DE1489894A1

DE1489894A1 - In zwei Richtungen schaltbares und steuerbares Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1489894A1
Application number: DE1965G0042524
Authority: DE
Inventors: Gentry Finis Edward
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-01-13
Filing date: 1965-01-12
Publication date: 1969-04-30
Also published as: SE317135B; DE1489894B2; US3391310A; FR1424620A; GB1065150A

Description

C-oneral Electric Company ' .

Ifi'sawe 1 !Richtungen, sehaltbareo und steuerbares* Halbleiterbauelement

Halbleiterschalter sind in vielen Schalt- und Steuereinrichtungen su einem wichtigen Bestandteil geworden» Besonders geeignet ©ind di© ihyristoren, die such steuerbare Siliciumgleichrichter genannt v/orden. Ihre Wirlcungeweiso ist bekannt.

Bei dor Verwendung von üJhyriotoren in oinoa Stroßtoeis worden

der drei Anoohlüsoo in den au steuernden Stromkreis gelegt» gesperrten Zustand wirkt der Thyristor als hohe Impedanz und läßt nur einen sehr kleinen Sperrstrom durch. In durchgeachalteten Zustand stellt er eine aehr geringe Impedanz in der einen Eiohtung dar, währnnd er ψ entgegengesetzter Hichtung weiterhin alo hohe Icipedona v/irkt. (Jev/bhnlioh wird der Thyristor leitend gemacht, indem man tlber einen dritten Anschluß (Steueranschluß) Strom auführt, wodurch der Hauptstrom durch ihn ansteigt» bis er hochleitend wird»

!Thyristoren sind daher steuerbare und schaItbare» aber nur in einsr Richtung,leitende Halbleiterschalter, mit denen während der einen Halbwelle einer Wechselspannung nur gesperrt und während der anderen Halbwollo geatouert werden kann· S¹Ur eine doppelwegigo iaiotunssateuerung müssen entweder mindestens awoi thyristoren verwendet werden oder die Weohöelspannunga« qtuöllo muß gleichgerichtet aeia, daait eiö einen pulsierenden Gleichstrom liefert. Deshalb ist in wirtschaftlicher Hin«|ioht dia Anwendung von Thyristoren in den msistea yöllert nioht gerechtfertigt. Daο gilt besondere auch dann» wann sie nur so einfache funktionen wie das Ein- und Ausschalten oder die Einstellung dna Leistungspegels übernehaen sollen.

BAD

Aufgabe dor Erfindung iat ein BalbleiterocLJlter, welcher in swoi Hichtungen schaltbar und steuerbar iat und dor die» Punktionen erfüllen kann, für die bisher zwei odor mohr !Thyristoren erforderlich sind« Insbesondere soll für diesen Zweck ein Halbleiterbauelement mit einem Steucranschluö geschaffen werden«

Mit den a.B. aus der deutschen Patentschrift 1 154 372 bekannten Diodenschalter*!, die aus einem Halbleiterbauelement mit fünf Zonen abwechselnd entgegengesetzten Loitung3typs

P bestehen, kann diese Aufgabe nicht gelbst werden. Derartige Diodenschalter besitzen nur awei Elektroden, die den Ilauptstrora führen, so daß naturgemäß die Durehbruchaopannunßön und die IJa It es tr öia ο sehr kritisch und die Schaltenergien relativ hoch sind. Sin· für die Schalteigenschafton günstiger Steueranschluß ist hier nicht vorgesehen» Dadurch iat such der Schaltungaaufbau relativ aufwendig« Bei den in der gleichen Patentschrift beschriebenen Halbleiterschaltern, die ira Gogonsata su don oben erwähnten Diodenschaltern ein© Steuerelektrode an der mittleren der fUnf Zonen aufweisen, nuß die Steuerelektrode ^o nach der Stromrichtung auf dio eine odor dio andere Hauptelektrode "tezogen worden, was

in sohaltungstechnischer Hinsicht zu Komplikationen führt und in vielen Pällen unerwünscht iatt Zur Vermeidung dieses Machteile sind daher auch schon Halbleiterschalter vorgeschlagen v/o r el en, die zw3r nur einen Steuoranachluß besitzen, die aber zwai an vöroohiedenen Stellen das HalbleiterkÖrporo angobrsohto und untereinander verbundene St euer elektroden aufwoiaen, von donon je nach der Stromrichtung immer nur di· eine wirke«μ lot, >

BAD ORKSfNAL

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r.

■ Die Erfindung geht dahor von einem in zwei Sichtungen schaItbaren i^nd.steuerbaren Halbleiterbauelement mit einem aus mj.nd|ft!ona fünf Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungs-I;* beßiliienäen Halbleiterkörper und mit ;}e einer gemeinsamen

elektrode an einer äußeren und einem an die Ober» fläche tretea&en Teil der benachbarten inneren Zone aua.

DiO .

AufßabQ wird erfindungogömüß daduith gelbst

daß mir eiil Iteuöransohluß en einer einer iiußoren 2ono benachbarten Inneren 2one angebracht ißt und öaß die oonkreqhto Jrojölction j4der tiußoren Zone auf die gegenüberliegende Ober- A fläche deo ΠίIbleiterkörpor3 di^i en diese Oberfläche engrenaende ■ .._3u.ßerö Zone and:;die an diese Oberfläche tretenden Sieile der benachbart on'inneren Zone mindestens teilweise überdeckt»

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.In vorteilhafter Veise besteht die eine äußere Zone aus ·'-<■■· ι ' . *

awei Eeilzorien vom gleiahen Loitungstyp, wobei die ihr eugecrdndlf ^Hauptelektrode den awischen den Teilaonen an die ^v Oborfläohe tretenden Teil der angrenzenden inneren Znne liiäeckt, oder iot ringförraig ausgebildet, während die andere äußdre Zone aua mindesteh& drei Teilzonen,vom gleichen Xioitungatyp bestehen kann, wobei die ihr zugeordnete Hauptelektrode die zwischen den ÜJeilzonen an die Oberfläche . ' ' d tretenden./TeHe der angrenzenden inneren Zone bedeckt. ;_;. - '

Kaeh einer weiteren Aueführungsform bedeckt die senkrechte Projektion ein^r äußeren Zone oder einer äußeren SJeilsone auf die gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers den Steueransohlut.

Her Steueralischluß, der an verschiedenen Stellen des H leiterkörpers angebracht 9ein kann, ist entweder als ohmeohe Elektrode ausgebildet od6$ übe» einen PH-Übergang en öine innere Zone angebracht, indem eine mit dem SteueranechluS ohmech

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vcrbundone Steueraone vom entgegengoßotzton Leitungstyp in die entsprechende innere Zone eingelassen ist, wobei ein feil des sm dio Oberfläche tretenden PIT-Übergango durch den Steueran- '■ schloß überbrückt oder als Tunnelübergang aur benachbarten inneren 2one ausgebildet sein Icenn.

In Weiterbildung der Erf indung kann zwischen dom StöueransehluS und dem Halbleiterkörper ein weiterer Halbleiterkörper vorgesehen Bein, beispielsweise eino Viersohichten- oder Blnföckichtendiode, woböi bei letzterer die beiden äußeren Zonen is dio angrenzenden iaaneren Zonen eingelassen sind und mit diesen onm— sehe Elektroden gemeinsam naben.

Sio Erfindung -wird nian in Verbindung mit den von AuafulirunGobeispielon näher beeohricbon·

3)ie Pig, 1-4 sind Schnitte durch ein Ausfuhrüngsbeiapiel der Erftsi^0, des in verschiedenen Zuständen gezeigt ist·

Die Pig» 5 zeigt eins Strom-Spaimungs-Chsrakteristik für das ÄuDführangsbeispiel nach am Pig. 1-4.

Pig. 6-8 sigen Schnitte durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, des in verschiedenen Zustunden gezeigt ist.

Bio Pig. 9-17 zeigen weitere Auaführungsbeispiele der Erfindung, bei denen entweder die 2ahl der äußeren ieilzonen oder die Auslegung des Steueranschlußee modifiziert ist. .

