DE1439922B2 - Schaltbares halbleiterbauelement mit einem pnpn oder einem npnp halbleiterkoerper - Google Patents

Schaltbares halbleiterbauelement mit einem pnpn oder einem npnp halbleiterkoerper

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DE1439922B2 DE19611439922 DE1439922A DE1439922B2 DE 1439922 B2 DE1439922 B2 DE 1439922B2 DE 19611439922 DE19611439922 DE 19611439922 DE 1439922 A DE1439922 A DE 1439922A DE 1439922 B2 DE1439922 B2 DE 1439922B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein schaltbares Halbleiterbauelement mit einem PNPN- oder einem NPNP-Halbleiterkörper, dessen beide äußeren Zonen sowie eine der beiden inneren Zonen von Kontaktelektroden ohmisch kontaktiert sind und bei dem diejenige Dreizonenfolge, deren mittlere Zone die kontaktierte innere Zone ist, einen ersten Teiltransistor bildet, dessen Stromverstärkungsfaktor Oc1 größer ist als der kleine Stromverstärkungsfaktor K2 des zweiten, durch diejenige Dreizonenfolge gebildeten Teiltransistors, deren mittlere Zone die nichtkontaktierte innere Zone ist, wobei außerdem K1 + K2 größer als 1 ist.
Halbleiterbauelemente dieser allgemeinen Bauart haben thyratronähnliches Verhalten, wobei die Kontaktelektrode der kontaktierten inneren Zone der mit
ίο Zündimpulsen zu beaufschlagenden Torelektrode eines Thyratrons entspricht.
Obwohl ein solches Halbleiterbauelement leicht vom nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand durch Zuführen verhältnismäßig kleiner Energiebeträge an die kontaktierte innere Zone überführt werden kann, ist allgemein bekannt, daß die umgekehrte Schaltfunktion schwieriger auszuführen ist. Es sind also verhältnismäßig große Energiebeträge notwendig, um das PNPN-Halbleiterbauelement wieder abzuschalten.
Bei einem bekannten Halbleiterbauelement der einleitend beschriebenen Art liegt der Stromverstärkungsfaktor A1 des ersten Teiltransistors zwischen 0,6 und 0,9 und der Stromverstärkungsfaktor «2 des zweiten Teiltransistors zwischen 0,2 und 0,4. Diese Beziehung zwischen den beiden Teiltransistoren kann zwar zu vernünftigem Einschaltverhalten ausgenutzt werden, es ist aber dabei nicht möglich, das Halbleiterbauelement wieder in den nichtleitenden Zustand lediglich durch Steuersignale zu überführen, die der Kontaktelektrode der kontaktierten inneren Zone zugeführt werden.
Auch ist bei dem bekannten Halbleiterbauelement die niedrige Stromverstärkung des zweiten Teiltransistors nur zu dem Zweck vorgesehen, die Spitzen-Sperrspannung zu erhöhen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die zum Abschalten des einmal leitend gewordenen Halbleiterbauelementes erforderliche Steuerleistung herabzusetzen. Bei dem bekannten Halbleiterbauelement wird das Abschalten auf die übliche Weise einfach dadurch erreicht, daß beispielsweise ein im Laststromkreis liegender Schalter geöffnet wird. Dies ist gleichbedeutend mit einem Durchgang des Laststroms durch Null oder mit dem Zuführen eines dem Laststrom entgegengesetzten Steuerimpulses zumindest vergleichbarer Größe. Es ist daher eine hohe Ausschaltsteuerleistung notwendig.
Während bei den bekannten Halbleiterbauelementen dieser Art die über die kontaktierte innere Zone (Basis) erfolgende Einschaltsteuerung wegen des vergleichsweise hohen Stromverstärkungswertes A1 nur eine kleine Einschaltsteuerleistung erfordert, ist die Abschaltsteuerleistung unverhältnismäßig größer. Man war bisher der Ansicht, daß bei einer über die Basis erfolgenden Steuerung der zum Abschalten erforderliche Steuerstrom etwa gleich dem Laststrom sein müßte. Es soll daher insbesondere in dieser Hinsicht durch die Erfindung Abhilfe geschaffen werden.
