DE2716874A1

DE2716874A1 - Eigengeschuetzte halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2716874A1
Application number: DE19772716874
Authority: DE
Inventors: Armand Pasquale Ferro; Victor Albert Keith Temple
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1976-04-19
Filing date: 1977-04-16
Publication date: 1977-10-27
Also published as: GB1515836A; CA1089111A; FR2349216A1; JPS52138880A; FR2349216B1; SE7704360L; DE2716874C2; US4012761A; JPS5641180B2; SE424485B

Description

Eigengeschützte Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft Halbleiterschalter, sie bezieht sich insbesondere auf eigengeschützte Thyristoren, die in der Lage sind, den Stromfluß in elektrischen Hochspannungsschaltungen oder -netzen zu steuern.

Es ist eine Eigenschaft von Halbleiterschaltern und insbesondere von Thyristoren, daß diese beim Anlegen einer die Durchbruch spannung übersteigenden Spannung die Neigung besitzen, zerstört auszufallen. Dies hat seine Ursache zu einem großen Maß darin, daß das Verhalten dieser Anordnungen im mikroskopischen Bereich nicht vorhereagbar ist. Je größer eine physikalische Anordnung ist, um so größer ist die Möglichkeit für lokale Inhomogenitäten in der Halbleiterkristallstruktur. Es ist daher üblich, Schutzeinrichtungen eng mit derartigen Halbleiteranordnungen zu verbinden, um die Zerstörung der Anordnungen durch einen Überspannungs-

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durchbruch zu vermeiden. Zum Schutz von Thyristoranordnungen ist es üblich, parallel zum Anoden- und Steuerelektrodenanschluß eine weitere Anordnung vorzusehen, die eine vorhersagbare Spannungsdurchbruchscharakteristik besitzt, so daß der Strom in dieser Anordnung bei einer Spannung fliesst, die kleiner als die Durchbruchsspannung der Hauptanordnung ist. Auf diese Weise wird eine Thyristoranordnung veranlasst, beim Anlegen eines Steuerelektrodensignals zu zünden, wobei die Spannung kleiner als diejenige Spannung ist, die anderenfalls die Zerstörung der Anordnung zur Folge hätte. Obwohl diese Schutzart in vielerlei Hin sieht wirkungsvoll ist, besitzt sie einige Grenzen, die durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden. So ist es z.B. oft der Fall, daß die Hauptanordnung und die Schutzanordnungen verschiedene und voneinander unabhängige Toleranzen besitzen, da Hauptanordnung und Schutzanordnungen praktisch unabhängig von einander hergestellt werden, obwohl dies nicht notwendig ist. Es ist daher oftmals erforderlich, bei der Schutzanordnung eine Durchbruchsspannung festzulegen, die etwas kleiner ist als dies im idealen Fall wünschenswert ist. Dies ermöglicht Schwankungen sowohl in der geschützten Anordnung als auch in der Schutzanordnung. Es ist nicht ungewöhnlich, daß Thyristoranordnungen desjenigen Typs, auf den sich die Erfindung erstreckt, mit externen Schutzschaltungen versehen sind, die das an die Thyristoranordnung anlegbare maximale Potential um bis zu ein Drittel reduzieren. Auf diese Weise kann fast mit Gewissheit vorhergesagt werden, daß die geschützte Anordnung durch die Schutzanordnung eingeschaltet wird, bevor eine Zerstörung aufgrund von Überspannung eintritt. Es ist klar unerwünscht, die Hochspannungs-Durchbruchseigenschaften auf diese Weise zu opfern, sofern dies nicht absolut notwendig ist. Ferner ist eine äußere Schutzschaltung oftmals teuer sowohl bezüglich der Herstellung als auch bezüglich der erhöhten Komplexität, die aus der Anwendung der Schutzschaltung bei geschützten Anordnungen folgt.

Von Voss, P., wurde z.B. in der Zeitschrift Solid-state Electronics, Band 17, S. 655 bis 66I vorgeschlagen, den Schutz innerhalb