Alle hier beschriebenen Halbleiterbauelemente sind Steuerbare in zwei Sichtungen leitende Halbleiterschalter mit Anschlüssen 1_f 2 und 3» äio nit dem Stromkreis verbunden eind,

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in dem diese Schalter verwendet worden. In jedem Fall werden die .anschlüsse t und Z in den den Ha uptstroa führenden Seil des Stromfcroiöoa geschaltet, während der Steueranschluß mit einer Spönnungß^uolle verbunden wird, die ein DurchseheItsignal geeigneter Polarität liefert, wenn der Strospfad zwischen &&cl Anschlüssen 1 und 2 hochlöitend gemacht werden

^xiiemi der obere AnschluÖ 1 des Halbleiterbauolementea der Pig« 1- 4 positiv oder negativ gegenüber dem unteren Anschluß^ ist» dann wird das Halbleiterbauelement durch eine gegenüber ^ dem Anschluß 1 positive Spannung am Steueransöhluß 3 £«* durchgeschaltet *

Ia dem in äen FIg* 1-4 gezeigten Ausführungabeispiel hat der Halbleiterkörper 10 eine mittlere H-leitende"2one 11, an die: isicii zu beiC-m Seiten P-leitenda innere 2onen 12 und 13 anschließen, Wem der Ansohluß 2 gegenüber dem Anschluß 1 positiv ist, denn wirkt die P-leitends Zone 12 als Eaitter und der übergang J₂ zwischen der P-laitösden Zone 12 und der mittleren ft~leitenden Zone 11 stellt einen SaittGrübargang dar. Unter den gleichen Umständen wirkt die B-leitende Zone 13 als Basiszone, die durch den iibergang JfI von der IT-leitenden Zone 11 getrennt ist· Bei Udgekehrter Polarität an den Anschlüssen 1 und 2 wirkt die P-loitsnae Zone 13 als Emitter'uOä die untere f-leitenäe 12 als B^sis-

Bine Ιϊ-löitende äußere Zone 14 ist an einen ϊοϋ der Ρίο itenden Zone 13 eingelassen und von dieser durch einen tiborgsng j,- getrennt. Sie hat von den beiden dae Eslbleiterkörpers (rechte und linke Seite in den Figurön) einaa genügenden

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so daß Elektroden, ai© später besehrieben werden, angeschlossen werden können, tienn der Anschluß 2 gegenüber ü&m Anschluß 1 positiT ist, dann wirkt die H-leitonde Zone 14 als Smitter mti der übergang Jc als Emitterübergang. ISa oinen entsprechend on Buitter und einen entsprechenden Sraittea?—■ übergang such, dann zu erhalten, wenn der Strom in entgegengesetzter Sichtung fließt, sind zwei äußere B-leitende feilsonen 17 und 20 in einen Teil der inneren P-leitend©a 2one 12 eingelassen und bilden mit dieser die beiden BIf-

^ Übergänge J« und J^. Die beiden Ιί-leitenden , äußeren Ssilaonen VJ und 2o liegen an entgegongesetzten Seiten des Halbleiterkörpörs 10 und lassen einen Teil 21 der inneren P-leitenden Zone 12 an die Oberfläche treten* Yon besonderer Bedeutung ist aus Loitungsgründen, daß die H-l©iten;en Teilzönen 17 und 20 so angebracht sind, daß ein Tail von i&nen direkt gegenüber bzw. in den Piguros unter einem Teil der anderen äußeren N-leitend©n Zone liegt bzw·»daß die senkrechte Projektion einer äußeren Zone oder Toilaono auf die gegenüberliegende OborflSohe &C3 Ealbleiterkb'rpera die en diese Oberfläche angrenaen&e äußere 2ono und die an diese Oberfläche tretenden Teile äer benachbarten inneren Zone mindestens teilweise Überdeckt«

" 2is so entstehenden Überdeokungssonen. sind mit "Uberdeckimg A^u ₉ "liberdeckang B^ir und "Üborάeckung C?¹ beseichnet· Weiterhin ist öureh die lage und j§ro*ße der ^-leitenäen Teilzonen 17 und 20 dsfür gesorgt, &sß der an dio OberflUoh© tretende foil 21 der B-leitenden, 2one 12 gegenüber oinem Toil der an die gegenüberliegende Oberfläche angrenaea&en IJ-leitönde» Zone 14 liegt, so daß eine weitere Überdeokungszone ("Überdeckung 2J^M) entsteht»

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Olimsche Haupt elektroden 15 und 16, die den Hauptstrom führen, bedecken den größten Teil je einer Oberfläche des Halbleiterkörpers 10. Die Hauptelektrode 15 bedeckt die äußeren H-leitenden Teilzonen 17 und 20 und den an die Oberfläche tretenden Teil 21 der eingrenzenden P-leitenden Zone 12, wodurch die beiden übergänge J^ und J* kurzgeschlossen worden« Sie Hauptelektrode 16 bedeckt die H-leitende äußere Zone 14 und den an .: ie Oberfläche tretenden !Seil der P-leitenden Zone 13» der die Projektion der Teilzone 20 auf diese Oberfläche enthält» wodurch der Eaitterttbergang JV kurzgeschlossen ißt. Bie Hauptelektroden 15 und 16 sind elektrisch mit den Anschlüssen 1 und 2 verbunden.

Zur Steuerung wird eine Steuerelektrode 18 an einem anldie Oberfläche tretenden Teil der inneren P-leitenden Zone 13

H—leitende Zone 14 nahe einer Stelle angebracht» wo die/in die P-leltende Zone

13 eingelassen ist, aber entfernt von demjenigen Seil der P-leitenden Zone 13, der von der Hauptelektrode tß bedeefcfc ist· JDa.. der Abstand der Steuerelektrode 18 von dem Teil der Hauptelektrode 16, der die P-leit ende Zone 13 bedeckt, sieialieh groß ist und duroh einen hohen Widerstand überbrückt 1st» kann man diese beiden Elektroden als elektrisch weit voneinander entfernt betrachten. Die Steuerelektrode 10 1st mit dem Stoueransohluß 3 versehen, so daß von außen gesteuert werden kann.

Zum Verständnis der Wirkungsweise des in den Figuren 1-4 gezeigten Halbleiterbauelementes muß berücksichtigt werden.» daß sich das Halbleiterbauelement bei positiven Potential an der Hauptelektrode 16 im gesperrten Zustend befindet. Bei Anlogen einer positiven Spannung an den Steueransohluß 3 der Steuerelektrode wird das Potential der P-leitenden Zone 13 gegenüber demjenigen Seil der N-leitonden Zone

14 angehoben» der in der Hähe dee neben der Steuerelektrode 18

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liogoaden !Teils des Übergangs Jk liest (naoh Pig. 1 der durch "übordeckun^ A" bezeichnete Seil). Polglioh werden von dor Z no H Llektronen in die benachbarte Zone 13 injiaiert, dio zum Übergans J-j diffundieren isieho dio Pfeile für den Strom. Die in 'übergang J₁ gesammelten Elektronen erniedrigen dos Potential dör mittleren IT-leitonden Zone 11 bezUglioh don dor benachbarten P-leitendon 2ono 13, wodurch Löcher in dia ΐϊ-leitende Zone 11 injiziert werden. Die Löcher diffundieren sum nUchcten Überg&ng J₂* ¹^ die durt gecomnelten Löcher etröman bis zur unteren Hauptelektrode 15. Der resultierende Löehorotron (durchgesogene PfcdLe in Pig. 1) verurßDciit einen Spannungoabfoll , der wiederum bewirkt, daß die li-leitonde Seilzone 17 im Bereich der "Übordeckung A" Elektronen in die bcnaohbarta P-leitattde 2ono 12 indiziert, wenn der Löcherstrom so groß wird, daß dadurch der Übergang J^ durch einige Zehntel Volt in richtiger V/eiae vorgespannt wird. Die Größe dor Vor—. spannung diosea Übergangs J^, iat proportional dem V/iderötand in Querrichtung dör benachbarten ß -leitenden Zone 12 und auch von dor Größe der Übordeokung im Bereich dor "Überdeckung A" abhängig.

