DE1539982B2

DE1539982B2 - Zweiweg-halbleiterschalter

Info

Publication number: DE1539982B2
Application number: DE1966G0045873
Authority: DE
Inventors: Robert Irvin Skaneateles N Y Scace (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-02-04
Filing date: 1966-01-29
Publication date: 1972-08-24
Also published as: GB1101316A; US3350611A; DE1539982A1; DE1539982C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweiweg-Halbleiterschalter mit einem Halbleiterkörper mit mehreren, schichtförmig aufeinanderfolgenden, PN-Übgänge bildenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, von denen die beiden äußeren, die die Emitterzonen bilden, derart in einen Teil der an sie angrenzenden Zonen eingelassen sind, daß sie einen Teil der Ober- bzw. der Unterseite des Halbleiterkörpers bilden, mit je einer Hauptelektrode an der Ober- und der Unterseite des Halbleiterkörpers, die mindestens einen Teil der Emitterzone und der an sie angrenzenden Zone ohmisch kontaktiert, mit einer im Abstand von der Emitterzone an der Oberseite in die an sie angrenzende Zone eingelassenen Steuerzone, die ebenfalls einen Teil der Oberseite bildet und den gleichen Leitungstyp wie die danebenliegende Emitterzone aufweist, und mit einer die Steuerzone und einen Teil der an die Emitterzone angrenzenden Zone an der Oberseite des Halbleiterkörpers ohmisch kontaktierenden Steuerelektrode.

Ein derartiger Zweiweg-Halbleiterschalter ist bereits bekannt. Er kann auf vielen Gebieten angewendet werden. Er wird bekanntlich beispielsweise in Schaltungen als aktives Schaltungselement verwendet, indem man seine beiden Hauptelektroden in den zu steuernden Stromkreis einschaltet. Im ausgeschalteten Zustand wirkt er dann als hohe Impedanz und stellt, abgesehen von kleinen Kriechströmen, einen offenen Stromkreis dar. Im eingeschalteten Zustand dagegen wirkt er dann als geringe Impedanz und ist für den Strom nahezu ein Kurzschluß. Der Strom kann für eine Spannung eingeschaltet werden, die in einer oder auch in beiden Richtungen an den Hauptelektroden liegt. Das bedeutet, daß der Halbleiterschalter entweder in beiden Stromrichtungen als hohe Impedanz oder in der einen Richtung als hohe Impedanz und in der anderen Richtung als Kurzschluß oder auch in beiden Richtungen als Kurzschluß betrieben werden kann. Weiterhin kann die Zeitspanne, während der der Halbleiterschalter innerhalb einer Halbperiode leitend sein soll, variiert werden. In üblicher Weise

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wird der Halbleiterschalter dadurch leitend gemacht, das Leitendwerden des Halbleiterschalters einleiten, daß eine Spannung angelegt wird, die über die Steuer- bewegt werden sollen. Die Steuerelektrode und die elektrode einen Strom einführt oder herauszieht, der Steuerzone befinden sich also in der Nähe des Beden Stromfluß durch den Halbleiterschalter erhöht. reiches durch den der Hauptstrom des Halbleiter-Dieser Vorgang wird als Durchschalt- oder Einschalt- 5 schalters fließt, d. h. in der Nähe der Hauptstromwege Vorgang bezeichnet. Bei Zweiweg-Halbleiterschaltern für beide Stromrichtungen. Damit werden die auf genügt eine Steuerelektrode zum Einschalten des Grund von quer fließenden Steuerströmen und hohen Halbleiterschalters bei beiden möglichen Stromrich- Steuerspannungen sich ergebenden Schwierigkeiten tungen durch den Halbleiterschalter. Beim Einschal- auf ein Mindestmaß verringert. Die für das Leitendten des Stroms in einer Richtung findet eine andere io werden in entgegengesetzten Richtungen notwendigen Bewegung der Ladungsträger statt als beim Ein- Steuerspannungen sind nahezu symmetrisch,
schalten des Stroms in entgegengesetzter Richtung Ausführungsformen des Zweiweg-Halbleiterschal- und es sind auch die Stromwege verschieden. ters nach der Erfindung werden nachstehend an Hand

Wenn bei einem solchen Zweiweg-Halbleiterschal- der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt

ter die Emitterzone und die Steuerzone aus n-leiten- 15 Fig. 1 die Oberseite und zwei Seitenflächen eines

dem Halbleitermaterial bestehen und die neben der Zweiweg-Halbleiterschalters nach der Erfindung in

Steuerelektrode angebrachte Hauptelektrode positiv, fluchtperspektiver Darstellung,

die gegenüberliegende Hauptelektrode negativ und Fig. 2 die Unterseite und die beiden anderen

die Steuerelektrode beispielsweise ebenfalls positiv Seitenflächen des Zweiweg-Halbleiterschalters nach

vorgespannt ist, dann ist bekanntlich der durch die 20 Fig. 1, ebenfalls in fluchtperspektiver Darstellung,

