DE2137211A1 - Hybrider Leistungsbaustein - Google Patents

Hybrider Leistungsbaustein

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Description

General Electric Company, Schenectady, U.Y., V.St.A.
Hybrider Leistungsbaustein
Die Erfindung bezieht sich auf hybride Leistungsbausteine mit einem thermisch leitenden Substrat mit einer elektrisch isolierenden Hauptoberfläches an der ein ieistungswechselrichtsr.thermisch leitend angeordnet ist.
Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit einem Baustein zum Wechselrichten elektrischer Leistung und zur Speisung ainer Einrichtungsschalter--Versorgungsdiode.
Es sind zahlreiche Leistungsschaltungen bekannt? hei denen
si ο
eine Schaltungsanordnung, wie/in Figur 1 der Zeichnungen dargestelly, verwendet wird. Bei der in dieser Figur beschriebenen Schaltung 100 ist eine Wechselstromstelle 102 an Eingangsklemmen 104 und 106 einer Vollweg-Wechselrichterbrücke 108 angeschlossen. Die Eingangsklemmen der Brücke sind beide mit der positiven Ausgangsbrückenklemme 110 über Gleichrichterdioden 112 und 114 verbunden, deren Anoden mit den Eingangsklemmen und deren Kathoden mit der positiven Ausgangsklemme verbunden sind. In ähnlicher Weise sind Gleichrichterdioden 116 und 118 zwischen die Eingangsklemmen und die Ausgangsklemmen 120 geschaltet, wobei jedoch ihre Anoden mit der negativen Ausgangsklemme und ihre Kathoden mit den Eingangsklemmen verbunden sind. Die negative Ausgangsklemme 120 der Brücke ist meistens mit einer negativen Lastklemme 122 verbunden. Die positive Ausgangsklemme ist mit einer positiven Lastklemme 124 über einen Schalter 126 verbunden. Ganz allgemein kann der Schalter aus" einem oder mehreren
Halbleiterbaulelementen bestehen« Beispielsweise kann der Schalter ein gesteuerter Siliziumgleichrichter sein, dessen
ι η *■» ft λ /■» / <i λ <·
Anode mit der positiven Ausgangsbrückenklemme verbunden ist und dessen Kathode mit der positiven Lastklemme 224 verbunden ist. Der gesteuerte Siliziumgleichrichter kann durch Lawinenanordnungen oder Steuerschaltungen gesteuert werden, wie es in der Technik gut bekannt ist. Die Brücke liefert an den Schalter
keinen durchgehenden Gleichstrom. Zweimal, während jedes Zyklus des Wechselstrom nähert sich der Strom am Ausgang dem Wert Null. Bei einem gesteuerten Siliziumgleichrichter bedeutet dies, daß während jedes Zyklus der Strom durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter, zweimal unter den Haltestrom absinkt und daß die Leitung durch den gesteuerten Siliziumgleichrichter wie-) der entweder durch einen Steuerimpuls/cfurch Lawinentriggerung ©ingeleitet werden muß. Wenn die Last eine Induktivität aufweist, die an den Klemmen 122 und 124 anliegt, dann kann die Anode dea gesteuerten Silisiumsgleichrichters zu Beginn jedes Halbzyklus gegenüber seiner Kathode negativ vorgespannt werden. Um uim die unerwünschte Wirkung auszuschalten, die dann auftritt, wenn eine Hückwärtsspannung an einen gesteuerten Siliziumgleichrichter mit induktiver Last angelegt wird, ist es üblich , dem gesteuerten Siliziumgleichrichter eine Diode in Rückwärtsrichtung parallel zu schalten. Dies ist in Figur 1 durch die Diode 128 dargestellt, deren Kathode mit der positiven Ausgangsklemme und der Anode mit der positiven Lastklemme verbunden ist.
Aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß die Schaltung mindestens 5 Dioden und einen Schalter erfordert. Wenn jede Punktion von einem diskreten Halbleiterbauelement ausgeführt wird, dann müssen sechs Bauelemente oder Bausteine in einer Schaltungsanordnung vorgesehen werden. Da man die Nachteile von einer solchen Schaltungsanordnung bei Anwendungen in der Raumfahrt, beim Zusammenbau und hinsichtlich der Kosten erkannt hat, wurde bisher vorgeschlagen, die Brückendioden als integrierte Bauelemente oder Bausteine zu integrieren. Eine sich dabei ergebende Anordnung ist beispielsweise in dem US-Patent 3 383 760 von Shwartzman und in dem US-Patent 3 462 655 von Ooblenz beschrieben sowie in der Patentanmeldung Nr von McCanr
mit dem Titel "Integrated Semiconductor Rectifiers and Processes
for their Pabrication"und in der Patentanmeldung Nr
ebenfalls von McCann mit dem Titel "Unitary Full Wave Inverter"
i, wobei die beiden zuletzt genannten Anmeldungen gleichzeitig wie die^vorliegende!Patentanmeldung entsprechende US-Patentanmeldung eingereicht wurdet Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß selbst dann, wenn die Brückendioden integriert werden, die Schaltung 100 immer noch drei getrennte Schaltungselemente oder Bausteine bei der Herstellung nach dem bekannten Verfahren erfordert.