_fc Vqtxo. der Übergang J^, vorgespannt ist, dann " dio ϊί-leitende Zone 17 Elektronen in die benachbarte P-leitende Zone 12 (siehe "Übordeckung Aⁿ in Pig. 2)_# die sua übergang J₀ diffiundieren. Die dort gesammelten Elektronen erniedrigen dso Potential der inneren IT-leitenden Zone in Bezug auf das der P-leitcnden Zone 13 in dßr"liboi'deokung A" und bewirken, daß weitere Löcher von der P-leitenden Zone 13 in die 2f-loitonde Zone 11 injiaiert werden. So beginnt dao Durchschalten des Halbleiterbauelemontes iu Bereich der"überdeokung A", Wetm. der Strom duroh die Steuerelektrode (Anschluß 3) au fliosoen beginnt, dann fltöigt

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I *+

die Spannung in dom Llußoren Stouerkroia (nicht geaoigt) an und bewirkt, daß ο in löeheratrora im Bereich, dor "überdockunG A" in der P-loitonden Zone 12 q,uor in den Seil 21 flieest. Dadurch steigt wiederum, die Sponnung, die om Übergsng J. liegt, ßo daß Elektronen in die Zono 12 injisiert v/erden, von wo sie aum übergang J₂ strb'sien. Banit ist im Bereich dor "überdockunß Λ¹¹ liegende Teil eingeschaltet, der auo dor p-loitenden Zona 13» · dor 4T-Igitenden 2one 11, dor p-leitünden 2one 12 und der H-leitandsn Zono 17 besteht. Der Ütörgang J₂ W/irlcU dabei sie Kollektor für die Elektronen, dio von der IT-leitonden Zone 17 injisiort v/erden und die durch die P-leitendo Zone 12 diffundieren. Da der Übergang J₀, der boi der hior •betrachteten Polarität dor Spannung aunäclist gesperrt iot, lanssaci eingeschaltet "Wird, v/ächst die 2ahl der von der IT-leitenden Zone 17 in die benachbarte P-leitend© Zone injizierten Eld±ronen und damit auch der Strom der gesammelten Elektronen an, der aur H-leitendcn 2one 11 fließt, wodurch die Spannung dieser Zone beatiglich dor dor P-löitenden Zone 13 weiter abfallt. Der Widerstand in Querrichtung in dor P-leiteno.en Zone 13 ist 00 hoch, daß im Boroich dor"Übordockung B" auch Löcher von dieser Zono in die K-leitende Zone^T^x werden, von wo Die durch die Zone 11 diffundieren und sxa übergang J^ geasiamelt werden. Dadurch wM des Potnntiel der P~leitenden Zone 12 gegenüber dem der Ii-leitenden 2?eilzono 20 gehoben (in Boroich der "Übordeokuns B") und worden Elektronen von der 3?oilaone 2o in die benachbarte P-leitende Zono 12 injiziert, so daß jetzt der Teil des Halbleiterbauelementes, der im Bereich der "überdeckung 0ⁿ lic^t, leitend wird, was durch Leitfähigkoitamodulation noch unterstützt v/ird, durch die nämlich dor Wideretand li-JLe it enden Zone 11 sinkt«

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Äiiahor iat beschri ben worden, wie das Halbleiter bauelement nach den Pig. 1-4 von einem Zudand riLt hoher Impedanz cwischen den Anschlüssen 1 und 2 auf einen Zustand mit geringer Impedanz umgeschaltet wird, wenn der Anschluß 1 positiv gegenüber dem Anschluß 2 ist. Zum Verständnis dee Sinsoholtvorgangs "bei umgekehrter Polung (d.h. Anschluß 2 poaitiv gegenüber Anschluß 1) muß die Pig. 4 betrachtet werden. In diesen Pail arbeitet das Halbleiterbauelement ähnlich einem !Thyristor und der Strom flieset hauptsächlich im Bereich der "Übordockung D".

Bei der jetzt angenommenen Polung liej dia P-leitonde 2nne 12 auf positivem und die IT-leitende Zone 14 auf negativem Potential. Die beiden an diese Zonen angrenzenden Übergänge Jg und J_ worden lotend, wenn das positive Potential der P-leitGndon Zone 12 so eingestellt ist, daß sich die positiven Ladungsträger durch den Übergang J2 bewegen und ata Übergang J<j geeamelt werden, und wenn das negstive Potential dor üi-loitenden Zone 14 die negativen Ladungsträger durch die übergangsaone J^ treibt, so daß eie ebenfalls ara Übergang H^ gesammelt werden. Der avfiechen den Zonen 11 und 13 liegende Übergong sperrt normalerweise den Strora durch das Halbleiterbauelement· Wie jedes Vierschichtenoleiaent kniw. man es dadurch leitend maohen, dflß man die engelegte Spannung, bis zur Surchbruohssponnung steigert und eine hoho Leitfähigkeit dea Übergangs J₁ erzwingt. I&in'kann abor auch einen geeigneten Strom duroh die Steuerelektrode 18 leiten und daduroh die Ladungszustand® längs des Übergangs J^ ändern· Eine an den Anschluß 3 gelegte, gegenüber dem Anschluß 1 positive Spannung bewirkt, daß die ll-lcitendo Zone 14 Elektronen in die P-leltende Zone 13 injiziert. Die Elektronen werden

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aber entlang dem Übergangs J_r nicht gleichmäßig injiziert, da sich die Stromdichte der indizierten Elektronen exponentiell mit der Spannung swischen den Zonen 13 und 14 an den-gegen* Überliesenuen Seiten des Übergangs ändert* Da» daß Potential längo dG3 Übergangs «fr von den von der Elektrode 18 herkommenden Ha joritätsträgern (hier Löchern) herrührt, tritt ein seitlicher'Spannungsabfall l&aga des Übergangs.J« dor ^-leitenden Zone 13 euf. Deshalb ißt die Spannung zwischen den benachbarten Zonen 13 und 14 in der Hähe der Steuerelektrode 18 sm höchsten und nimmt mit zunehmendem Abatand davon in seitlicher Richtung ab*

Die injizierten Elektronen diffundieren zum Übergang Jj und dio, die goaararaoIt werden, erniedrigen das Potential der IT-leitenden Zone 11 bzeüglich dem der P-leitonden Zone 12 in den dor Elektronenin^sktion gegenüberliegenden Bereich» SOlglioh werden Xöohor von der P-loitenden Zone 12 in die B-leitende Zone 11 in^iaiert,- die dann zum Übergang J.J diffundieren. Die dort gesammelten !Scher heben das Potential der P-Ie it enden Z->ne 15 beüglioh dem der IT-leitenden Zone 11 an und bewirken eine weitere Eloktroneninjektion von dor H-Ieitenden Zone 14 fcn die benachbarte P-leitende Zone 15» Beim Erscheinen der iiöcher in dör P-loitenden Zone 13 steigt die Spannung zwischen dieser und der S-leitonden Zone 14 an, und der seitliche Löeheretröm macht den größeren leil der P-leitonden Zone.-t3 positiv, so daß der größere üJeil dor Zone 14 Elektronen injiziert. Ähnliche Bedingungen ergeben eich in dor H-Ieitenden Zone 11.

Dae Intatöhen beweglicher Ladungen in den beiden Zonen 11 und 13 hat zur folge* daß der Saumlödungsbereioh im Übergang J₁ ausammenbricht und daß ©in zusätzlicher Strom duroh das Halbleiterbaueloment fließt. Diesor EUoldcopplungeprpae·»

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setzt sich im Boreich der «Überdeokung 3)^w fort, fcie er aioh über die QQTiZQ Zone ausdehnt»

Das Halbleiterbauelouiont wird also von oiner angelegten VcohoοIr spannung in boido Eichtungen diichgeschaltot, wenn nur das Potential am Auchluß 5 positiv gegenüber dom am Anschluß 2 ist. In der Pi/.;ur 5 ißt die zugehörige Stron-Spannungs-Charakteristik des' in den Figuren 1-4 beschriebenen Halbloitorb3uelementea geaoigt· Babei ist der Strom auf der Ordinate aufgetrogen und ein positiver Strom ist ein Strom vom Anschluß 1 sum Anschluß