Die Erfindung, die für ein schaltendes Halbleiterbauelement der einleitend beschriebenen Art die erforderliche Abschaltsteuerleistung herabsetzt und dabei verschiedene Vorteile ermöglicht, besteht darin, daß der erste Teiltransistor so ausgebildet ist, daß K1 nur wenig kleiner als 1 ist, und der zweite so, daß K2 nur wenig größer als 0 ist und daß K1 + oc2 nur wenig größer als 1 ist.
Durch diese Ausbildung erhält man zunächst für das Halbleiterbauelement eine große Einschaltverstär-
kung, weil Oc1 nur wenig kleiner als 1 ist, d. h. das Halbleiterbauelement kann durch einen verhältnismäßig geringen Steuerstrom in den leitenden Zustand gebracht werden. Weiterhin ist, da die Summe von OC1 und Oc2 nur wenig größer als 1 ist, der Strom, der vom zweiten Teiltransistor an die Basis des ersten Teiltransistors geliefert wird, nur so groß, wie zur Aufrechterhaltung der Sättigung des ersten Teiltransistors notwendig, so daß das Halbleiterbauelement durch eine verhältnismäßig kleine Verringerung des Stromes vom zweiten Teiltransistor an die Basis des ersten Teiltransistors abgeschaltet werden kann.
Vorzugsweise liegt Oc1 zwischen 0,9 und 0,99, und Oc1 ist wenigstens neunmal größer als a2. A1 kann sogar fünfzigmal größer als oc2 sein. Die Summe der beiden oc-Werte soll vorzugsweise 1,1 nicht übersteigen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der niedrige Wert für oc2 durch Herabsetzen des Injektionswirkungsgrades γ des zweiten Teiltransistors erreicht. Insbesondere wird der niedrige Injektionswirkungsgrad für diesen Teiltransistor dadurch erreicht, daß der Flächenwiderstand der Emitterzone, d. h. der äußeren Zone, dieses Teiltransistors wesentlich größer als der Flächenwiderstand der Basiszone, d. h. der nicht kontaktierten inneren Zone, dieses Teiltransistors gemacht wird, während der erste Teiltransistor nach einem bekannten Herstellungsverfahren als Transistor mit einem hohen Wert für ^1 hergestellt wird.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen des schaltbaren Halbleiterbauelements im einzelnen erläutert; es zeigt
F i g. 1 die schematische Darstellung eines schaltbaren PNPN-Halbleiterbauelementes und
F i g. 2 bis 4 je ein Ausführungsbeispiel des schaltbaren Halbleiterbauelementes nach der Erfindung.
F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines schaltbaren PNPN-Halbleiterbauelementes mit drei Kontaktelektroden. Wie durch die obere Klammer, die den P17V2i>2-Teiltransistor des Halbleiterkörpers bezeichnet, angegeben ist, ist ocjv die Gleichspannungsverstärkung dieses Teiltransistors (nachfolgend Flußtransistor genannt), während die untere Klammer ocp als die Gleichspannungsverstärkung des N1P1N2-Teiltransistors (nachfolgend Steuertransistor genannt) angibt. An die äußeren Zonen P2 und TV1 und an die innere kontaktierte Zone, die Steuerbasiszone P1, sind Kontaktelektroden bzw. die Steuerelektrode angeschlossen. Die Richtung des Stromflusses für die gewählten Polaritäten sind durch Pfeile angegeben, und die Ströme sind mit I0, Ie und /& bezeichnet.