Es ist demgemäß Aufgabe der Erfindung, einen einheitlichen Leistungsbaustein zu schaffen, der die Punktionen einer Vollweg-Brückenschaltung und einer Schalterversorgungsdiode ausführen kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein erster und ein seitlich im Abstand davon angeordneter zweiter Ausgangskontakt vorgesehen sind, daß ein dritter und ein seitlich im Abstand davon angeordneter vierter Eingangskontakt vorgesehen sind, von denen jeder einen Teil aufweist, der sowohl über dem ersten als auch dem zweiten Ausgangskontakt in einem bestimmten Abstand angeordnet ist, daß eine Halbleiterbrücke Einrichtungsstromwege zwischen dem ersten Kontakt und dem dritten und dem vierten Kontakt und entgegengesetzt gerichtete Einrichtungsstromwege zwischen dem zweiten Kontakt und dem dritten und den vierten Kontakt vorsieht, daß einer der Eingangs- und Ausgangskontakte zwischen der Halbleiterbrücke und dem Substrat angeordnet ist und dort eine thermisch leitende Verbindung vorsieht, daß eine Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung einen Einrichtungsstromweg vorsieht, daß ein fünfter und ein sechster Kontakt leitend mit der Halbleiterschalterversorgungseinrichtung verbunden ist, und daß entweder der fünfte oder der sechste Kontakt zu der HaIbleiterschalterversorgungsvorrichtung gehört, wodurch ein thermischer Leitweg zwischen der Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung und dem Substrat gebildet ist.
Gemäß der Erfindung wird ein einziger Leistungsbaustein vorgesehen, der die Punktionen einer Vollwegbrücke, eines Schalters
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und einer Schalterversorgungsdiode ausführen kann, wobei die Brückendioden integriert sind und die Nebenschlußdiode entweder mit dem Schalter oder der Brücke integriert ist.
Ein Leistungswechselrichter ist thermisch leitend auf der Substratoberfläche angeordnet, der einen ersten und einen zweiten seitlich in einem bestimmten Abstand angeordneten elektrisch leitenden Ausgangskontakt aufweist. Es sind ein dritter und ein vierter, seitlich in einem bestimmten Abstand voneinander elektrisch leitender Eingangskontakt vorgesehen, von denen jeder einen Teil aufweist, der über sowohl den ersten als auch dem
fe zweiten Kontakt angeordnet ist als auch von diesem einen bestimmten Abstand hat. Die Halbleiterbrücke enthält Einrichtungsstromwege zwischen dem ersten Kontakt und dem dritten und vierten Kontakt und sie weist Einrichtungsstromwege entgegengesetzter Richtung zwischen dem zweiten Kontakt und dem dritten und dem vierten Kontakt auf. Einer der Eingangs- und Ausgangskontakte ist zwischen der Halbleiterbrücke und dem Substrat angeordnet und bildet zwischen diesen einen thermisch leitenden Pfad. Eine Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung bildet einen Einrichtungsstrompfad. Ein fünfter und ein sechster Kontakt sind mit der Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung verbunden und es ist entweder der fünfte oder sechste Kontakt mit der Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung so verbunden, daß ein thermisch
* leitender Pfad zwischen der Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung und dem Substrat entsteht.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer gut bekannten Schaltung, die eine Vollwegbrücke, einen Schalter und eine Schalternebenschlußdiode aufweist,
Pig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterkörpers gemäß der Erfindung,
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Fig. 3 eine Ansicht eines hybriden Leistungsbausteins gemäß der Erfindung von oben,
Pig. 4, 5 und 6 Schnitte längs der Linien 4-4, 5—5 und 6-6 in Figur 3,
Fig. 7 eine Ansicht eines abgewandelten hybriden Leistungsbau«*
steins gemäß der Erfindung und
Fig. 8 und 9 Schnitte längs der Linien 8-8 und 9-9 in Figur 7.
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In den Figuren 3 bis 6 ist ein hybrider Leistungsbaustein 300 dargestellt, der ein Substrat oder einen Substratkörper 302 aufweist, der aus elektrisch isolierendem, thermisch leitendem Werkstoff, beispielsweise Beryllium-Oxyd, Aluminium-Oxyd, Aluminium-Nitrit, Bor-Nitrit usw. besteht. Das Substrat weist eine elektrisch isolierende Hauptfläche 304 auf, auf der mehrere Kontakte seitlich gegeneinander versetzt angeordnet sind. Diese Kontakte enthalten einen ersten Eingangskontakt 306, einen zweiten Eingangskontakt 308, öinen ersten Ausgangskontakt 310, einen zweiten Ausgangskontakt 312 und einen Schalterausgangskontakt 314. Aus den Zeichnungen, und zwar insbesondere aus den Figuren 3, .5 und 6 ist es erkennbar, daß der erste Ausgangskr takt 310 auf drei Seiten seitlich gegenüber dem zweiten Ausgangskontakt 312 in einem bestimmten Abstand angeordnet ist.