Sie Spannung iat längs der Abszisse aufgetragen, wobei rechts die Spannung auftragen ist, wenn der Anschluß 1 positiv ißt, während nach links die Spannung aufgetragen iat, wenn der Anschluß 2 positiv ist. V/enn der Anschluß 1 gegenüber dem Anschluß 2 po~ sitiv iat (in der einen Richtung gesperrt), dann nimmt der Strom bei steigender Spannung kaum zu, solange nicht die Xtorohbruohspanming erreicht ist· Haoh Erreichen dieser Spannung steigt der Strom durch das Halbleiterbauelement schnell etark. an, -bis das Halbleiterbauelement in einen hochMtenden Zustand übergeht. Bei umgekehrter Spannung «wischen den Anschlüssen 1 und 2 ist die Charakteristik für slle praktischen Zwecke die gleiche wie oben, nur um 100° verdroht. Dae bedeutet, daß einige loile des Holbleiterkörpers in dom Pell leiten, daß der Anschluß 1 gegenüber dem Anschluß 2 positiv ist# während andere £eile bei umgekehrter Polarität leiten. JDiö Strom-SponnungQ-Charakteriotik des Halbleiterbauelemente» stimmt daher im ersten und dritten.Quadranten dor Pig· 5 völlig überoin, und das Halbleitefcbnueloment leitet in beide Hiohtungen symmetrisch«

Bei steigenden Vierten des Steuerstroms verengt eich das Gebiet zwiecht-n der Durchbrujhsapennung und dem Halteatrom und die Dußhbr uc he spannung wird kleiner» Bei genügend hohen

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Steuerströmen verschwindet im ersten und dritten Quodronten der Pig. 5 der gesamte Sperrbereich und das Halbleiterbauelement hat die gleiche Strom-Spannungs-Charokteristik wie ein Paar paralleler und entgegengesetzt gepoltor PET-Gleiohrichter.

Um don Halbleiterkörper 10 mit der auch bei der Produktion der Thyristoren angewandten Technik herstellen zu können· goht nan am besten von H-Silicium mit einem spezifischen Yfiderotand von 1 - 5 Ohm · cm (Konzentration der iPremdatome etwa 10 ³ Atome pro enr) für die mittlere U-leitende Zone 11 aus. i.-ör anfängliche Halbleiterkörper 10 der Pig. 1 hat eine Größe von otws 7,62 mm (330 mils) und eino Dicke von etwa 0,18mm (7 mils). Bis zu einer Tiefβ von etwa o,o25 mm (1 mil) wird Gallium eindiffundiert, so daß auf beiden Selten der ΪΓ-Ieitenden Zone 11 die inneren P-leitendon Zonen 12 und 13 entstehen.

Anschließend werden an beiden Seiten a.B. Silioiumdioxid-Masken angebradit * Ein Teil der' SiIioiumdioxid-Kaske auf der einen Seite des Hölbleiterkörpors wird entfernt, um die awoi.Ioilo der P-leitenden Zone 12, in die die äußeren Zonen 17 und 20 fceingelassen v/erden, freizulegen.» Von der anderen Siliciumdioxid« Jiaske 10 wird ebenfalls ein Teil entfernt, um de*«* Teil der P-leitmden Zone 13 freizulegen, der direkt über dem maskierten Teil 21 auf der gegenüberliegenden Oberfläche liegt» Dieser freiliegende Teil auf der oberen Oberfläche überdeckt teilweise die beiden freigelegten Toile auf der unteren Oberfläche und in ihm wird die ff-leitendo äußere Zone H eingelassen» Der zur Bildung der Teilzone 17 freigelegte Teil des Halbleiterkörpers 10 hat eine Größe von etwa 1,52 *7,62 mm (60 - 300 mils) und der zur Bildung der H-leitenden Zone 14 freigelegte Teil eine Größe von etwa 3,0* 7,62 mm (150* 300 mils), wobei letateres* vom Band des Halbleiterkörpore einen Abstand von etwa 1 am

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(4o mil») hat, so daß or dio Zone 17 um etwa o,5 rna .(2o mila) in der Papierobcn© bzw· um otwa 7162 mm (3oo mile) in der senkrecht zum Papier liegenden Ebene überdeckt. Der aur BiI..ung der IT-leitenden leilzone 2o freigelegte Seil hat eine Grüße von et v/s 2,04 · 7,62 mm (120 ·300 mils), so daß er dio U-loitendo Zone 14 in der Papiorebene um o,5 mm (2o laila) und der der dazu senkrechten Ebene ura 7»62 mm (3oo mils) Überdeckt. In den Halbleiterkörper wird dann bie au einer Tiefe von otv/a o,o13 πια (o,5 milo) Phosphor eindiffundiert, wodurch die H-leitendo Zone 14 und die boiden η-leitenden Zonen 17 und 20 ausgebildet werden·

Geeignete Elektroden 15» 16, 18 werden enflohließond auf boknnte V/eise angebracht. Sie bestehen z.B. aus nicht elektrolytisch niedergeschlagenem Kickel»

Die figuren £,7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeiepiel für ein steuerbares, in awoi Richtungen leitendes Halbleiter·· bauelement. Die drei inneren Zonen des Halbleiterkörpers sind die gleichen v/ie die entsprochenden Zonen des in den Piguren 1-4 gezeigten Halbleiterkörper· Der Halbleiterkörper 25 hat eine mittlere ll-laitondo Zone 26 und zwei benachbarte innere P-leitendo Zonen 27 und 28. Wenn der Anschluß 2 gegenüber dem Anochluß 1 positiv ist,.dann wirkt die P-leitende Zone 27 als 13mitter, und der Übergang J₂ zwischen der P-loitenden Zone 27 und der H-leitonden Zone 26 kann als Emittorübergang aufgefasst werden· Unter diesen Umstünden wirkt die P-loitende Zone¹ 28 als Basis, die von der N-leitondon Zone 26 durch den♦ Übergang J₁ getrennt ist. Bei umgekehrter Polung 1st die P-leitondo Zone 23 ale Emitter und die P-leitend# Zone 27 ele Baeisaone eufaufaaoon.

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Lins ϊί-leitende äußere Zono 29 lot in die P-leitende Zone

28 eingeloseen und von dieser durch den Übergang J^, getrennt. Venn dor Anochluß 2 gegenüber, den Anschluß 1 positiv ist, stellt die Ii-Ieit ende Zone 29 einen Eraitter nnd dior angronsendo Übergang J. einen Emitterübergang dnr. Um einen entsprechenden Emitter und EmitterÜbergang zu schaffen, v;cnn das Halbleiterbauelement in umgekehrter Sichtung leitend iöt( Anochluß 1 gegenüber Anschluß 2 positiv), ist eine N-leitonde, äußere Zone in einen Toil der P-Ieitenden Zone 27 oingoloeoon und von dieoor durch dem PH-Obergong J^ (Enitterübergöng bei dieser Polarität) getrennt. Die U-leitende Zone 3o ist ßo angebracht» dnß oin Teil der P-leitendon Zone 27.on die Oberfläche tritt, der unterhalb der Zone 29 liegt. Aus Leitungsgründon überdeckt dagegen die Projektion der 3J-leitenden Zone 3o ouf die gegenüberiiegondc Oberfläche sowohl· einen Teil der U-leitenden Zone ('Übordeokung P"), als auch einen on die Oberfläche tretenden Seil dar P-leitcnden Zone 28 «Überdeckung E^M· Die U-loitende Zone 29 übordockt den an die Oberfläche tretenden !eil dar P-IoItanden Zone 2? im Bereich der "Überdeokung G".

Die Houptelektroden für den Hauptstrom, durch das Halbleiterbauoleiiient bestehen eus den ohmaahen Elektroden 31 und 32 auf der oberen und unteren Oberfläche der Halbleiterkörper 25· Die Elektrode 31 ist der äußeren U-leitenden Zone 30 und dem an die Oberfläche tretenden Teil der inneren !"-leitenden Zone 27 gemeinsam und oohließt den Übergang JL kurz. Die andere Elektrode 32 eratreckt eich über die If-leitönde Zone

29 und den an die Oberfläche tretenden Teil der P-loitcndott Zone 28 und oohllGuot den Übergang J^ kurz· Die» Elektroden 31 und 32 sind olektriaoh mit den Anachlüaoen 1 und 2 verbunden.