Steuerzone gebildete PN-Übergang in Sperrichtung Fig. 3 den Zweiweg-Halbleiterschalter nach Fig. 1

vorgespannt, so daß der durch die danebenliegende in parallelperspektiver, auseinandergezogener und

Emitterzone gebildete PN-Übergang leitend wird. geschnittener Darstellung und die Stromwege für

Dementsprechend wird der Halbleiterschalter leitend. eine Durchschaltungsart,

Andererseits wird dieser Halbleiterschalter dann, 25 Fig. 4 den Zweiweg-Halbleiterschalter nach Fig. 1

wenn die neben der Steuerelektrode liegende Haupt- in fluchtperspektiver Darstellung nach einer Drehung

elektrode negativ und die gegenüberliegende Haupt- um 90° um eine vertikale Achse und die Stromwege

elektrode positiv vorgespannt ist, beispielsweise bei für eine andere Durchschaltungsart,

einer negativen Vorspannung an der Steuerelektrode Fig. 5 den Zweiweg-Halbleiterschalter nach Fig. 1

leitend, weil durch diese negative Vorspannung der 30 in fluchtperspektiver, auseinandergezogener und

durch die gegenüberliegende Emitterzone gebildete geschnittener Darstellung und die Stromwege für eine

PN-Übergang leitend wird. dritte Durchschaltungsart und

Das bedeutet, daß der Zweiweg-Halbleiterschalter F i g. 6 und 7 Draufsichten auf die Emitter und für entgegengesetzte Stromrichtungen in verschiedener die Steuerzonen an der Oberseite zweier anderer Weise durchgeschaltet wird. Aus diesem Grund ist 35 Ausführungsformen eines Zweiweg-Halbleiterschales schwierig, die Durchschaltung mit einem gleich ters nach der Erfindung.

großen Steuerstrom und mit einer gleich großen Die Fig. 1 bis 5 und insbesondere die Fig. 1 Steuerspannung für beide Stromrichtungen einzu- und 2 zeigen einen Zweiweg-Halbleiterschalter, der leiten. Gerade das ist aber in vielen Fällen sehr drei Anschlüsse 1, 2 und 3 enthält, die beim Geerwünscht. 40 brauch des Halbleiterschalters in dem zu schaltenden

Ein weiterer Nachteil nahezu aller bekannten Stromkreis liegen. Die den Hauptstrom führenden

Zweiweg-Halbleiterschalter ist die Tatsache, daß Hauptanschlüsse 1 und 2 liegen dann im Haupt-

beim Vergrößern der Fläche des Halbleiterkörpers Stromweg dieses Stromkreises, während der Steuer-

zur Steuerung höherer Ströme die Steuerelektrode anschluß 3 mit einer Quelle verbunden ist, die ein

immer weiter von denjenigen Teilen des Halbleiter- 45 Einschaltsignal geeigneter Polarität liefert, wenn z. B.

körpers entfernt wird, die von ihr gesteuert werden der zwischen den Hauptanschlüssen 1 und 2 liegende

sollten. Die bekannten Probleme mit Querströmen Hauptstromweg in einem hochleitenden Zustand ge-

und hohen Spannungsabfällen sind daher die Ursache bracht werden soll. Der Halbleiterschalter kann mit

großer Beschränkungen für den Aufbau und für die einer positiven oder negativen Steuerspannung Anwendung von Zweiweg-Halbleiterschaltern. 50 (Steuerstrom) gegenüber dem Hauptanschluß 1 durch-

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde geschaltet werden. Wenn daher der untere Haupteinen Zweiweg-Halbleiter zu schaffen, der bei gerin- anschluß 2 positiv oder negativ gegenüber dem gen Querströmen und geringen Spannungsabfällen oberen Hauptanschluß 1 ist, dann stellt entweder ein eine nahezu symmetrische Durchschaltung für die positiver oder ein negativer Steuerstrom den Zustand beiden möglichen Stromrichtungen gestattet. Diese 55 hoher Leitfähigkeit her.

