löschen dient ein Strom von dem Anschluß B1 zu dem Anschluß Bz, der nach Schließen des Schalters 17 von der Stromquelle 1.8 durch die Vierschichtanord'nung getrieben wird. Ein Strombegrenzungswiderstand 19 vervollständigt den Löschstromkreis. Der Löschstrom fließt quer zum Laststrom durch die Viersehiehtanordnung 13, d. h. also bei der Anordnung gemäß Fig. 1 zwischen den Anschlüssen 7 und 8 durch die p-leitende Schicht 4. Die Polung des Löschstromes spielt keine Rolle. Die Stromquelle 18 kann also beliebig gepolt oder auch eine Wechselstromquelle sein. Bei einer Anordnung mit den Abmessungen der Fig. 1 ließ sich beispielsweise ein zwischen den Anschlüssen 6 und 9 fließender Lastgleichstrom von 4,5 A durch einen Löschstrom von 0,3 A unterbrechen. Unter Umständen genügen schon Löschstromimpulse von weniger als einer Millisekunde Dauer.4 shows a simple circuit structure which shows an application of the switch according to the invention as a direct current switch. The load circuit consists of the current source 11, the load 12 and the four-layer element 13. A direct current source 14, a current limiting resistor 15 and a switch 16 are connected to the four-layer element as an ignition circuit. If the switch 16 is closed, a current flows from the connection B1 to the connection En and thus ignites the four-layer element. Regardless of whether the switch 16 remains closed or is now opened, the load current now flows. A current from the connection B1 to the connection Bz is used for erasing and is driven through the four-layer arrangement by the current source 1.8 after the switch 17 is closed. A current limiting resistor 19 completes the extinguishing circuit. The quenching current flows transversely to the load current through the quadruple arrangement 13, ie in the arrangement according to FIG. 1 between the connections 7 and 8 through the p-conducting layer 4. The polarity of the quenching current is irrelevant. The current source 18 can thus be polarized as desired or it can also be an alternating current source. In an arrangement with the dimensions of FIG. 1, for example, a DC load current of 4.5 A flowing between the connections 6 and 9 could be interrupted by a quenching current of 0.3 A. Under certain circumstances, extinguishing current pulses of less than a millisecond duration are sufficient.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement auch einen anderen Aufbau als das Beispiel gemäß Fig. 1 aufweisen. Das Entscheidende ist die Kontaktierung einer der beiden mittleren Schichten mit zwei Stromanschlüssen, die räumlich so angeordnet sind, daß ein zwischen ihnen fließender Strom den Laststrom kreuzt. Durch diesen Querstrom kann eine solche Veränderung der Stromverstärkungswerte des Vierschichthalbleiterbauelementes herbeigeführt werden, daß die Bedingungen für den Durchgang des Laststromes nicht mehr erfüllt sind.Of course, the semiconductor component according to the invention can also have a different structure than the example according to FIG. 1. The bottom line is the contacting of one of the two middle layers with two power connections, which are spatially arranged so that a current flowing between them the load current crosses. This cross current can cause such a change in the current gain values of the four-layer semiconductor component are brought about that the conditions for the passage of the load current are no longer met.
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Publication number | Publication date |
---|---|
DE1156508C2 (en) | 1964-05-06 |
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