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Zur Steuerung ist· eine IT-leitende Steuerzone 33 vorgesehen, die in der. Höhe der Elektrode 32 in dio ?-leitendo Zono 28 eingolasoon ist. Auf der Steuorzone 33 ißt eine ohmsohe Elektrode 34 angebracht, die mit dem Steueranschluß 3 elektrisch verbunden ist. Dio Steuerzone 33 bewirkt einen gleichrichtenden'Übergang J₅. und bildet alt der P-Io it enden Zone 2ü, der ET-leitonden Zone 26 und den dazwischen liegenden Übergängen JV und J₁ efcnon !Prensistor.

Zum Verständnis dor Wirkungsweise des Halbleiterbauelemente sei sunächst angenommen, daß zwischen den Anschluss on 1 und eine Spannung liegt, die den Anschluß 1 gegenüber dom Anschluß 2 positiv macht* Dieser Zustand bewirkt ein positive» Potential an dor P-loitenden Zone 28 und ein negatives PotontIaI an der ϊί-leitenden Zone 30. Es wird nun zuerst der Bereich der "Qberdeckung J3^M betrachtet. Die Übergänge J₁ und J~ sind leitend, da dos positive Potential an der P-leitonden Zone 20 die Ladungsträger dee P-Typs über die EsiitterUbergangezone J₁ treibt, die d-nn om Übergang Jg geeaumelt werden, während das negative Potential an der ϊϊ-leitenden Zono "5ο die negativen ladungöträger durch den EnitterUbergang J^ treibt, so daß diese ebenfalls sm tibörgong J₂ gosemmelt werden* Der übergang Jg zwischen der IT- und P-IoItenden Zone (25, 17) sperrt dagegen den Stromfluös durch das Halbleiterbauelement. Das Element kann dadurch durchgesclioltet worden, daß man die Spannung so stark erhöht, daß die Leitung durch den Übergang ^ erswungen wird. Die Hochleitfühigkolt kann eber such dadurch hergestellt werden, daß man über den SteueranschluÖ 3 der li-leitonden Steueraone 33 einen geeigneten Strom zuführt, so daß eine Veränderung der Iadungsauetände entlang de*

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oporronden Übergangs J₂ auftritt· Eine an den Steuerenechluß 3 angelegte, bezüglich des Anoehlußes 1 negative Spannung "bewirkt, daß von der 3J-I ei tend en Steuerzcno 33 Elektronen in die P-leitende Zone 28 injiziert worden· Die injizierton El&fcroncn diffundieren und worden em übergang J-j gesammelt, wodurch das Potential dor ϊί-iaitenden Zone 2β gegenüber dem der P-leitendon Zone 28 gesenkt wird, ao daß Löcher von dor Zone 28 in dia Zone

26 injiziert worden, Diesa Löcher diffundieren durch die If-loitendo Zone 26 und werden em sperrenden übergsng JL * gosamaolt. Dadurch wird dos Potential der P-leitenden Zone

27 gegenüber dom der K-loitenden Zone 3o gehoben, und Elektronen v/erden von der Zon© 3o in die P-leitende Zone 2? injiziert. Diese El&fcronen diffundieren wiederum zum Überg-ng J₂, wo diejenigen, die gesammelt werden» öaa Potential der N-leitenden Zone 26 gegenüber der P-loitenden Zone 28 verringern, eo daß woitore Xöoher von dor P-leitonden Zone 28 in die ^-leitende Zono 26 iajlaiert wordon. Dieser Prozess wiederholt eich immer wieder» bia das Halbleiterbauelement durchgoscheltet ist»

Boi anderer Polung an den Anochlüseen 1 und 2, wenn der * Anschluß 2 positiv gegenüber dem Anschluß 1 ist, d-a&n v/ird dos Halbleiterelement ©ufgrund eines Mechanismus betrieben, der nun mit Hilfe der Fig. 7 beschrieben wird. Bei negativer Vorpsannung am Anschluß 3 (und damit such aa der Steuerelektrode 34) werden Elektronen von der Steuer« ■zoxLQ 33 injiziert, wie in Pig» 7 duroh die gestrichelten Pfeil© angedeutet ist. Mv unmittelbar unter der 33 liegende Bor eich, des Halblöitorkttepars (Bsrs loh d#3?

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"Überdeekung H") wird mit dem Ergebnis durchge»chaltet, daß in der P-leitenden Zone 27 direkt oberhalb der H-leitendön Zone 30 ein seitlicher ßponnungaobfa11 auftritt, der einen locherstrom in dioscr Zone bewirkt (siehe duchgezogone Pfeil© in Fi..;, 7). lter seitliche Spannungsabfall hat dl« Injektion von Löohorn bus der P-leitenden 2one 27 in die 2i-leitande Zone 26 über der gesamten JT-leitonden 2ono 3o sur PoIge (siehe durchgezogene Pfeile im Boroich der ^Hübordeokun§ⁿP, E und H" der 3?ig. 8). Diese Löcher diffundieren unmittelbar durch die ΪΙ-leitende 2one 26 zum übergang J^ urni zwischen die IT-leitende Zone 2β und die P-leitende Zone 28;. Die im Bereich der "überdeokung E^w und der "Überdeckung Ϊ" gesammeltea Löcher trögen zum Lastatrom bei· Die Löcher jedoch, die bei «Tj im. Bereich der "übsrdeokung ff" gesammelt werden, bewirken eine seitliehe Vorspannung An der P-leitenden Zone 20, die dan übergang J/ vorspannt, eo daß Elektronen in die benachbarte P-loitendo Zone 28 indiziert wo-den (2?ißur 8), von denen diejenigen, die am Übergang J.J geaaranelt worden, dao Potential der !J-leitenden Zone bezüglich dem der P-leitenden Zone 27 senken, wodurch Löcher von der P-leitenden Zone 2?zurück in die H-Iq it ends Zone injiziert werden. Diese, eich steigernde Rückkopplung für den Durchsohaltvorgang beginnt im Bereich der "Uberdeokuzsg ?* und deM eich auf den Bereich der"Überdockung U" aus·

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Auf diese Art wird das Halbleiterbauelement nach den ?lg« 6, 7 und 8 durohgeeehaltet, wenn der SteueransohluB 5 negativ vorgespannt 1st, unabhängig davon, ob die Elektrode 1 positiv oder negativ gegenüber der Elektrode 2 let· Di· resultierend· Charakteristik des Halbleiterbauelemtes beim Anlegen einer Wechselspannung zwischen die Anschlüsse 1 und 2 1st dl· gleiche wie die in der Fig. 5 beschriebene Charakteristik.

I)Ie Halbleiterbauelemente nach den Figuren 6, ? und θ werden im wesentlichen auf die gleiohe Art wie die Elemente naeh den Pig. 1, 2 und 3 hergestellt. -

Das Halbleiterbauelement nach der Pigur 9 kann entweder durch eine negative oder durch eine positive Vorspannung bezüglich der Hauptelektrode 1 eingeschaltet werden* Saher bringt entweder ein positiver oder ein negativer Steuerstrom das Halbleiterbauelement in den leitenden Zustand, wenn die Elektrode gegenüber der Elektrode 1 positiv oder negativ let«

In dem in der Pig. 9 gezeigten Ausführungsbelspiel ist der Halbleiterkörper ein Fünfschichtenelement.Er enthält eine N-leitende Zone 36 und zwei benachbarte P-Ieitende Inner· Zonen 37 und 38. Wenn der Anschluß 2 positiv gegenüber dem Anschluß 1 1st, dann wirkt die P-Ieitende Zone 37 als Bnitter und der übergang J₂ zwischen der P-Ieitenden Zone 37 und der N-Iβitenden Zone 36 als Emitterübergang, während die P-Ieitende Zone 33 eine von der N-Ieitenden Zone 36 durch den übergang J₁ getrennte Basiszone ist. Bei umgekehrter Polung «wischen den Anschlüssen stellt die P-Ieitende Zone 38 einen Emitter und die P-Ieitende Zone 37 eine Basiszone dar·

In einen Teil der P-Ieitenden Zone 38 1st eine durch den übergang S. getrennte ft-leitende äußere Zone 39 eingelassen, die von den beiden Bändern des Halbleiterkörperβ beabstandet 1st. WtTcui der untere Anschluß Ä positiv gegenüber de« An-