Ein Einheitshalbleiterkörper 400 ist über dem ersten und dem zweiten Ausgangskontakt angeordnet. Der Aufbau des Halbleiterkörpers 400 läßt sich am besten in Figur 2 erkennen. Der Halbleiterkörper weist eine erste N+-dotierte Zone 402 auf, die neben einer ersten Hauptoberfläche 404 angeordnet ist* Eine zweite Zone 406 P-Leitfähigkeitstyp liegt auch neben der ersten Hauptoberfläche } und sie ist seitlich von der ersten Zone durch eine erste Rille 408 getrennt angeordnet, die sich zu der ersten Hauptoberfläche hin öffnet. Eine dritte Zone 410 vom N+-Leitfähigkeitstyp liegt ebenfalls neben der ersten Hauptoberfläche, und sie ist seitlich von der zweiten Zone durch eine zweite Rille 412 getrennt angeordnet, die sich auch zu der ersten Hauptoberfläche hin öffnet. Eine vierte Zone vom P-Leitfähigkeitstyp ist neben einer zweiten Hauptoberfläche 414 angeordnet und sie ist durch eine dritte Rille 416, die sich zu der zweiten Hauptoberfläche hin öffnet, in zwei Abschnitte 418A und 418B aufgeteilt, die beide über der ersten Zone liegen und mit dieser getrennte gleichrichtende Übergänge bilden. Eine fünfte Zone ist in ähnlicher Weise neben der zweiten Hauptoberfläche angeordnet und sie ist durch die dritte Rille in zwei Abschnitten 420A und 420B aufgeteilt. Die fünfte Zone ist N+-dotiert und jeder ihrer Abschnitte bildet einen getrennten gleiohrich-
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tenden Übergang mit der zweiten Zone. Eine sechste Zone vom P-Leitfähigkeitstyp ist durch die dritte Rille in zwei, Abschnitte 422A und 422B aufgeteilt, die beide gleichrichtende Übergänge mit der dritten Zone bilden. Die erste und die dritte Rille schneiden sich, so daß eine Öffnung 424 entsteht, während sich die zweite und die dritte Rille so schneiden, daß eine Öffnung 426 entsteht.
Aus den Figuren 5 und 6 erkennt man, daß die erste und die dritte Zone über Teilen des ersten Ausgangskontakts angeordnet sind. Die zweite Zone ist über einem Teil des zweiten Ausgangskontakts angeordnet. Der erste und der zweite Ausgangskontakt bilden nicht nur einen elektrisch leitenden Kontakt mit der ersten, der zweiten und der dritten Zone, sondern sie bilden auch einen thermisch leitenden Pfad von dem Halblleiterkörper 400 zu dem Substrat. Ferner läßt sich erkennen, daß sowohl der erste als auch der zweite Ausgangskontakt seitlich unter dem Halbleiterkörper 400 herausragen, so daß die Befestigung von äußeren Anschlußleitungen an den Kontakten des Bausteins erleichtert ist.
Gemäß den Figuren 3 und 4 ist ein· Thyristorhalbleiterkörper 316 über dem ersten Ausgangskontakt angeordnet. Der Thyristor-Halbleiterkörper enthält in einem einzigen Kristall hintereinander angeordnet eine PNPN-Folge von Schichten, wobei die äußerste P-Schicht oder die Anoden-Emitter-Schicht mit dem ersten Hauptkontakt verbunden ist. Mit der äußersten N-Schicht oder Kathoden-Emitter-Schicht des Thyristor-Halbleiterkörpers ist ein Nebenschlußleiter 318 verbunden, an dem ein Verbindungsstreifen 320 vorgesehen ist, der seitlich wegragt, und damit über den Abschnitten der sechsten Zone des Halbleiterr körpers 400 liegt und mit diesem eine elektrische Verbindung macht. Um die Übertragung von Beanspruchungen zwischen den Halbleiterkörpern durch den Verbindungsstreifen möglichst gering zu halten, ist ein die Beanspruchungen vermindernder Bogen 322 vorgesehen. Der Nebenschlußleiter weist auch einen zweiten Verbindungsstreifen 324 auf, der auch einen die Spannungen vermindernden Bogen enthält,und der eine elektrische
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Verbindung zwischen der Kathoden-Emitter-Schicht des Thyristor-Halbleiterkörpers und dem Schalterausgangskontakt 314 bildet. Ein Steuerkontakt 326 ist gegenüber dem Nebenschlußleiter seitlich versetzt und ist mit der inneren P-Schicht oder der Kathoden-Basis-Schicht des Thyristor-Halbleiterkörpers verbunden. Ein Teil der Kathoden-Basis-Schicht, der zwar nicht in den Zeichnungen sichtbar ist, ragt in bekannter Weise zu der Oberfläche des Halbleiterkörpers, die von dem Substrat entfernt ist, und zwar über eine Fläche, die etwa ebenso groß ist, wie der Steuerkontakt. Die ersten Abschnitte der vierten und fünften Zonen sind elektrisch mit dem ersten Eingangskontakt durch einen Verbindungsstreifen 328 verbunden, dessen eines Ende mit " den ersten Segmenten der vierten und fünften Zone und dessen entgegengesetztes Ende mit dem ersten Eingang kontaktverbunden ist, wobei ein die Beanspruchungen vermindernder Bogen 330 zwischen den beiden Verbindungsstellen vorgesehen ist. In ähnlicher Weise ist ein Verbindungsstreifen 332 vorgesehen, der in der Mitte einen Bogen 334 aufweist und der die zweiten Segmente der vierten und fünften Zonen mit dem zweiten Eingangskontakt verbindet.
Ein passivierender Schutzkörper 336 ist in den Rillen angeordnet und er umgibt den Halter der Körper, so daß er die Oberflächenteile des Halbleiterkörpers, die von den Rändern der ) gleichrichtenden Übergänge geschnitten werden einfüllt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird durch den passivierenden Schutzkörper zusammen mit den zugehörigen Kontakten und Verbindungen der Halbleiterkörper vollständig eingekapselt. Wenn der passivierende Schutzkörper aus einem Werkstoff besteht, wie beispielsweise Glas, welches für äußere Verunreinigungen sehr undurchlässig ist, dann ist keine weitere Umhüllung erforderlich, um den Halbleiterkörper zu schützen. Anstelle von Glas als passivierendem Schutzwerkstoff können Oxyde, Nitrite, Silikon, Harze und Firnisse, Epoxydharze und andere bekannte Passivierungsmittel verwendet werden. Der Thyristoj.rhalbleiterkörper ist mit einem passivierenden Schutzkörper 338 versehen, der ähnlich dem Schutzkörper des Halbleiterkörpers 400
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■ sein kann. Wenn man es wünscht, können zusätzliche Schutzänordnungen, die nicht dargestellt sind, zum weiteren Schutz der Halbleiterkörper verwendet werden.