Aufgabe wird bei einem Zweiweg-Halbleiterschalter Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5

der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß der weist einen fünfschichtigen Halbleiterkörper IJi mit

Randteil der Kontaktfläche der Steuerelektrode, der einer inneren N-Basiszone 11 und zwei P-Zonenl2

den PN-Übergang zwischen der Steuerzone und der und 13 auf deren gegenüberliegenden Seiten auf. Die angrenzenden Zone schneidet mit überall gleichem 60 beiden P-Zonenl2 und 13 erfüllen bei der Strom-

Abstand an den Randteil der Kontaktfläche der leitung in entgegengesetzte Richtungen durch den

Hauptelektrode an der Oberseite angrenzt, der den Halbleiterkörper 10 verschiedene Aufgaben. Wenn

PN-Übergang zwischen der Emitterzone an der beispielsweise der Hauptanschluß 2 positiv bezüglich

Oberseite und der angrenzenden Zone schneidet. dem Hauptanschluß 1 ist, dann wirkt die P-Zone 12

Bei dem Zweiweg-Halbleiterschalter nach der 65 als Emitterzone und der PN-Übergang J₁ zwischen

Erfindung sind also die Steuerzone und die Steuer- der P-Zone 12 und der inneren N-Zone 11 als ein

elektrode nahe denjenigen Teilen des Halbleiter- Emitter-PN-Übergang. In diesem Fall stellt die

schalters angeordnet, in denen Ladungsträger, die P-Zone 13 eine Basiszone dar, die von der N-Basis-

zone 11 durch den PN-Übergang J₂ getrennt ist. Bei einer Vertauschung der Polaritäten zwischen den Hauptanschlüssen (Hauptanschluß 1 positiv gegen Hauptanschluß 2) ist die P-Zone 13 Emitterzone und die P-Zone 12 eine innere Basiszone.

Eine N-Zone 14 (Emitterzone) liegt neben einem Teil der P-Zone 13 bzw. grenzt an diesen Teil an und ist von ihm durch einen PN-Übergang /₃ getrennt. Die Emitterzone 14 ist, wie die Figuren zeigen, im wesentlichen rechteckig (von oben gesehen) und bildet die eine Ecke der Oberseite des Halbleiterkörpers IQ- Sie ist mit anderen Worten derart in die nächste angrenzende Zone (P-Zone 13) eingelassen, daß von dieser nur ein im wesentlichen L-förmiger Teil an der Oberseite des Halbleiterkörpers 10 frei bleibt. Wenn der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 positiv ist, dann ist die N-Zone 14 eine Emitterzone und der angrenzende PN-Übergang J₃ ein Emitter-PN-Übergang. Die N-Zone 14 bildet einen Teil des gesamten Hauptstromweges des Halbleiterschalters, doch ist sie bei einer Stromleitung in der entgegengesetzten Richtung nicht Teil des Hauptstromweges.

Um auch für einen Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung (Hauptanschluß 1 positiv bezüglich Hauptanschluß 2) eine der Emitterzone 14 entsprechende Emitterzone und einen entsprechenden Emitter-PN-Übergang herzustellen, ist eine N-Zone 15 (F i g. 2) vorgesehen, die an einen Teil der P-Zone 12 angrenzt und einen PN-Übergang J₅ mit ihr ausbildet, und zwar bei dieser Polarität einen Emitter-PN-Übergang. Die Emitterzone 15 ist, wie am besten die F i g. 2 zeigt, wie der obere L-förmige Teil der P-Zone 13, der nicht von der Emitterzone 14 ausgefüllt ist, L-förmig. Sie ist außerdem, wie die F i g. 1 und 2 zeigen, derart in die Unterseite des Halbleiterkörpers 10 eingelassen, daß sie direkt unterhalb des entsprechenden L-förmigen Teils der P-Zone 13 liegt.

Die Hauptanschlüsse für einen Stromfluß durch den Halbleiterschalter sind mit den ohmschen Hauptelektroden 17 und 18 verbunden, die an der Oberseite und an der Unterseite des Halbleiterkörpers IQ angebracht sind. Die untere Hauptelektrode 17 ist rechteckig und berührt nahezu vollständig die Unterseite des Halbleiterkörpers IQ, d. h. die Emitterzone 15 und den freiliegenden Teil der P-Zone 12. Sie schließt daher den Emitter-PN-Übergang J₅ kurz. Die obere Hauptelektrode 18 ist ebenfalls rechteckig und kontaktiert die Emitterzone 14 und den einen, direkt an ihn angrenzenden Abschnitt des L-förmigen Teils der P-Zone 13. Sie schließt daher einen Teil des Emitter-PN-Übergangs J₃, der die Oberseite des Halbleiterkörpers IQ schneidet, kurz und begrenzt denjenigen Teil der Oberseite, der als Hauptstrombereich bezeichnet werden kann.