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Schluß 1 ist, dann stellt die N-Ieitende Zone 39 einen Emitter lind der übergang J. einen Emitterübergang dar· Um bei umgekehrter Polung (d.h. Anschluß 1 positiv gegenüber Anschluß 2) einen entsprechenden Emitter und EmitterÜbergang zu erhalten, werden zwei 11-1οitende Seilzohen 40 und 41 in einen Seil der P-leitendon Zone 37 eingelassen, wobei gleichrichtende übergäge J, und Jg entstehen· Die beiden N-Ieitenden Seilaonen 40 und 41 sind beanstandet, so daß ein Seil der P-Ieitenden Zone 37 an die Oberfläche tritt, welcher unterhalb der N-Ieitenden Zone 39 liegt. Daher überdekckt die N-Ieitendβ Zone 39 diesen an die Oberfläche tretenden !Heil der P-leitendon Zone 37· Außerdem Überdecken eich Seile der N-I ei tu enden Seilzonen 40 und 41 mit der Projektion der N-Iοitenden Zone 39 auf diese Oberfläche und andere Seile mit der Projektion der an die 0» berfläohe tretenden Seil· der P-Ieitenden Zone 38 auf diese Oberfläche, so daß Überdeokungen entstehen·

Ohmsehe Elektroden 42 und 43, durch die der Hauptstrom durch dou Halbleiterbauelement geführt wird, sind auf don größeren Seiten des Halbleiterbauelemente 35 angebracht« Die untere Hauptelektrode 42 berührt die N-leitonde Zone 40 und 41 und den dazwischenliegenden, an die Oberfläche tretenden Seil der P-Ieitenden Zone 37 und schließt damit die Übergänge Jj und J₆ kurz. Die Hauptelektrode 43 erstreckt eich über die äußert N-leitende Zone 39 und den an die Oberfläche tretenden Seil der P-leitenden Zone 33 und schließt damit den Übergang J^ kurz. Die Elektroden 42 und 43 sind elektrisch raiit den Anschlüssen 1 und 2 verbunden*

Zur Steuerung des Halbleiterbauelementes ist eine H-Iβitende Steuerzone 44 vorgesehen, die in denjenigen Seil der P-leitenden Zone 36 eingelassen ist, weloher in der üähe der äußeren H-leitenden Zone 39t aber entfernt von den Seil der P-leitenZone 33 liegt, der von der Hauptelektrode 43 btdeokt wird·

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Auf der Steuerzone 44 lot eine ohmsehe Elektrode 45 angebracht, die elektrisch mit dem Steueranschluß 3 verbunden tat·

Wenn der Steueranschluß 3 negativ gegenüber dem Anschluß 1 (negativer Steuerstrom) und der Anschluß 1 positIy oder negativ gegenüber dem Ansohiuß 2 ist, denn verhält eich da» Halbleiterbauelement wie das an Hand der Figuren. 6, 7 und 8 beschriebene Halbleiterbauelement. Bei positiver Spannung zwischen dem Ansohluß 3 und dem Anschluß 1 wird das Element durchgeschaltet, wenn die Durchbruohsspannung des Übergang Jc überschritten wird« Wenn der Zusammenbruch des Steuerübergangs J₅ stattgefunden hat, dann ist der Durchsahaltvorgang der gleiche wie beim Halbleiterbauelement nach der Pig. 1«

Das Halbleiterbauelement naoh der SIg, 10 unterscheidet sich von dem nach der Fig. 9 dadurch, daß die Steuerelektrode 45 teilweise mit einem an die Oberfläche tretenden Seil der P-Ieitenden Zone 38 in Berührung ist und dort äen Steuertibergang Jc kurzschließt. Der Kurzeohluß des Steuerübergangs ist jedoch fern der Stelle, an der die P-Ieitende Zone 38 durch die !Elektrode 43 bedeckt ist. Dadurch erhält man einen relativ hohen Widerstand zwischen den Elektroden 43 und 45 bzw» zwischen dem Anschluß 1 und des Steueren»ohluß 3» wodurch ein elektrischer Kurzschluß zwischen diesen, beiden verhindert wird·

Das Halbleiterbauelement nach der Pig. 10 arbeitet wie das Halbleiterbauelement naoh der Fig» 9» außer wenn eine positive Spannung zwischen dem Anschluß 3 und dera Anschluß 1 liegt. Xn diesem Zustand ist der DurchsohaltVorgang des.Halbleiterbaualemontea naoh der I^vig« 10 wie bei eines konventionellen S&yrlstor, wobei die Spannungen kleiner ale Sit Durchbruohsapannunge» des SteuerÜbergangs Jc sein kuanen· Das liegt an dtr Steuerelektrode, die den Steuerübergeng J~ teilweise ku?ii~ schließt.

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Die bisher beschriebenen Halbleiterbauelemente aind NPNPN-Glieder, deren drei mittlere Zonen aus einem PNP-Glieä bestehen, an die sich nach außen je eine N-leitende Zone anschließt· Die entsprechenden dualen Halbleiterbauelemente, die in jeder Beziehung identisch zu einem der gezeigten Halbleiterbauelemente sind, bei denen aber alle Zonen vom entgegengesetztem Leitungstyp sind, können in ähnlicher Weise betrieben werden, doch erscheinen die Strom-Spannungs-Charakteristiken (Fig· 5) um 1öO° verdreht. Das gilt euch für die im folgenden beschriebenen Halbleiterbauelemente.

Die dualen Halbleiterbauelemente können auf ähnliche Art hergestellt werden» wobei jedoch von einem P-leitenden Material ausgegangen wird, welches dann die mittlere P-leitende Zone darstellt. Die inneren N-leitenden Zonen werden dann unter Verwendung von Fremdatomen des B-Syps, z.B. Phosphor, an άβη beiden benachbarten Seiten der P-I©itenden Zone so angebracht, wie es oben bezüglich der Zonen 12 und 13 des Halbleiterbauelementes nach ien Pig. 1,2 und 3 beschrieben ist* Schließlich werden die P-leitenden äußeren Zonen und eine geeignet« P-Ieitende Steuer25one, z.B. aus Bor, eindiffundiert und in bekannter Weise die Elektroden angebracht·

Bin Beispiel für ein duales Halbleiterbauelement wird nun an Hand der Fig. 11 beschrieben· Hier besteht der ursprüngliche Halbleiterkörper 46 aus P-leitandern Material, das die mittlere P-leitende Zone 47 bildet. Die K-leitenden Zonen 48 und 49 werden unter Verwendung von z.B, phosphorhaltigen Fremdatomen eindiffundiert· Die P-leitende Steuerzone 50, die P-leitende äußere Zone 51, die hier ringförmig ist, und die P-leitende äußere Zone 52 können z.B. unter Verwendung von Bor «indiffundiert werden. Die P-Ieitende.2one 51 umgibt die Steuerzone 50 ringförmig. Dadurch Überdeckt je ein feil der P-leitenden Zone 51 und der Steueraone 50 sowohl einen Seil dta *n dl·

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Oberfläche tretenden Teils der K-IeItendon Zone 40 ala auch e nen Seil der P-Ieitenden Zone 52. Die Elektroden werden in bekannter Weise angebracht. In dieses) Ausführungsbeispiel ist die eine gemeinsame Elektrode 53 mit der P-leitenden Zone 52 und der !!-leitenden Zone 48 und die andere gemeinsame Elektrode 54 mit der P-leitenden Zone 51 und der H-Ieitenden Zone 49 verbunden. Außerdem ist die Hauptelektrode 54 ringförmig und erstreckt sich an den der Steuerzone 50 entfernten Ende über einen an die Oberfläche tretenden Seil der N-leitenden Zone 49· Zur Steuerung dient die an die Steuerζone 50 angebracht· Elektrode 55. Die Anschlüsse 1 und 2 sind an den Elektroden 54 und 53 und der Steueranschluß 3 an der Steuerelektrode angeschlossen.

Auch bei diesem Halbleiterbauelement sind Uberdeokungen und Strorapfade ausgebildet_t die denen des Halbleiterbauelementes nach der Pig. 9 entsprechen. Der Betriebsoechanismus dieser beiden Halbleiterbauelemente ist ähnlich, wenn man sich vorstellt, daß die U- und P-leitenden Zonen des Halbleiterbauelement θ a nach der Fig. 9 durch Zonen entgegengesetzten Leitungetyps ersetzt sind. Beide Halbleiterbauelemente können alt einem positiven oder negativen Steuerstrom durchgeaehaltet werden, wobei der Anschluß 1 gegenüber dem Anschluß 2 positiv oder negativ sein. kann.