Es läßt sich erkennen, daß der Baustein 300 bei seiner Anordnung die Schaltungsfunktionen einer Gleichrichterbrücke 108 eines Schalters 126 und einer zu dem Schalter parallelgeschalteten Diode 128 in einer Schaltung 100 ausführt. Damit sind alle eine Leistung übernehmenden Teile der Schaltung, außer der last, in einem einzigen Baustein miteinander verbunden, der ohne weiteres an einem Gehäuse oder an einem Wärmeableiter zur Abführung von Wärme angebracht sein kann. Dem Substrat wird Wärme von dem Thyristor und den Halbleiterkörpern der Brücke durch den ersten und den zweiten Ausgangskontakt zugeführt, die eine Verbindung mit geringer thermischer Impedanz darstellen. Das Substrat weist die Wärme wiederum zu dem Körper (an dem es befestigt ist) zurück, während es gleichzeitig die Bausteinkörper davon elektrisch isoliert. Der zweite Ausgangskontakt 312 des Bausteins kann als negative .·:..'·;; Lastdnschlußklemme 122 dienen, während der Schalterausgangskontakt 314 als positive Lastanschlußklemme 144 dienen kann. Wenn man die Last zwischen den Schalter 126 und die positive Brückenanschlußklemme 110 und nicht die negative Brückenanschlußklemme 120, so wie es dargestellt ist, schalten will, dann ist es nur notwendig, den Halbleiterkörper 400 so auszubilden, .daß er elektrisch zu der dargestellten Ausführungsform komplementär ist. Das heißt, die erste, die dritte und die fünfte Zone müßten aus P-dotiertem Material bestehen, während die zweite, die vierte und die sechste Zone aus N-dotiertem Material bestehen müßten.
Bei dem hybriden Leistungsbaustein 300 ist die parallel geschaltete Diode 108 in den Halbleiterkörper als dritte und sechste Zone integriert. Wenn auch die sechste Zone durch die dritte Rille in zwei Abschnitte aufgeteilt ist, so ist es jedoch nicht notwendig, die sechste Zone durch eine Rille zu teilen. Die sechste Zone ist nur deshalb durch eine Rille ge-
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teilt, weil dies bei den meisten Herstellungsverfahren einfacher ist, als irgendwie zu versuchen, die Ausdehnung der dritten Rille zu begrenzen. Natürlich kann auch nur eine Hälfte der dritten und der sechsten Zone dazu verwendet werden die parallel geschaltete Diode zu finden. Beispielsweise kann in Figur 2 der Teil des Halbleiterkörpers, der entweder auf der rechten oder auf der linken Seite der Y-Achse liegt und der ferner hinter der Z-Achse liegt, entfernt sein.
Es ist jedoch nicht unbedingt notwendig, die parallel geschaltete Diode in den Halbleiterkörper 400 zu integrieren. Wenn der Halbleiterkörper 400, so wie es in Figur 2 dargestellt ist, längs der Z-Achse unterteilt wäre, dann wäre der Teil des Körpers, der vor der Z-Achse liegt, eine integrierte Vollweg-Brückenschaltung bilden. Die parallel geschaltete oder Paralleldiode könnte dann getrennt vorgesehen sein. Eine bevorzugte Ausführungsform, nach der die Paralleldiode außerhalb der Brückenschaltung vorgesehen wird, ist so ausgebildet, daß die Paralleldiode in den Thyristor-Halbleiterkörper integriert wird.
Der hybride leistungsbaustein 200, der in den Figuren 7 bis 9 dargestellt ist, stellt eine bevorzugte Ausführungsform eines solchen Bausteins dar. Ein elektrisch und thermisch leitendes " Substratj welches aus Metall, beispielsweise Kupfer oder Aluminium besteht, ist mit einer Schicht 204 aus thermisch leitendem, elektrisch isolierendem Werkstoff versehen, wie es schon bei dem Substrat 302 beschrieben wurde. Die Schicht 204 kann ferner als dünne Schicht aus einem elektrisch isolierendem Harz, beispielsweise aus Teflon, Mylar, Epoxydharz usw. ausgebildet sein. Auf der elektrisch isolierenden Oberfläche, die durch die Schicht 204 gebildet wird, sind seitlich in bestimmtem Abstand voneinander Eingangskontakt 206 und 208, ein negativer Brückenausgangskontakt 210, ein positiver Brückenausgangskontakt 212 und ein Schalterausgangskontakt 214 angeordnet. Der Brückenhalbleiterkörper 216 entspricht dem Teil des Halbleiterkörpers,' aer in Figur 2 dargestellt ist, welcher vor der
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Z-Achse liegt. Wenn man die Zonen in der oben angegebenen Art bezeichnet, dann liegt die erste Zone über dem ersten Brückenausgangskontakt 212 und ist elektrisch und thermisch leitend mit diesem verbunden, während die zweite Zone in ähnlicher Y/eise zu dem negativen Brückenausgangskontakt 210 angeordnet ist. Identische, seitlich voneinander getrennte Verbindungsleiter 218, von dem jeder einen Bogen 220 aufweist, verbinden einen Abschnitt jeder der vierten und fünften Zone (in diesem Fall liegen die dritte und die vierte Zone in dem Halbleiterbrückenkörper ) mit den Brückeneingangskontakten.