Der bisher beschriebene Halbleiterkörper besteht im wesentlichen aus zwei parallelliegenden PNPN-Teilen mit entgegengesetzter Zonenfolge, so daß jedes PNPN-Teil als Vierzonendiode für die Stromleitung in einer der beiden Richtungen dient. Am deutlichsten wird dies aus den F i g. 2 und 5, wenn man nur den unterhalb der Hauptelektrode 18 liegenden Teil des Halbleiterkörpers IQ betrachtet. In der Fig. 2 erscheinen diese beiden PNPN-Teile des Halbleiterkörpers 10 vorn links, während sie in der F i g. 5 als für sich bestehende Teile (rechts im Bild) erscheinen. Die innere N-Zone 11 und die beiden angrenzenden P-Zonen 12 und 13 sind beiden Vierzonendioden gemeinsam. Die beiden Emitterzonen 14 und 15 bilden dagegen die beiden parallelliegenden PNPN-Dioden jeweils die restliche N-Zone.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des Halbleiterschalters denke man sich an den beiden Hauptanschlüssen 1 und 2 eine Wechselspannungsquelle. Für beide Halbperioden sei der Halbleiterschalter weiterhin im eingeschalteten Zustand. Wenn der Hauptanschluß 1 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 2 ist, dann wird in demjenigen Teil des Halbleiterkörpers 10 ein Strom geführt, der unterhalb der Kontaktfläche von Hauptelektrode 18 und P-Zone 13 liegt, d. h., bei dieser Polarität bildet dieser Teil den Hauptstromweg. Ist dagegen der Hauptanschluß 1 negativ gegenüber dem Hauptanschluß 2, dann ist die entgegengesetzt gepolte PNPN-Diode in entgegengesetzter Richtung leitend. In diesem Falle wird also der Hauptstromweg von demjenigen Teil des Halbleiterschalters IQ gebildet, der unterhalb der Kontaktfläche von Hauptelektrode 18 und Emitterzone 14 liegt. Bei einem Stromfluß in beiden Richtungen zwischen den Hauptanschlüssen 1 und 2 trägt also der gesamte zwischen den Hauptelektroden 17 und 18 liegende Teil des Halbleiterkörpers 10 zur Stromleitung bei.

Ein Übergang von einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand kann dadurch bewirkt werden, daß man die Durchbruchsspannung des entsprechenden sperrenden PN-Ubergangs überschreitet, indem man die angelegte Spannung oder die Temperatur schnell vergrößert oder ihn einem sehr intensiven Licht aussetzt. Es sei beispielsweise der Hauptanschluß 2 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 1, d. h. J₂ sei der sperrende PN-Übergang. Beim Überschreiten der Durchbruchsspannung von /, bewirkt eine lawinenartige Verstärkung einen Anstieg des Stroms durch den Halbleiterschalter. Löcher, die aus dem vorwärts gespannten PN-Übergang Z₁ emittiert werden, diffundieren durch die N-Zone 11 hindurch, werden bei J₂ gesammelt und fließen von dort quer zur Hauptelektrode 18. Wenn dieser in Querrichtung vorspannende Strom in der P-Zone 13 genügend groß wird, um dort einen Spannungsabfall von einigen Zehntel Volt zu bewirken, dann beginnt die N-Zone 11 in die P-Zone 13 zu injizieren, so daß derjenige Teil des Halbleiterschalters, der die Emitterzone 14, die P-Zone 13, die N-Zone 11 und die P-Zone 12 enthält, in den leitenden Zustand übergeht. Dieser Vorgang ist für Zweiweg-Halbleiterschalter charakteristisch, d. h. immer dann, wenn die Durchbruchsspannung eines sperrenden PN-Übergangs überschritten wird (z. B. von durchlaufenden Spannungsstößen), wird er für jede der beiden Polaritäten einfach in den leitenden Zustand geschaltet. Ein Durchschalten mit Licht, Temperatur oder Spannungsanstiegsgeschwindigkeit hat eine ähnliche Wirkung. Wenn der Strom durch den Halbleiterkörper 10 ansteigt, dann bildet der Querstrom eine genügend hohe Spannung an dem kurzgeschlossenen Emitter-PN-Übergang aus, so daß eine Ladungsträgerinjektion und ein anschließendes Durchschalten die Folge ist. Beim Durchschalten mit hohen Temperaturen oder mit hohen Lichtintensitäten wird der erhöhte Strom von Löcher-Elektronen-Paaren bewirkt, die in den Basiszonen entstehen. Beim Durchschalten mit Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dagegen ist der Steuerstrom eine Folge von Ladungsverschiebungen aus der Verarmungszone,

wenn sich am sperrenden PN-Übergang eine Spannung ausbildet, die ein Ansteigen der Stromdichte und damit ein Durchschalten des Halbleiterschalters bewirkt.