Wenn das Halbleiterbauelement durch einen Stromimpuls über die Steuerelektrode in den leitenden Zustand versetzt wird und der Impuls dann wieder entfernt wird, liefert der Flußtransistor Basisstrom an den Steuertransistor und umgekehrt. Der Maximalwert des Stroms, den der Flußtransistor liefert, ist bezeichnet mit /&pnp, und er ergibt sich zu:
60
hPNP = —djylc . (1)
Um das Halbleiterbauelement leitend zu halten, müssen sowohl der NPN- als auch der PNP-Teiltransistor im leitenden Zustand gehalten werden. Dem NPN-Teiltransistor muß ein Basisstrom solcher Größe zugeführt werden, daß der Trägerverlust durch Rekombination und andere Effekte ergänzt wird. Dieser
beträgt: Ie-t (2)
Ibmin = (l-i (3)
Ibmin —
Xp) Ie ■
Strom
Im leitenden Zustand ist aN + ocj, >1, und es wird nicht der gesamte Strom/spnp benötigt. Der Überschuß bleibt in der Basiszone N2 zurück.
Um das PNPN-Halbleiterbauelement in den nichtleitenden Zustand durch Verringerung des Steuerelektrodenstromes zur Basiszone P1 zu schalten, wird der Steuerelektrodenstrom genügend verringert, so daß der Strom I0 nicht aufrechterhalten werden kann. Um das Abschalten zu erreichen, ist daher notwendig, daß:
0CNIc — Ib < Ibmin , (4)
— h < (1 — OCp) I6 , (5)
= Ic-Ib, (6)
+ OCj, — 1) Ic < OCpIb- (J)
Die Abschaltstromverstärkung ist daher definiert zu:
h _ OCp
h «Λ' + ocp — 1
Eine merkliche Abschaltstromverstärkung, d. h. ein Schaltstrom, der groß ist im Vergleich zu dem Steuerelektrodenstrom, wird daher erreicht in einem PNPN-Halbleiterbauelement, das so ausgebildet ist, daß im leitenden Zustand die Summe der oc-Werte der beiden Teiltransistoren nur wenig größer als 1 ist. Weiterhin nähert sich zur Erreichung einer Einschaltstromverstärkung der α-Wert des Steuertransistors dem Wert Eins und der «-Wert des Flußtransistors dem Wert Null.
Eine Ausführungsform, die eine hohe Abschaltstromverstärkung besitzt, zeigt die F i g. 2. Das Halbleiterplättchen 20 besteht aus vier aufeinanderfolgenden Zonen 21, 22, 23 und 24 verschiedenen Leitungstyps. Die ohmschen Kontaktelektroden 25 und 26 führen zu den äußeren Zonen 21 und 24, und eine dritte ohmsche Kontaktelektrode 27, die Steuerelektrode, führt zu der inneren Zone 22, die die Basiszone des NPN-Teiltransistors darstellt.