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einer Anordnung dadurch zu erzielen, daß als Hilfsmittel die η-Basis eines Verstärkungs- oder Auslösethyristors mit einer höheren Konzentration als die η-Basis des Hauptthyristors dotiert wird. Dadurch wird die Durchbruchsspannung des Auslösethyristors der Anordnung erhöht, und es soll sichergestellt sein, daß der Einschaltvorgang im Bereich des Auslösethyristors er folgt. Ein derartiger Aufbau zur Erzeugung einer eigengeschützten Thyristorstruktur besitzt den Nachteil, daß sie sich schwierig verwirklichen lässt. Zumindest ist ein zusätzlicher Verfahrensschritt erforderlich, um die Donatorkonzentration im Bereich der Steuerelektrode des Auslösethyristors der Anordnung zu er höhen. Im ungünstigsten Fall könnte eine Anordnung gemäß der von Voss mitgeteilten Lehre eine vollständig andere Herstellungs technologie zu ihrer Herstellung benötigen, wodurch sich ein Ansteigen der Kosten über diejenigen Kosten ergibt, die zur Erzielung der Vorteile hinnehmbar sind, vorausgesetzt daß Vorteile erzielbar sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine eigengeschützte Thyristorstruktur zu schaffen, die neben dem Thyristor selbst keine zusätzlichen äußeren Komponenten benötigt.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine eigengeschützte Thy ristorstruktur zu schaffen, bei der der Hauptthyristor und dessen Schutzbereich gleichzeitig hergestellt werden, wodurch eine höhere Präzision bei der Zuordnung der beiden Teile der Anordnung erzielbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine eigengeschützte Thyristorstruktur zu schaffen, bei deren Herstellung dieselben Verfahrensschritte verwendet werden, die für einen ungeschützten Thyristor erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine eigengeschützte Thyristorstruktur zu schaffen, die im wesentlichen mit denselben Kosten wie eine ungeschützte Struktur herstellbar ist.

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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird eine eigengeschUtzte Thyristorstruktur angegeben, die einen Hilfssteuerelektrodenbereich besitzt, der bezüglich der Halbleiteranordnung am Umfang angeordnet ist und ein gesteuertes Einschalten der Anordnung am Rand der Anordnung in Abhängigkeit von zunehmenden Handstromdichten beim Einsetzen des Lawinendurchbruchs (avalanche breakdown) ermöglicht. Gemäß einer zur Zeit bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Hilfsauslösethyristor vorgesehen, der im wesentlichen die Hauptthyristorstruktur umgibt und eine ringförmige Steuerelektrode besitzt, die die Hilfsauslösethyristorstruktur umgibt, um sicherzustellen, daß das Einschalten oder Zünden im wesentlichen gleichzeitig über die gesamte Ausdehnung des Auslösethyristorbereichs erfolgt.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung ist ein Hilfsauslösethyristor am Umfang einer im wesentlichen scheibenförmigen Halbleiteranordnung vorgesehen, die um sich herum eine Steuerelektrode besitzt, wie oben angegeben ist. Zwischen dem Hilfsauslösethyristor und dem zentralen Auslösethyristor der Anordnung besteht eine Verbindung, um ein im wesentlichen gleich-

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zeitiges Einschalten/sowohl dem Zentrum als auch der Peripherie der Anordnung sicherzustellen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist eine radiale Verbindung zwischen dem zentralen Auslösethyristor und dem am Umfang angeordneten Hilfsauslösetransistor mittels einer oder mehrerer Metallisierungen vorgesehen, die integral mit der Anordnung ausgebildet werden. Diese letztere Ausführungsform der Erfindung besitzt eine zusätzliche Einschaltfläche und stellt daher eine Anordnung dar, die zusätzlich zum Eigenschutz vor Auswirkungen des durch überspannung hervorgerufenen Lawinendurchbruchs viele weitere Vorteile besitzt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

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In den Figuren zeigen :

Fig. 1 eine eigengeschützte Thyristor-Halbleiteranordnung gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung;

Fig. 2 einen eigengeschützten Thyristor gemäß einer weiteren Ausführungsform dieser Erfindung;

Fig. 3 einen eigengeschützten Thyristor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 4 einen eigengeschützten Thyristor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