Zur Vergrößerung der Leistung in bezug auf den Stromfluß muß bei dem beschriebenen Halbleiterbauelement entweder der Halbleiterkörper vergrößert werden oder es müssen zusätzliche, geeignet angebrachte, äußere Zonen eingelassen werden, wie es bei dem Halbleiterbauelement nach der Pig. 12 der fall ist, das eine Weiterbildung des an Hand der Flg. 10 beschriebenen llulblelterbaueletoentes 1st und auch in gleicher Weise arbeitet* Dieses Ausführungsbeispiel kann mit einer negativen oder positiven Steuerspannung bezüglich dem Anaohluö 1 durohgesohaltet werden, wobei der Anschluß 1 negativ oder positiv gegenüber dem Anschluß 2 sein kann.

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In dem in der Fig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält der Halbleiterkörper 56 eine mittlere IT-leitende Zone 57 und en deren Seiten zwei P-leitende innere Zonen 58 und 59·

Äußere, N-leitende Teilzonen 60 sind in einen Teil der P-leitenden Zone 59 eingelassen und von dieser durch gleichriohtende Übergänge getrennt. Für einen Stromfluß in entgegengesetzter Richtung sind drei Η-leitende iionen 6iin einen Teil der P-leitenden Zone 53 eingelassen, so daß gleichrichtende übergänge entstehen. Die If-leitenden Teilzonen 61 sind beabstandet, so daß Teile der P-leitenden Zone 53 an die Oberfläche treten. Die Teilzonen 60 und 61 sind so angebracht, daß jede Teilzone P 60 über je einem Teil von zwei Teilzonen 61 und Über einen» an dio Oberfläche.tretenden Teil der P-leitenden Zone 58 liegt. Diese Anordnung erleichtert das Durchschalten des Halbleiterbauelomontes über den gesamten Halbleiterkörper 56.

Auf den Oberflächen des Halbleiterkörper 56 Bind ohmsche Hauptelektroden 62 und 63 angebracht. Die Hauptelektrode 62 bedeckt alle äußeren Ii-Ieitenden Tellzonon 61 und die an die " Oberfläche tretenden Teile der benachbarten P-leitenden Zone 58 und schließt damit die übergänge zwiahen diesen Zonen kurz. Die Hauptelektrode 63 erstreckt sich Über beide äußere N-leitend· Zonen 60, den dazwischen liegenden, an die Oberfläche tretenden» } Teilen der P-leitenden Zone 59 und einen weiteren on die Oberfläche tretenden Teil der Zone 59 (Fig· 12). Die Hauptelektroden 62 und 63 sind alt den Anschlüssen 2 und 1 versehen.

Zur Steuerung dient die N-leitende Steuerzone 64, die zwischen einer N-leitenden Zone 60 und dem Hand des Halbleiterkörpern 56 in die P-leitende Zone 59 eingelassen ist. Sie ist mit einer ohinsohen Elektrode» 65 kontaktiert, die elektrisch alt den SteueransohluQ 3 verbunden ist. Die Steuerelektrode 6| bedeckt auch einen Teil der P-leitenden Zone 59» und zwar an derjenigen Seite der St euer ε one 64, welche von dta dit P-ltittnde Zone 59

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berührenden Teil der Elektrode 6> abgewandt ist. Der Zweck des großen Abßtandes zwischen diesen beiden Kontaktierungen an der P-leitenden Zone 59 ißt der, daß dadurch ein relativ hoher Widerstand swischen den Anschlüssen 1 und 5 besteht, der einen elektrischen Euraachluß zwischen ihnen verhindert Der Pfad von der Steuerelektrode 65 durch die P-leitende Zone 59 unterhalb der äußeren, K-leitenden Steuerelektrode 64 und unterhalb der äußeren ΙΓ-leitenden Teilzonen 60 bis aur Hauptelektrode 63 iet weit genug, um einen hohen Wideretand zu garantieren·

Der rechts von der Schnittlinie 10-10 liegende Teil des Halbleiter baue! ein ent es (3?ig. 12) ist für alle praktischen Zwecke identisch mit dem Halbleiterbauelement nach der Fig. 10 und auch der Einschaltmechaniemue ist bei beiden Halbleiterbauelementen gleich·

Eine Weiterbildung des Halbleiterbauelementes nach der Fig.12_f welche ein» kleinere Steuerzonö ermöglicht, ist in der Fig· 15 gezeigt. Der einzige unterschied besteht in der Ausbildung der Steuerzone und der Steuerelektrode« Die Steuerzone 66 iet hier eine sehr stark N-leitende Zone. Ein Teil des Übergangs zwischen der Steuarzone 66 und eine© Teil 67 der P-leitenden Zone 59 aus sehr stark leitendem Material ist als Tunnelübergang ausgebildet. Diese Teile der Zonen brauchen nicht entartet sein, sondern können die gleichen Eigenschaften wie bei einer Hüok« führungsdiode (backward diode) aufweisen. Die Steuerzone 66 ist mit einer ohmsahen Elektrode 68 versehen· Die Betriebsweise des Halbleiterbauelementee iet die gleiche wie beim Halbleiterbauelement nach der Pig, 12*

Weitere nützliche Ausfuhrungebeispiele erhält man, wenn man auf die Steueraone eines der beschriebenen Halbleiterbauelemente eine Diode oder ein anderes Element mit negativem Widerstand aufsetzt. Das kann, dadurch geschehen, daß men die Diode ssu ti* nea feil des Halblsiterkörpera maoht oder daß roan tiaen ge-

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trennten Halbleiterkörper für die Diode anfertigt und diese denn ciit der Steuerzone kontaktiert. Beispiele flir solche Halbleiterbauelemente sind in den Fig. 14» 15_f 16 und 17 gezeigt.

Das Halbleiterbauelement nach der Pig. 14 unterscheidet eioh von dem nach der Pig. 12 durch eine Diode 69 auf der Steuerelektrode 65. Unabhängig von der Polarität der zwischen den Anschlüssen .1 und 2 liegenden Spannung wird das Halbleiterbauelement durchgeschaltet, wenn die in zwei Richtungen leitfähige Diode 69 durch eine Spannung durchgeschaltet wird,

Dia in awei Richtungen leitf-Uhige Diode 69 ist aus der oben erwähnten deutschen Patentschrift Ho. 1 154 872 bekannt. Sie besteht aus eineia Halbleiterkörper mit fünf Zonen, und zwar aus einer mittleren H-leitenden Zone 70, zwei benachbarten inneren P-loitendon Zonen 71 und 72 und zwei N-leitenden äußeren Zonen 75 und 74, die in die P-leitenden Zonen 71 und 72 eingelassen und von diesen durch PN-Übergangp getrennt sind. Beide ϊί-leitenden Zonen 73 und 74 lassen je einen Seil der P-leitenden Zonen 71 bzw. 72 an die Oberfläche des Halbleiterkörper 69 treten und haben mit diesem die Steuerelektrode 65 bzw. eine am Steusransehluß 3 befestigte Elektrode 75 gemeinsam«

Durch Anschluß der in zwei Richtungen leitenden Diode 69 an die Steuerzone des Kalbleiterbauelementee der Pig. 9 wird ein Halbleiterbauelement geschaffen, welches in zwei Richtungen durchgeschaltet werden kann, wenn die Steuerspannung gleioh oder etwas größer als die Durohbruchspennung der Diode 69 ist (Pig. 15).

Eina andersartige Diode 76 ist in der Pig. 16 in Verbindung mit döa Halbleiterbauelement nach der Pig· 9 gezeigt. Die Diode 76 iat auf die Steuerelektrode 45 baw, ohrasoh auf die Steuerzone 44 aufgesetzt und besteht aus einer bekannten Viereosiohtendiode, die .eine P-I»it«ad· Zone 77» äie Ä-leiteiide

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Zone 73, eine P-leitende Zone 79 und eine K-Ieitende Zone 80 enthält, die elektrisch mit einer Elektrode 81 verbunden iet. Bei negativen Steuerspannungen bezüglich der Elektrode 1 ergibt eich ein Verhalten, vie es beim Durchschalten derartiger PEPN-Dioden üblich ist.