Damit auch mittels einer Steuerelektrode durchgeschaltet werden kann, ist eine N-leitende Steuerzone 19 vorgesehen, die in der P-Zone 13 eingelassen ist und in der Nähe der Emitterzone 14 und des von der Hauptelektrode 18 bedeckten Teils der Zone 13 liegt. Ein Steuer-PN-Übergang zwischen der N-leitenden Steuerzone 19 und der angrenzenden P-Zone ist mit /₄ bezeichnet. Auf der Steuerzone 19 ist eine ohmsche Steuerelektrode 20 befestigt, die mit einem Steueranschluß 3 verbunden ist. Die Steuerelektrode 20 berührt sowohl den Steuer-PN-Ubergang/₄ als auch die angrenzende P-Zone 13, damit wie im folgenden erläutert wird, zusätzliche Steuerungsmöglichkeiten vorhanden sind. Es ist aber wichtig, daß eine Verlängerung der Schnittlinie zwischen der Oberseite des Halbleiterkörpers 10 und dem kurzgeschlossenen Teil des PN-Übergangs /₃ über denjenigen Teil der angrenzenden P-Zone 13 verläuft, in welchem die Steuerzone 19 und die Steuerelektrode 20 gelegen sind. Die Bedeutung hiervon liegt darin, daß die Steuerzone 19 auf diese Weise für beide Stromrichtungen näher an den Hauptstromwegen liegt, als dies bei den meisten bekannten Halbleiterschaltern der Fall ist. Bei diesen bekannten Halbleiterschaltern ist die Steuerzone beispielsweise derart angebracht, daß der Hauptstromweg für die eine Stromleitungsrichtung zwischen der Steuerzone und dem Hauptstromweg für die entgegengesetzte Stromrichtung angeordnet ist.

Das Anlegen kleiner Steuerspannungen beliebiger Polarität bezüglich der Hauptelektrode 18 bewirkt einen Löcherstrom zwischen demjenigen Teil der Steuerelektrode 20 und demjenigen Teil der Hauptelektrode 18, die beide mit der P-Zone 13 in ohmschem Kontakt stehen. Nur ein dünner Streifen der P-Zone 13 trennt die Steuerzone 19 von der Emitterzone 14. Ein Teil des Stroms fließt auch in diejenigen Teile der P-Zone 13, die unterhalb der Emitterzone 14 und der Steuerzone 19 liegen. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen beträgt z. B. der Widerstand zwischen der Hauptelektrode 18 und der Steuerelektrode 20 100 bis 200 Ohm, d. h., ein Strom von 5 mA durch diesen Teil hebt die Spannung zwischen der Hauptelektrode 18 und der Steuerelektrode 20 auf mehr als 0,5 Volt. Wenn der Steueranschluß 3 negativ bezüglich des Hauptanschlusses 1 ist, dann werden aus dem Steuer-PN-Ubergang J₄ Elektronen längs des Randes der Hauptelektrode 18 neben der Steuerzone 19 und der P-Zone 13 injiziert. Wenn der Steueranschluß 3 positiv ist, dann ist der Steuer-PN-Übergang /₄ in Sperrichtung vorgespannt und die Elektroneninjektion geht vom Emitter-PN-Ubergang J₃ nahe der Steuerzone 19 aus.

An Hand der F i g. 1 bis 5 werden die verschiedenen Durchschaltungsarten erklärt. Wenn beispielsweise der Hauptanschluß 2 bezüglich des Hauptanschlusses 1 positiv und der Steueranschluß 3 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 1 ist, dann ist der Durchschaltvorgang genauso wie bei einem Thyristor. Da der PN-Übergang /₅ ein wenig in Sperrichtung vorgespannt ist, spielt er in diesem Fall keine besondere Rolle.

Ist der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 positiv, der Steueränschluß 3 dagegen gegenüber dem Hauptanschluß 1 negativ, dann ist der Steuer-PN-Ubergang /₄ vorwärts vorgespannt. Infolgedessen werden aus der Steuerzone 19 Elektronen in die angrenzende P-Zone 13 injiziert. Der Durchschaltvorgang kann am besten an Hand der Fig. 3 erklärt werden. Elektronen, die aus der Steuerzone 19 emittiert werden, erniedrigen das Potential der inneren-N-Zone 11 bezüglich der P-Zone

12 und spannen daher den PN-Übergang J₁ in Vorwärtsrichtung mehr vor. Der PN-Übergang J₅ zwischen der P-Zone 12 und der Emitterzone 15 zwingt jedoch die durch den PN-Übergang J₁ unterhalb der Steuerzone 19 (durchgezogene Pfeile in Fig. 3) fließenden Löcher, seitlich zwischen den PN-Übergängen J₁ und J₅ in der zwischen der Emitterzone 15 und der N-Zone 11 liegenden P-Zonen 12 weiterzufließen. Der entstehende Spannungsabfall erzeugt eine Löcherinjektion aus der P-Zone 12 in die N-Zone 11 unterhalb der Emitterzone 14. Dieser Durchschalt-Vorgang ist von nun an von dem Verhältnis der Widerstände der N-Zone 11 und der P-Zone 12 abhängig. In jedem Fall wird jedoch der im rechten Teil der F i g. 3 liegende Teil des Halbleiterschalters, der die Emitterzone 14, die P-Zone 13, die N-Zone 11 und die P-Zone 12 enthält, in den leitenden Zustand durchgeschaltet. Denn zwischen den PN-Ubergängen J₁ und J₅ können in Querrichtung Löcher fließen und den aus P-Zone 12, N-Zone 11, P-Zone