Der Thyristor-Halbleiterkörper 222 ist seitlich in einem bestimmten Abstand von dem Brückenhalbleiterkörper angeordnet
VLDQT
und er ragt elektrisch und thermisch leitend/einen Teil des positiven Brückenausgangskontakts. Der Thyristor-Halbleiterkörper enthält hintereinander angeordnete Zonen, die eine HTPN-Polge bilden. Die äußerste P-dotierte Zone ist elektrisch leitend mit dem positiven Brückenausgangskontakt verbunden. Es ragt ferner ein begrenzter Teil der N-dotierten Zwischenschicht, der mit dem Bezugszeichen 224- versehen ist9 bis zu diesem Kontakt. Ein Verbindungsleiter 226 ist elektrisch leitend mit der äußersten N-dotierten Schicht verbunden und er ist ferner mit einem begrenzten Teil der P-dotierten Zwischenschicht,- der mit dem Bezugszeichen 228 versehen ist, verbunden. Folglich ist dem Anoden-Emitter-tibergang 230 des Thyristor-Halbleiterkörpers der positive Brückenausgangskontakt parallel geschaltet, während dem Kathoden-Emitter-Ausgang 232 entsprechend der Verbindungsleiter 226 parallel geschaltet ist. Dabei bleibt der Kollektor-Übergang 234 des Thyristor-Körpers ohne Parallelschaltung. Der Verbindungsleiter 226 enthält einen Verbindungsstreifen 236, der zur Verminderung von Beanspruchungen einen Bogen aufweisen kann und durch den eine elektrische Verbindung mit dem Schalterausgangskontakt vorgesehen wird. Passivieren^ Schutzkörper 238 und 240 umgeben den Halbleiterbrückenkörper und den Thyristorkörper des Bausteins 200 ähnlich wie bei dem Baustein 300. Ein Steuerkontakt 242 ist mit einem Teil der P-dotierten Zwischenschicht, die nicht dargestellt ist, in bekannter Weise verbunden.
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Der hybride Leistungsbaustein 200 wird in der gleichen Weise wie der Baustein 300 befestigt und verv/endet. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß der Brückenhalbleiterkörper 216 keine Paralleldiode aufweist, da dieses Bauelement nun in dem Thyristorhalbleiterkörper enthalten ist. Wenn eine induktive Last eine Rückwärtsvorspannung an den Thyristor-Halbleiterkörper anzulegen sucht, dann wird wegen der N-dotierten Zwischenschicht, die einen Teil 224 aufweist, der leitend mit dem Kontakt 212 verbunden ist und wegen der P-leitenden Zwischenschicht, die einen Teil 228 aufweist, der mit dem Verbindungsleiter 226 in Kontakt ist, nur der Kollektorübergang 234 den positiven Brückenausgangskontakt von dem Schalterausgangskontäkt. Wenn jedoch irgendeine Tendenz zu einer Rückwärtsvorspannung in dem Thyristor vorliegt, dann ist der Kollektorübergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt und deshalb leitend. Folglich weist der in dieser Weise ausgebildete Thyristor-Halbleiterkörper keine nennenswerten Sperreigenschaften für die Rückwärtssperrspannung auf und er ist das funktional Äquivalent zu einem bekannten gesteuerten Siliziumgleichrichter, der beträchtliche Sperreigenschaften für die Rückwärtsspannung aufweist zusammen mit einer getrennten Paralleldiode.
Bei der Schaltung 100 hat die Diode 128 die wesentliche Schaltungsfunktion, daß sie zu dem Schalter 216 einen Nebenschluß bildet. Es ist auch ganz allgemein üblich, als Schalter dienende Dioden an anderen Stellen einer Schaltung vorzusehen. Beispielsweise kann die für den Schalter vorgesehene Diode 128 nicht so angeordnet werden, daß sie einen Nebenschluß zu dem Schalter bildet, sondern sie kann so angeordnet sein, daß sie einen Nebenschluß für die Last bildet. Bei einem solchen Fall ist die Anode der Diode mit der Anschlußklemme 122 und die Kathode der Diode mit der Anschlußklemme 124 verbunden. An dieser Stelle dient die Diode dazu, die Schaltungseinschaltstöße zu vermindern, die beim Schalten auftreten können. Wenn eine solche Diode mit reaktiven Lasten verwendet wird, dann wird sie häufig als frei laufende Diode bezeichnet.