In dieser Ausführungsform ist der Injektions-Wirkungsgrad γ des P2Af 2P1-Teiltransistors, der aus den Zonen 24, 23 und 22 besteht, so eingestellt, daß sich der gewünschte niedrige oc-Wert ergibt. Es ist bekannt, daß der Injektions-Wirkungsgrad der Minoritäts-Ladungsträger eines Transistors, bei dem die Diffusionslänge der Ladungsträger in der Emitter- und Basiszone groß ist im Vergleich zu der Ausdehnung dieser Zonen, ausgedrückt werden kann durch:
Rb+ Re
worin Rb und Re die Flächenwiderstände der Basis- und Emitterzone sind. Um einen gewünschten kleinen Wert des Injektions-Wirkungsgrades zu erhalten, wird Re wesentlich größer als Rb gewählt. Daher hat die Basiszone 23 nach F i g. 2 einen Flächenwiderstand von ungefähr 50 Ohm pro Quadrat und die Emitterzone 24 einen Flächenwiderstand von ungefähr
5 6
1000 Ohm pro Quadrat. Mit diesen Widerstands- Übergang fließt, in erster Linie aus in die N2-Basis-
werten kann der Wert für κχ des P2N2P1-TeHtVBLn- zone 33 injizierten Löchern besteht,
sistors 0,05 nicht übersteigen. Der Wert für <xp des Im Regelfall ist das Halbleiterbauelement 30 nach
A'jfjTVg-Teiltransistors wird nach bekannten Ver- F i g. 3 aus einem Siliziumplättchen aufgebaut, das
fahren auf etwa 0,99 eingestellt. Die Abschaltstrom- 5 eine ähnliche Größe wie bei der Ausführungsform
verstärkung beträgt dann etwa 25. nach F i g. 2 besitzt. Die P2-Zone 34 ist 0,00025 cm
Das Halbleiterbauelement 20 nach F i g. 2 kann im dick, die N2-Zone 33 0,01 cm, die P^Zone 32 bekannten Dreifach-Diffusionsverfahren hergestellt 0,0001 cm und die NrZone 31 0,00015 cm. Die werden, wobei z. B. ein Silizium-Einkristallplättchen N2-Zone 33 besteht aus dem Ausgangsmaterial mit von ungefähr 0,125 qcm und 0,01 cm Dicke mit einem io einem spezifischen Widerstand von 0,5 Ohmcm.
spezifischen Widerstand von 0,5 Ohmcm verwendet Beim Halbleiterbauelement 40 nach F i g. 4 wird wird. Die N2-Basiszone 23 besteht aus diesem Aus- ein kleiner α-Wert des Flußtransistors durch Herabgangsmaterial und besitzt eine Dicke von etwas Setzung des Transportfaktors β erreicht. Im einzelnen weniger als 0,01 cm, so daß sich der vorher ange- erzielt man diesen kleineren /?-Wert durch Verkleinegebene Flächenwiderstand von 50 Ohm pro Quadrat 15 rung und zentrale Anordnung der Querschnittsfläche ergibt. Die anderen drei Zonen sind alle wesentlich des PN-Übergangs zwischen der N2-Zone 43 und der dünner als diese Zone 23. So besitzen die Px-Zone 22 Pj-Zone 42, der als Kollektor-Übergang des Flußeine Dicke von 0,00025 cm, die Nj-Zone 21 eine Dicke transistors, gebildet aus den Zonen 44,43 und 42, dient, kleiner als 0,00025 cm und die P2-Zone 24 eine Dicke und durch Anbringen von zwei Kontaktelektroden von 0,0000025 cm. Die Kontaktelektroden 25, 26 und 20 46 und 48 mit kleinem Übergangswiderstand an dem 27 sind mit Hilfe herkömmlicher bekannter Verfahren Rand der P2-Zone 44, des Emitters dieses Flußtranangebracht. sistors. Als Folge davon versuchen die Minoritäts-
In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 wird der Ladungsträger sich in der Nachbarschaft der Kontakt-Injektions-Wirkungsgrad γ des PNP-Teiltransistors elektroden 46 und 48 zu konzentrieren, und ihre Sammherabgesetzt, indem der größte Teil des Stromes an 25 lung an dem P1N2-U bergang 49 wird verringert. Das dem Emitter-Übergang zwischen der P2-Zone 34 und Verhältnis der Fläche des P1N2-Ubergangs 49 zu der der N2-Zone 33 vorbeigeleitet wird. Zu diesem Zweck des P2N2-Emitterübergangs und der Wert der Schichtist die Kontaktelektrode 36 an beiden Zonen ange- widerstände der N2-Basiszone 43 und der P2-Emitterbracht, insbesondere an eine Kante der P2-Zone. In zone 44 bestimmen den Wert von χχ.