13 und Steuerzone 19 gebildeten Teil leitend machen. Beim Anwachsen dieses Stroms werden dann noch mehr Löcher aus der P-Zone 13 in die N-Zone 11 injiziert, was ein Durchschalten des rechten Teils des Halbleiterschalters zur Folge hat. Aber auch ein anderer Durchschaltvorgang ist möglich, wenn nämlieh der PNPN-Teil im rechten Teil der F i g. 3 vor dem links liegenden, die Steuerzone 19 enthaltenden Abschnitt durchgeschaltet wird. In beiden Fällen wird jedoch der rechts in der F i g. 3 liegende PNPN-Teil leitend.

Wenn der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 negativ und der Steueranschluß 3 gegenüber dem Hauptanschluß 1 ebenfalls negativ ist, dann ist der Steuer-PN-Übergang J_i in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Zur Erklärung wird in diesem Fall die F i g. 4 herangezogen. Wie immer ist hier der Elektronenstrom durch einen gestrichelten und der Löcherstrom durch einen durchgezogenen Pfeil dargestellt. Da der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 negativ" ist, bewirken die Elektronen, die vom PN-Übergang J₂ zwischen der P-Zone 13 und der N-Zone 11 eingesammelt werden, daß die N-Zone 11 noch negativer wird. Die Folge davon ist eine Injektion von Löchern aus der P-Zone 13 über den PN-Übergang J₂ in die N-Zone 11. Wenn

die N-Zone 11 ein genügendes Potential erreicht hat, dann wird der aus P-Zone 13, N-Zone 11, P-Zone 12 und N-Zone 15 gebildete Teil des Halbleiterkörpers 10 in den leitenden Zustand übergehen.

Eine weitere Einschaltungsart, die an Hand der Fig. 5 beschrieben wird, ergibt sich, wenn der Hauptanschluß 1 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 2 und der Steueranschluß 3 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 1 ist. In diesem Fall ist der Steuer-PN-Übergang/₄ in Sperrichtung vorgespannt und daher unwirksam. Da aber der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 negativ ist, werden aus der Emitterzone 14 durch den Emitter-PN-Übergang J₃ Elektronen in die P-Zone 13 injiziert. Diese wer-

den am nächsten PN-Übergang J₂ gesammelt. Dadurch wird das Potential der N-Zone 11 gegenüber dem der P-Zone 13 verringert, so daß der PN-Übergang J₂ mehr in VorwärtsridUung vorgespannt wird. Im rechten Abschnitt der Figur werden Löcher injiziert (durchgezogene Pfeile), die auf den PN-Übergang Z₁ zwischen der N-Zone 11 und der P-Zone 12 hin diffundieren. Sie werden durch einen Löcherstrom in der P-Zone 13 längs eines Weges zugeführt, der beim Hauptanschluß 1 nahe der linken Seite der Emitterzone 14 beginnt und dann zwischen den PN-Übergängen J₂ und J_s in der P-Zone 13 nach rechts verläuft, bis die Stelle der Löcherinjektion erreicht ist. Dieser Löcherstrom erzeugt längs dieses Wegs einen Spannungsabfall, der den PN-Übergang J₂ zusätzlich vorwärts vorspannt und bewirkt, daß die Stelle der Löcherinjektion von der äußersten rechten Seite des Halbleiterkörpers 10 in die Nähe der äußersten linken Seite der Emitterzone 14 verschoben wird. Da die Stromdichte wächst, diffundieren diese Löcher durch die N-Zone 11 hindurch und werden durch den PN-Übergang J₁ gegenüber der Stelle der Injektion gesammelt. Nach der Sammlung bei dem PN-Übergang J₁ fließen die Löcher seitlich in die P-Zone 12 und verursachen einen seitlichen Spannungsabfall in dieser Zone zwischen den PN-Übergängen J₁ und J₅. Erreicht der Spannungsabfall einige Zehntel Volt, dann werden durch die N-Zone 15 Elektronen injiziert und derjenige Teil des Halbleiterkörpers 10, der die P-Zone 13, die N-Zone 11, die P-Zone 12 und die Emitterzone 15 enthält, wird in den leitenden Zustand überführt.

Bei allen Durchschaltarten findet auf Grund der erfindungsgemäßen Anordnung der Steuerzone 19 für beide Stromrichtungen ein möglichst rascher Stromaustausch mit dem Hauptstromweg statt.