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Natürlich kann der Baustein 300 so abgewandelt werden, daß eine Versorgungsdiode verwendet wird, die bei dem Halbleiterkörper · 400 als frei laufende Diode vorgesehen war.. Um dies zu erreichen ist es nur notwendig, die elektrische Verbindung der ersten und der dritten Zone durch eine elektrische Verbindung zwischen der dritten Zone und dem Schalter-ausgangskontakt 314 zu ersetzen. Die elektrische Verbindung der sechsten Zone mit der Kathode des Thyristorkörpers wird durch eine elektrische Verbindung der sechsten Zone mit der zweiten Zone ersetzt. Eine Abwandlung des Bausteins 300, bei der die Versorgungsdiode und die Laatanschlußklemmen zwischen die Brücke und die Anode des Thyristorkörpers geschaltet ist, könnte im Hinblick auf die oben beschriebene Möglichkeit ohne weiteres durchgeführt werden. Die Versorgungsdiode kann auch auf andere Weise dazu verwendet werden, .; das Schalten zu erleichtern, wobei dann die Versorgungsdiode in Reihe mit dem Thyristor geschaltet wird und die Last in ihrer Polarität so mit den Verbindungen verbunden wird, daß sie einen Strom, in der gleichen Richtung wie der Thyristor durchläßt. Wenn die Versorgungsdiode auf diese Weise verschaltet ist, dann $irkt sie in der Schaltung einen kleinen Vorwärtsspannungsabfall in Reihe mit dem Thyristor. Wenn die Eingangsfrequenz der Brücke groß ist, dann kann der periodische Potentialabfall an dem Thyristor nicht genügend Dauer besitzen, so daß der Thyristor nicht leitend gemacht werden kann. Wenn man jedoch die Versorgungsdiode in Reihe mit dem Thyristor schaltet, dann kann das Zeitintervall während welchem das Potential an dem Thyristor unter dem Haltewert liegt, vergrößert werden und es wird daher sichergestellt, daß der Thyristor zweimal während jedes folgenden Eingangszyklus abschaltet. Anders betrachtet, können die annehmba*- ren Abschaltzeifctoleranzen für einen bestimmten Thyristor eine vorgegebene Frequenzanwendung als Folge der Anwendung der Versorgungsdiode erweitert werden. Um eine/Sonaltungsanordnung ■ . der Versorgungsdiode in dem Baustein 300 zu erhalten, iet es nur notwendig, die elektrische Verbindung von der ersten Zone zu der Thyristoranode durch/elektrische Verbindung von der ersten Zone zu der sechsten Zone zu ersetzen. Die elektrische Verbindung der sechsten Zone mit der Thyristorkathode ist na-
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türlich weggelassen. Die elektrische Verbindung der dritten Zone mit der Thyristor-Anode wird unberührt gelassen. Damit liegt die Versorgungsdiode in Reihe mit der Last zwischen der Thyristor-Anode und der positiven Anschlußklemme der Brücke, Ähnliche Anordnungen der Versorgungsdiode zwischen dem Thyristor und der Last oder der Last und der Brücke können entsprechend den obigen Angaben von einem Fachmann ohne weiteres vorgenommen werden.
Neben der beschriebenen Ausführungsform sind natürlich auch noch zahlreiche weitere Abwandlungen möglich. Beispielsweise ist es möglich, anstelle des beschriebenen integrierten Brücken-
W halbleiterkörper mehrere diskrete Halbleiterkörper zu verwenden, die vorzugsweise in einer einzigen Einheit mit Hilfe eines gemeinsamen passivierenden Schutzwerkstoffes verbunden sind, wie es in dem oben erwähnten Patent vonShwartzman beschrieben ist. Beispielsweise könnte der Halbleiterkörper 400 längs der X-, Y- und der Z-Achse zertrennt werden und die sich ergebenden diskreten Körper könnten einzeln befestigt sein. Die Zonen der Brückenhalbleiterkörper müssen nicht durch schwach dotierte mittlere Zonen vom N-Leitfähigkeitstyp getrennt sein, sondern sie können durch schwach dotierte Zonen vom P—Leitfähigkeitstyp oder durch Intrinsic-Zonen voneinander getrennt sein oder es kann die mittlere Zone, die die Zonen*}?- und N -Leitfähig-
| keitstyp trennt, vollständig weggelassen sein. Die Brückenausgangskontakte müßten nicht mehr neben den Substrat-Oberflächen befestigt werden und es würde deshalb nicht mehr als übliche mechanische Geschicklichkeit notwendig sein,11S^e Halbleiterkörper zu invertieren, so daß die Eingangsbrückenkontakte neben dem Substrat liegen und die äußeren Brückenkontakte über den Halbleiterkörpern angeordnet sind.
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Claims (18)

1 ./Hybrider Leistungsbaustein mit einem thermisch leitenden-' Substrat mit einer elektrisch isolierenden Hauptoberfläche, an der ein Leistungswechselrichter thermisch leitend angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß ein erster (310) und ein seitlich im Abstand davon angeordneter zweiter (312) Ausgangskontakt vorgesehen sind, daß ein dritter (306) und ein seitlich im Abstand davon angeordneter vierter (308) Eingangskontakt vorgesehen sind, von denen jeder einen Teil aufweist, der sowohl über dem ersten als auch dem zweiten Ausgangskontakt in einem bestimmten Abstand angeordnet ist, daß eine Halbleiterbrücke Einrichtungsstromwege zwischen dem ersten Kontakt (310) und dem dritten und dem vierten Kontakt (306, 308) und entgegengesetzt gerichtete Einrichtungsstromwege zwischen dem zweiten Kontakt und dem dritten und den vierten Kontakt (306, 308) vorsieht, daß einer der Eingangs- und Ausgangskontakte zwischen der Halbleiterbrücke und dem Substrat (302Jangeordnet ist und dort eine thermisch leitende Verbindung vorsieht, daß eine Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung (128) einen Einrichtungsstromweg vorsieht, daß ein fünfter und ein sechster Kontakt leitend mit der Halbleiterschalterversorgungseinrichtung (128) verbunden ist, und daß entweder der fünfte oder der sechste Kontakt zu der Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung (128) gehört, wodurch ein thermischer Leitweg zwischen der Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung (128) und dem Substrat gebildet ist.
2. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbrücke und die Halbleiterschalterversorgungsvorrichtung aus einem einzigen monokristallinen Halbleiterkörper bestehen.
3· Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Schalter vorgesehen ist, daß einer der Kontakte mit dem Schal-
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ter leitend verbunden ist und zwischen dem Schalter und dem Substrat angeordnet ist, so daß zwischen diesen beiden ein thermischer Leitungsweg entsteht. y
4. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter ein Thyristor-Halbleiterbauelement ist.
5. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kontakte, der zu der Schalterversorgungseinrichtung (128) führt, leitend mit einem der Ausgangskontakte verbunden ist.
6. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Kontakte von dem Substrat in einem gewissen Abstand angeordnet ist und eine Verbindungsleitung (318) aufweist.
7. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Kontakte von dem Substrat in einem bestimmten Abstand angeordnet ist und daß dieser Kontakt eine Verbindungsleitung aufweist, um seitliche Beanspruchungen aufzunehmen.
8. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (318) einen Bogen (322) zur Verminderung der Spannungen aufweist.
9. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbrücke und die Halbleiterschalterversorgungseinrichtung ein passivierendes Schutzmittel aufweisen, das· sich so an die Kontakte anschließt, daß die Halbleiterbrücke und die HaIbleiterschalterversorgungsvorrichtung eingekapselt sind.
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10. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem thermisch leitenden, elektrisch isolierendem Werkstoff besteht.
11. Hybrider leistungsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat auf der Basis eines thermisch und elektrisch leitenden Werkstoffs gebildet ist, der einen Überzug aus thermisch leitendem, elektrisch isolierendem Material auf seiner einen Oberfläche aufweist.
12. Hybrider Leistungsbaustein mit Kontakten und--· einer Halbleiterbrücke nach Anspruch'. 1 ,
dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Halbleiterschalternebenschlußvorrichtung (198) ein in einer Richtung verlaufender Leitungsweg um einen Schalter vorgesehen ist, daß die Nebenschlußvorrichtung leitend mit dem Ausgangskontäkt verbunden ist, um einen in einer Richtung verlaufenden Leitungsweg durch die Nebenschlußvorrichtung vorzusehen, daß alle in einer Richtung verlaufende Strompfade, die weiter oben erwähnt worden sind, an die Ausgangskontakte, die mit den Nebenschlußvorrichtungen verbunden sind, in einer Richtung ausgerichtet sind, und daß die Nebenschlußvorrichtung einen Kontakt aufweist, der mit einer Anschlußklemme des Schalters verbunden wird, daß einer der Kontakte, der mit der Halbleiternebenschlußvorrichtung verbunden ist, zwischen der Nebenschlußvorrichtung in dem Substrat angeordnet ist und zwischen diesen einen Leitungsweg herstellt und daß die Ausgangskontakte, die mit der Nebenschlußeinrichtung verbunden sind, eine Einrichtung zur Verbindung mit der anderen Anschlußklemme des Schalters aufweisen.
13. Hybrider Leistungsbaustein mit nach Anspruch 1 vorgesehenen Kontakten,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterbrücke aus einem monokristallinen Halbleiterkörper gebildet ist, der eine erste Rille (408) aufweist, die sich zu
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den Ausgangskontakten hin öffnet, und der eine zweite Rille (416) aufweist, die sich zu den Eingangskontakten hin öffnet, daß eine erste Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps neben dem ersten Kontakt liegt und auf einer Seite von der ersten Rille begrenzt ist, daß eine zweite Zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps neben dem zweiten Kontakt liegt und von der ersten Zone durch die erste Stelle getrennt ist, daß - eine dritte Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps über der e rsten Zone angeordnet ist, so daß sie mit dieser einen gleichrichtenden Übergang bildet, daß die dritte Zone durch die zweite Rille (416) in zwei seitlich voneinander im Abstand angeordnete Abschnitte aufgeteilt wird und daß eine vierte Zone des ersten Leitfähigkeitstyps über der zweiten Zone angeordnet ist, so daß sie mix dieser einen gleichrichtenden Übergang bildet, daß die vierte Zone durch die zweite Rille in zwei im Abstand voneinander angeordnete Abschnitte aufgeteilt wird, daß einer der Eingangsund Ausgangskontakte zwischen der Halbleiterbrücke und dem Substrat angeordnet ist und zwischen diesen einen thermischen Leitungsweg bildet, daß eine Halbleiterschalternebenschlußvorrichtung einen Einrichtungsstromweg um einen Schalter vorsieht, daß die Nebenschlußvorrichtung leitend mit einem der Ausgangskontakte verbunden ist, um einen Einrichtungsstromweg durch die Nebenschlußvorrichtung zu bilden, daß alle erwähnten Stromwege mit dem Ausgangskontakt verbunden sind, der zu der Neben-Schlußvorrichtung, der entsprechend ausgerichtet ist, gehört, und daß die Nebenschlußvorrichtung einen Kontakt aufweist, der eine Verbindung mit einer Anschlußklemme des Schalters herstellt, daß einer der Kontakte, die mit der Halbleiterschalternebenschlußvorrichtung verbunden sind, zwischen der Nebenschlußvorrichtung und dem Substrat angeordnet ist.und dort einen thermischen Leitungsweg bildet und daß die Ausgangskontakte der Nebenschlußvorrichtungen zur Verbindung der verbleibenden Anschlußklemme des Schalters dienen.