Eine noch andere Möglichkeit, ein Halbleiterbauelement mit negativem Wideretand in den Steuerkreie eines in zwei Richtung on ateuer- und aohalfbaren Halbleiterbauelementes mit drei Anschlüssen einzufügen, zeigt die Pig. 17· Ausgehend von dem Halbleiterbauelement nach der Pig. 9 ohne die Steuerelektrode wird mit einem Energieimpuls ein Steueraneohluß 62 aus Aluminium in die Steuerzone 44 eingeschmolzen* Dadurch entsteht in der !{-leitenden Steuerzone 44 eine P-leitende Zone 83 und dazwischen ein PlJ-tJbergang Jg. Man erhält also im Steuerkreis einen PKP-Lawinentransistor, der die P-leitende Zone 85, die li-leitende Steuerzone 44 und die P-leitende Zone 33 enthält. Bei positiver Spannung der Steuerzone wird der Übergang Jj- beim Errelohen der Durohbruchsspannung leitend* Es werden dann Löcher durch den Übergang Jg injiziert und am Übergang Jc gesammelt. Das gleiche würde man erhalten, wenn man beim Halbleiterbauelement nach der Pig. 1 einen Lawinentransistor im Steuerkreis einfügen würde. Bei negativer Spannung am Steuoranaohluß ist Jc in Vorwärtsrichtung und J^ in Sperr-Richtung vorgespannt. Wenn die Durohbruchspannung von Jg erreicht ist» dann wird Je noch mehr vorgespannt und das Element verhält eich vie «ine Zener-Diode, die mit der Steuerzone nach der Pig. 9 in Serie liegt·

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Claims

O 42 524 VIIIo/21g 13. ?ebr. 1967 General Electric Company RevS-Gu-4178 H89894 Neue Patentaneprtiohe

1.) Xn zwei Richtungen sohaltbares und steuerbares Halbleiterbauelement mit einem aus mindestens fünf Zonen abweohselnd entgegengesetzten Leitungetyps bestehenden Halbleiterkörper und mit je einer gemeinsamen ohmsohen Hauptelektrode an einer äußeren und einem an die Oberfläche tretenden Teil der benachbarten inneren Zone, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Steueranschluß (3,82) an einer einer iiußeren Zone benachbarten inneren Zone angebracht 1st, und daß die senkrechte Projektion jeder äußeren Zone auf die gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörper· die an diese Oberfläche angrenzende äußere Zone und die an diese Oberfläohe tretenden Teile der benachbarten Inneren Zone mindestens teilweise überdeckt. (Pig. 1-17)

2.) Halbleiterbauelement naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die eine äußere Zone aus zwei Teilzonen (17,20 bzw. 40,41) vom gleichen Leitungstyp gebildet ist und daß die ihr zugeordnete Hauptelektrode (15,42) den zwischen den Teilzonen an die Oberfläche tretenden Seil (21) der angrenzenden inneren Zone (12,37) bedeokt. (Pig. 1-4, 9# 10, 15-17)

3.) Halbleiterbauelement naoh Anspruch. 1, dadurch gekennzeichnet , daß die eine äußere Zone (51) ringförmig ist. (Pig. 11)

4.) Halbleiter bauelement naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Andere äußere Zone aus mindesten« drei Seilzonen (61) rom gleichen Leitungetyp

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gebildet ist und daß die ihr zugeordnete Hauptelektrode (62) die zwischen den !Dellzonen on die Oberfläche tretenden Seil· der angrenzenden inneren Zone (58) bedeckt. (Pig. 12-14)

5) Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4» dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Projektion einer äußeren Zone (30) oder einer äußeren Teilzone (17,40,61) auf die gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörper den Steueranachluß bedeckt. (Pig. 1-4, 6-10, 12-17)

6.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Steueranschluß entfernt von derjenigen Stelle angebracht let, an der die zugehörige innere Zone mit der ihr benachbarten äußeren Zone oder alt den ihr benachbarten äußeren Teilzonen durch die Hauptelektrode (16,43,51,63) kurzgeschlossen ist. (Pig. 1-4, 9-17)

7.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Steueransohluß nahe derjenigen Stelle angebracht:ist, an der die zugehörige innere Zone (28) mit der ihr benachbarten äußeren Zone (29) duroh die Hauptelektrode (32) kurzgeschlossen 1st. (Pig. 6-8)

6.) Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 2, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueranschluß mit einer ohmschen Elektrode (18) an derjenigen inneren Zone (13) angebracht 1st, der die aus nur einer Teilzone bestehende äußere Zone (14) benachbart ist· (Pig. 1-4)

9·) Halbleiterbauelement naoh den Ansprüchen 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Steueransohluß durch einen PN-Übergang an eine innere Zone (2ü,38,49,59) angebracht ist, indem eine mit dem Steuerensohluß ohmsoh verbundene Steuerzone (33»44»56,64) vom entgegengesetzten Leitungetyp in die innere Zone eingeladen ist. (Pig. 6-16) 909818/0626 ^BAD

10·) Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, d a d u r ο h gekennzeichnet , daß ein an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tretender Teil des PH-Übergangs (38,44 bzw· 59»64) mittels einer am Steueranschluß angebrachten Elektrode (45,65) an einer Stelle kursgeschlossen ist, die von der der inneren Zone (33,39) benachbarten äußeren Zone (39»60) entfernt ist· (Fig. 10,12,14)

11.) Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-6, 9 und 10, daduroh gekennzeioh ^«„..^ net, daß der Stoueranschluß an derjenigen inneren Zone (59) des Halbleiterkörpers angebracht ist, die der aus zwei Toilaonen bestehender äußeren Sone (60) benachbart iat. (Fig. 12-14)

12·) Halbleiterbauelement naoh einem oder mehreren der Ansprüche 2, 5» 6, 9 und TO, dadurch gekennzeichnet , daß der Stoueransohluß an derjenigen inneren Zone angebracht ist, der die aus nur einer Teilzone bestehende äußere Zone (39) benachbart ist. (Fig. 9*10, 15-17)

13.) Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüohe 9-12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Steueranschluß und dem Halbleiterkörper ein weiterer Halbleiterkörper (69,76) vorgesehen ist.(Tig· 14-16)

14·) Halbleiterbauelement nach Anspruch 13» daduroh gekennzeichnet , daß der weitere Halbleiterkörper eine Hehrsohiohtendiode ist· (fig· 14-16)

15.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 14» d β d u r ο h gekennzeichnet , daß dar Halbleiterkörper (76) aus vier Sohiohten (.77-80) von abweohaelnd entgegengesetztem Leitungstyp besteht· (Pig. 16)

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16.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 14» dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper" aus fünf Schichten (70-74) von abweohselnd entgegengesetztem Leitungstyp besteht, wobei die beiden äußeren Zonen in die angrenzenden inneren Zonen eingelassen sind und mit diesen ohmsche Elektroden (65,75 bzw. 45,75) gemeinsam haben. (Pig» 14-15)

17) Halbleiterbauelement naoh den Ansprüchen 1,2 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Steueranschluß (82) von einem Leltungetyp Über zwei PN-Übergängo (Jr, Jg) an eine innere Zone (38) vom gleiohen Leitungstyp angebracht ist, indem er in eine äußere Zone (44) vom entgegengesetzten Leitungstyp eingeschmolzen ist, die ihrerseits in die innere Zone (38) eingelassen ist. (Fig. 17)

18.) Halbleiterbauelement naoh Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die St euer ζ one (66) «inen Sunnelübergang (67) zur benachbarten inneren Zone (51) aufweist. (Pig. 13)

19.) Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 3, 6 und 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Steueransohluß an derjenigen inneren Zone (49) angebracht ist, die der ringförmigen äußeren Zone (51) benaohbart iat. (Pig. 11)

20.) Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß der Steueranschluß (55) in dem durch die ringförmige äußere Zone (51) an die Oberfläche des Halbleiterkörρera tretenden Seil der inneren Zone (49) angebracht iet. (71g. 11)

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