Außer dem oben beschriebenen sind noch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich. Die F i g. 6 zeigt beispielsweise einen im wesentlichen rechteckigen Halbleiterkörper 25 mit einer kammartigen Emitter-Hauptelektrode, die ebenfalls in beide Richtungen leitend gemacht werden kann. Wie das Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 bis 5 enthält der Halbleiterkörper nach der F i g. 6 eine mittlere Zone (nicht gezeigt), die an den beiden entgegengesetzten Seiten mit zwei untereinander gleich, gegenüber dieser mittleren Zone aber entgegengesetzt dotierten äußeren Zonen verbunden ist (nur eine äußere Zone 28 ist gezeigt). Die Emitterzonen sind in die äußeren Zonen eingelassen, wobei nur eine Emitterzone 29 sichtbar ist. Wie auch bei dem vorigen Ausführungsbeispiel besitzt die auf der entgegengesetzten Seite liegende Emitterzone die gleiche Form wie die an der Oberseite des Halbleiterkörpers, wenn man den von der oberen Emitterzone (hier 29) bedeckten Teil des Halbleiterkörpers nicht mitzählt. Aus diesem Grunde ist hier nur eine Draufsicht gezeigt.

Beim Halbleiterschalter nach der F i g. 6 ist eine Steuerzone 26 im wesentlichen rechteckig ausgebildet und längs der einen Kante des reckteckigen Halbleiterkörpers 25 in diesen eingelassen, während eine Steuerelektrode 27 die in der F i g. 6 angegebene Lage einnimmt. Sie ragt über die Steuerzone 26 hinaus und kontaktiert auch die Oberfläche der angrenzenden Zone 28, in die die Steuerzone 26 eingelassen ist. Die Emitterzone 29, die den gleichen Leitfähigkeitstyp v/ie die Sieuerzone 26 und den entgegengesetzten wie die angrenzende Zone 28 aufweist, ist in der angrenzenden Zone 28 eingelassen. Sie ist kammförmig ausgebildet und besitzt streifenförmige Teile 30, die auf die Steuerzone 26 zu gerichtet sind

ίο und einen derartigen Abstand aufweisen, daß sich zwischen den benachbarten Teilen der Steuerzone 26 und der Emitterzone 29 ein Stück der angrenzenden Zone 28 befindet. Die Emitterzone 29 ist von der Hauptelektrode 31 kontaktiert. Diese Hauptelektrode 31 kontaktiert außer der Emitterzone 29 auch einen Teil der angrenzenden Zone 28, damit ein kurzgeschlossener Emitter-PN-Übergang entsteht. Wie auch in dem vorigen Ausführungsbeispiel sind die Emitterzone 29 und die angrenzende Zone 28 Hauptstromv/ege für einen Stromfluß in entgegengesetzte Richtungen durch den Halbleiterkörper 25. Außerdem ist die Steuerzone bei dem erfindungsgemäßen Zweiweg-Halbleiterschalter in der Nähe beider Hauptstromwege angeordnet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Zweiweg-Halbleiterschalters nach der Erfindung mit einer ähnlichen kammartigen Emitterzonenform zeigt die F i g. 7. Auch hier ist nur eine Draufsicht gezeigt, da die Erfindung die Lage der Steuerzone und der Steuerelektrode im Halbleiterkörper bezüglich den beiden Hauptstromwegen betrifft und die anderen Zonen wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen angeordnet sind. Nach der F i g. 7 ist der Halbleiterkörper 35 rund, und eine Emitterzone 36, die wieder im wesentlichen kammförmig und außerdem an einer Seite und an ihrem Kammrücken dem runden Halbleiterkörper 35 angepaßt ist, ist in eine angrenzende Zone 37 eingelassen. Sie besitzt daher einen Kammrückenteil 38, der relativ schmal und dabei bogenförmig ist, der innen an der angrenzenden Zone 37 anliegt. Außerdem hat sie streifenförmige Teile 39, die längs der Oberseite des Halbleiterkörpers 35 in Richtung auf eine Steuerzone 40 abstehen, die hier die Form eines Kreisabschnittes aufweist (ein Abschnitt desjenigen Kreises, der den äußeren Rand der kammförmigen Emitterzone 36 begrenzt). Eine Steuerelektrode 41 kontaktiert die Steuerzone 40 und außerdem einen Teil der angrenzenden Zone 37. Der Kontakt liegt am äußeren Rand des Halbleiterkörpers 35. Weiterhin ist auf der Oberseite des Halbleiterkörpers 35 eine Hauptelektrode 42 befestigt, die einen größeren Teil der Emitterzone 36 und mindestens die zwischen ihren streifenförmigen Teilen 39 liegenden Abschnitte der angrenzenden Zone 37 kontaktiert. Wie es die F i g. 7 zeigt, bildet die Hauptelektrode 42 den Abschnitt eines Kreises, dessen Durchmesser kleiner als der des die Emitterzone 36 begrenzenden Kreises ist. Die Hauptelektrode 42 kann aber so groß sein, daß sie auch denjenigen Teil der angrenzenden Zone 37 berührt, der zwischen dem kreisförmigen Rand der Emitterzone 36 und dem kreisförmigen Rand . des Halbleiterkörpers 35 liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zweiweg-Halbleiterschalter mit einem Halbleiterkörper mit mehreren, schichtförmig aufeinanderfolgenden, PN-Übergänge bildenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, von denen die beiden äußeren, die die Emitterzonen bilden, derart in einen Teil der an sie angrenzenden Zonen eingelassen sind, daß sie einen Teil der Ober- bzw. der Unterseite des Halbleiterkörpers bilden, mit je einer Hauptelektrode an der Ober- und Unterseite des Halbleiterkörpers, die mindestens einen Teil der Emitterzone und der an sie angrenzenden Zone ohmisch kontaktiert, mit einer im Abstand von der Emitterzone an der Oberseite in die an sie angrenzende Zone eingelassenen Steuerzone, die ebenfalls einen Teil der Oberseite bildet und den gleichen Leitungstyp wie die danebenliegende Emitterzone aufweist, und mit einer die Steuerzone und einen Teil der an die Emitterzone angrenzenden Zone an der Oberseite des Halbleiterkörpers ohmisch kontaktierenden Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Randteil der Kontaktfläche der Steuerelektrode (20), der den PN-Übergang zwischen der Steuerzone (19) und der angrenzenden Zone (13) schneidet, mit überall gleichem Abstand an den Randteil der Kontaktfiäche der ■ Hauptelektrode (18) an der Oberseite angrenzt, der den PN-Übergang zwischen der Emitterzone