14. Hybrider Leistungsbaustein mit vier Kontakten nach Anspruch1 dadurch gekennzeichnet, daß ein fünfter Kontakt seitlich von dem ersten und dem zweiten Kontakt getrennt
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angeordnet ist, daß ein sechster Kontakt seitlich getrennt von dem dritten und vierten Kontakt angeordnet ist, und einen Teil aufweist, der über· den fünften Kontakt ragt, daß ein monokristalliner Halbleiterkörper mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen zwei seitlich voneinander getrennt angeordnete Rillen aufweist, die sich zu der ersten Hauptoberfläche hin öffnen,sowie eine dritte Rille, die sich zu der zweiten Hauptoberfläche hin öffnet, und die beiden ersten Rillen schneidet, daß eine erste Zone eines ersten leitfähigkeitstyps mit dem ersten Kontakt in Verbindung ist und an einen Rand der ersten Rille angrenzt, daß eine zweite Zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps an dem zweiten Kontakt angeordnet ist und durch die beiden ersten Rillen begrenzt ist* daß eine dritte Zone des ersten Leitfähigkeitstyps an den fünften Kontakt angeschlossen ist und durch einen Rand der zweiten Rille begrenzt ist, daß eine vierte Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps über der ersten Zone liegt und mit dieser einen gleichrichtenden Übergang bildet, daß die vierte Zone durch die dritte Rille in zwei Abschnitte aufgeteilt ist, wobei jeder der Abschnitte der vierten Zone mit einem getrennten Eingangskontakt verbunden ist, daß eine fünfte Zone des ersten Leitfähigkeitstyps über der zweiten Zone angeordnet ist und mit dieser einen gleichrichtenden Übergang bildet und durch die dritte Rille in zwei Abschnitte aufgeteilt wird, daß jeder Abschnitt der fünften Zone mit einem getrennten Eingangskontakt verbunden ist, daß eine sechste Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps über der dritten Zone angeordnet ist und mit dieser einen gleichrichtenden Übergang bildet und leitend mit dem sechsten Kontakt verbunden ist, daß der erste, der zweite und der fünfte Kontakt längs der ersten Hauptoberfläche angeordnet sind und der dritte, der vierte und der sechste Kontakt längs der zweiten Hauptoberfläche angeordnet sind, und daß die Kontakte, die mit einer Hauptoberfläche des Halbleiterelements verbunden sind, einen thermischen Leitungspfad geringer Impedanz von dem Halbleiterkörper zu dem Substrat bilden.
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15. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 14,
da durch gekennzeichnet, daß ferner ein Schalter leitend mit einem der Kontakte verbunden ist und ferner thermisch leitend mit dem Substrat verbunden ist.
16. Hybrider Leistungsbaustein mit einem thermisch leitenden" Substrat mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche an der ein Leistungswechselrichter thermisch leitend angeordnet ist, dadurch geken.η zeichnet, daß ei#monokristalliner Halbleiterkörper vorgesehen ist, der zwei gegenüberliegende Hauptoberflächen aufweist, der zwei seitlich in einem Abstand voneinander befindliche Rillen enthält, die sich zu der ersten Hauptoberfläche hin öffnen und der ferner eine dritte Rille aufweist, die.sich zu der zweiten Hauptoberfläche hin öffnet, daß eine erste Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps neben der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und auf einer Seite durch die erste Rille begrenzt ist, daß eine zweite Zone eines zweiten Leitfähigkeitstyps an der ersten Hauptoberfläche angeordnet ist und durch die erste und die zweite Rille begrenzt ist, daß eine dritte Zone des ersten Leitfähigkeitstyps neben der ersten Hauptfläche angeordnet ist und an einem Rand durch die zweite Rille begrenzt ist, daß eine vierte Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps über der ersten Zone angeordnet ist und mit dieser einen gleichrichtenden Übergang bildet, wobei die vierte Zone durch zwei Rillen in zwei Abschnitte aufgeteilt ist, daß eine fünfte Zone des ersten Leitfähigkeitstyps über der zweiten Zone angeordnet ist und mit dieser einen gleichrichtenden Übergang bildet, wobei die fünfte Zone durch die dritte Rille in zwei Segmente aufgeteilt ist und daß eine sechste Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps über der dritten Zone angeordnet ist, und einen gleichrichtenden Übergang mit dieser Zone bildet.
17. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, der zweite und der fünfte Kontakt mit der ersten, der zweiten bzw. der dritten Zone verbunden sind, daß der dritte und der
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vierte Kontakt jeweils mit einem anderen der Abschnitte der vierten und der fünften Zone verbunden ist, daß die Abschnitte, die zu dem dritten und dem vierten Kontakt gehören, nahe beieinande^iiegen , daß ein sechster Kontakt leitend mit der sechsten Zone verbunden ist und daß passivierende Schutzvorrichtungen mit dem Halbleiterkörper verbunden sind und so an die Kontaktvorrichtungen angrenzen, daß der Halbleiterkörper vollständig umschlossen ist.
18. Hybrider Leistungsbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein HaIbleiterthyristorkörper eine äußere Schicht vom N-Ieitfähigkeitstyp eine Zwischenschicht vom P-Leitfähigkeitstyp, eine weitere Zwischenschicht vom N-Leitfähigkeitstyp und eine' äußere Schicht vom P-Leitfähigkeitstyp enthält, wobei diese Schichten oder Zonen hintereinander angeordnet sind, daß eine Thyristor-Kontaktvorrichtung leitend mit einer der äußeren Schichten und der daran angrenzenden Zwischenschicht verbunden ist, daß eine zweite Thyristorkontaktvorrichtung leitend mi "· der anderen äußeren Schicht und der daran angrenzenden Zwischenschicht verbunden ist, und daß eine der Thyristor-Kontaktvorrichtungen einen thermischen Leitungsweg von dem Thyristorkörper zu dem Substrat vorsieht.
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