typischer Weise ist der Schichtwiderstand der N2-Basis- 30 Im Regelfall kann bei einem Siliziumplättchen, das zone 33 wesentlich kleiner, ungefähr ein 20stel, als in Größe und Form der zuletzt beschriebenen Ausder der P2-Emitterzone 34. Es ergibt sich eine merk- führung ähnelt, die Größe des Kollektor-PN-Überliche Herabsetzung des Injektions-Wirkungsgrades ganges 49 ungefähr ein Zehntel der Größe des Emitterdes PNP-Teiltransistors, da ungefähr neunzehn 20stel PN-Überganges 50 betragen.
des Stromes von der Kontaktelektrode 36 direkt in die 35 Auch andere Anordnungen können benutzt werden, Basiszone fließen, anstatt durch Injektion durch den um die verlangten «-Werte zu erzielen. Ferner können Emitter-Übergang. Um bei dieser Ausführungsform beispielsweise die Leitungstypen der verschiedenen maximale Wirksamkeit zu erhalten, wird der Wider- Zonen der beschriebenen Ausführungsbeispiele umgestand in der N2-Basiszone 33 wesentlich größer ge- tauscht werden. Es können auch verschiedene andere macht als der Durchlaßwiderstand des Emitter-Über- 40 Halbleitermaterialien benutzt werden, wie z. B. Gergangs. Der P-f--Teil 38 der P2-Emitterzone 34 ist vor- manium oder halbleitende Verbindungen aus Elemengesehen, damit der Strom, der durch den Emitter- ten der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Schaltbares Halbleiterbauelement mit einem PNPN- oder einem NPNP-Halbleiterkörper, dessen beide äußere Zonen sowie eine der beiden inneren Zonen von Kontaktelektroden ohmisch kontaktiert sind und bei dem diejenige Dreizonenfolge, deren mittlere Zone die kontaktierte innere Zone ist, einen ersten Teiltransistor bildet, dessen Stromverstärkungsfaktor K1 größer ist als der kleine Stromverstärkungsfaktor K2 des zweiten, durch diejenige Dreizonenfolge gebildeten Teiltransistors, deren mittlere Zone die nichtkontaktierte innere Zone ist, wobei außerdem Ot1 + «2 größer als 1 ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teiltransistor (N1P1N2) so ausgebildet ist, daß OC1 nur wenig kleiner als 1 ist, und der zweite (P1N2P2) so, daß a2 nur wenig größer als 0 ist, und daß Oc1 + K2 nur wenig größer als 1 ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärkungsfaktor A1 des ersten Teiltransistors (N1P1N2) wenigstens neunmal größer als der Stromverstärkungsfaktor Oi2 des zweiten Teiltransistors (P1N2P2) und daß K1 + K2 kleiner als 1,1 ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenwiderstand der nichtkontaktierten inneren Zone (N2) klein ist im Vergleich zum Flächenwiderstand der ihr benachbarten äußeren Zone (P2).
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 mit einem Silizium-Einkristall als Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtkontaktierte innere Zone (N2) einen Flächenwiderstand von etwa 50 Ohm pro Quadrat und die zu dieser Zone (N2) benachbarte äußere Zone (P2) einen Flächenwiderstand von etwa 1000 Ohm pro Quadrat haben.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektrode (36) der zur nichtkontaktierten inneren Zone (TV2) benachbarten äußeren Zone (P2) teilweise auch an dieser nichtkontaktierten inneren Zone (N2) angebracht ist, derart, daß der Stromverstärkungsfaktor «2 des zweiten Teiltransistors (P1N2P2) nicht größer als 0,1 ist (F i g. 3).
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kontaktierte innere Zone (P1) des ersten Teiltransistors (N1P1N2) in ihrer seitlichen Ausdehnung klein ist gegenüber der der äußeren Zone (P2) des zweiten Teiltransistors (P1N2P2) sowie symmetrisch zu dieser Zone (P2) angeordnet ist und daß die Kontaktelektroden (46, 48) dieser Zone (P2) auf oder nahe an deren Umfang angeordnet sind.
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