(14) an der Oberseite und der angrenzenden Zone

(13) schneidet. ■: ^:

2. Zweiweg-Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fünf schichtförmig aufeinanderfolgende, PN-Ubergänge bildende Zonen (15, 12, 11, 13, 14) abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps vorgesehen sind, von denen die an der Unterseite eingelassene Emitterzone

(15) die gleiche Gestalt hat, wie der Teil der an die Emitterzone (14) an_s der Oberseite angrenzenden Zone (13), der einen Teil der Oberseite bildet.

3. Zweiweg-Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gerade durch den geradlinigen Randteil des PN-Übergangs zwischen der Emitterzone (14) an der Oberseite und angrenzenden Zone (13), die von der Hauptelektrode (18) an der Oberseite kontak- ; tiert ist, die Kontaktfläche der Steuerelektrode (20) schneidet und daß ein weiterer Randteil des PN-Übergangs 'zwischen der Emitterzone (14) an der Oberseite und der angrenzenden Zone (13) zwischen dem Randteil der Kontaktfläche der Hauptelektrode (18) und dem angrenzenden Randteil der Kontaktfläche der Steuerelektrode (20) verläuft. ·.:.· , ■ ■;

4. Zweiweg-Halbleiterschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Oberseite eingelassene Emitterzone (14) rechteckförmig und dabei so bemessen und angeordnet ist, daß der Teil der an die Emitterzone angrenzenden Zone (13), der einen Teil der Oberseite bildet, L-förmig ist, daß die Hauptelektrode (18) an der Oberseite ebenfalls rechteckförmig ist und sich über einen Arm des L-förmigen Teils der an die Emitterzone

(14) angrenzenden Zone (13) erstreckt und daß eine im wesentlichen rechteckförmige Steuerzone

(19) in dem anderen Arm des L-förmigen Teils der an die Emitterzone angrenzenden Zone (13) eingelassen ist.

5. Zweiweg-Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittlinie des PN-Übergangs zwischen der Emitterzone (29, 36) an der Oberseite und der an sie angrenzenden Zone (28, 37) auf der Oberseite eine kammartige Form hat, die durch einen Kammrückenteil (38) der Emitterzone (29, 36) längs der einen Kante des Halbleiterkörpers (25, 35) und mindestens zwei voneinander Abstände aufweisende streifenförmige Teile (30, 39) entsteht, die vom Kammrückenteil (38) abstehen und zwischen sich jeweils einen Teil der an die Emitterzone angrenzenden Zone (28, 37) an der Oberseite treten lassen, und daß ferner die Hauptelektrode (31, 42) an der Oberseite die Emitterzone (29, 36) und Teile der an sie angrenzenden Zone zwischen den streifenförmigen Teilen (30, 39) der Emitterzone (29, 36) kontaktiert.