Der Betrieb und die Vorteile einer eigengeschützten Thyristoranordnung gemäß der Erfindung lassen sich unter Bezugnahme auf Figur 1 erkennen, wobei Figur 1 eine beispielhafte Thyristoranordnung zeigt, die eine Hilfssteuerelektrode an ihrem äußeren Umfang besitzt. Die Anordnung, allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, stellt eine Vierschichten-Thyristoranordnung dar, die im wesentlichen eine scheibenförmige Gestalt besitzt. Der Thyristor 10 stellt im wesentlichen einen Typ dar, der bis auf die Hinzufügung des erfindungsgemäßen Hilfssteuerelektrodenbereiches bekannt ist. Ein elektrisch leitender Kontakt 12 ist ohmisch mit einer Halbleiterschicht 14 vom p-Leitfähigkeitstyps verbunden, die die Anodenschicht der Anordnung darstellt. Die p-Schicht 14 kann herkömmlicherweise aus Silizium oder alternativ aus irgendeinem der bekannten Halbleitermaterialien bestehen. Über der Anodenschicht 14 vom p-Typ liegt eine Basisschicht 16 vom η-Typ, wobei sich zwischen diesen beiden Schichten ein erster Halbleiterübergang 18 ausbildet. Eine Basisschicht 20 vom p-Typ liegt über der Basisschicht 16 vom η-Typ und bildet zwischen den Schichten 16 und 20 einen zweiten Halbleiterübergang 22. Die bisher beschriebene Thyristoranordnung besitzt einen herkömmlichen Aufbau, dessen Herstellung und dessen Eigenschaften bekannt sind. Die genauen Konzentrationen der p-Basis, der η-Basis und

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der Anodenschicht können von Anordnung zu Anordnung je nach den speziellen gewünschten Eigenschaften in gewissem Maße variieren. Es sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Anordnung einen weiten Anwendungsbereich besitzt und sich erfolgreich bei Anordnungen einsetzen lässt, die von der allgemein dargestellten Art sind, die sich jedoch in speziellen Eigenschaften von der dargestellten Anordnung allgemeiner Art unterscheiden können. Eine Steuerelektrode 24 liegt über der Basisschicht 20 vom p-Typ und ist im wesentlichen im Zentrum der Anordnung angeordnet. Der genaue Aufbau der Steuerelektrode 24 kann von der beispielsweise dargestellten allgemeinen runden Form abweichen und kann tatsächlich irgendeine der bekannten Steuerelektrodenstrukturen besitzen. Die genaue Form der Steuerelektrode 24 und des zugehörigen Auslösethyristorbereiches 26, der eine n-Emitterschicht 28 und eine Elektrode 30 enthält, bestimmen die Eigenschaften der Steuer elektrode der Anordnung. Rechteckförmlge, kreisförmige, isolierte Steuerelektroden, Sperrschicht-Steuerelektroden, lichtempfind liehe Steuerelektrodenbereiche und andere bekannte Steuerelektrodenstrukturen lassen sich gemäß der Erfindung in geeigneter Weise in Verbindung mit beliebigen Thyristoranordnungen ein setzen. Der Hauptkathodenbereich enthält eine Emitterschicht 34 vom n-Leitfähigkeitstyp, einen im allgemeinen ringförmigen Bereich, der die p-Basisschicht 20 überlagert. Die Kathoden-Metallisierung 36 bildet einen ohmschen Kontakt zum Emitter 34 und stellt die Kathode der Anordnung dar. Obwohl nicht dargestellt, sei darauf hingewiesen, daß die Emitterschicht 34 und die darüber liegende Metallisierung 36 mit Emitterkurzschlußverbindungen versehen sein können, die dem Fachmann bekannt sind. Das Vorhandensein oder die Abwesenheit derartiger Emitter-Kurzschlußverbindung» stellt nur insoweit einen Teil dieser Erfindung dar, als diese Kurzschlußverbindungen wie gewünscht eingesetzt werden können, um die aus ihnen herrührenden Vorteile zu erzielen, ohne die durch diese Erfindung erzielbaren Vorteile zu beeinträchtigen. Derar tige Kurzschlußverbindungen sind im allgemeinen vorhanden und so angeordnet, daß sie den Hauptemitterbereich gegenüber Einschaltströmen weniger empfindlich machen als die Auslösethyristor- und

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Hilfsauslösethyristorbereiche.

Der Hilfsauslösethyristorbereich 38 läuft um den Hauptthyristorbereich herum und enthält eine Schicht 40 vom n-Leitfähigkeits typ und eine Metallisierung 42, die über der Schicht 4o angeordnet ist. Unter Bezugnahme auf die Anordnung 10 sei darauf hingewiesen, daß die Orientierung des Hilfsauslösethyristors 38 der Orientierung des Auslösethyristors 26 entgegengesetzt ist. D.h. diese Auslösethyristoren stellen in Bezug auf den Hauptthyristorbereich der Anordnung Spiegelbilder voneinander dar. Es ist offensichtlich, daß der Radius des Hilfsauslösethyristors 38 grosser ist als derjenige des Hilfsthyristors 26, da der Thyristor außerhalb des Hauptthyristorbereiches liegt, während der Thyristor 26 innerhalb des Hauptthyristorbereiches liegt. Die Hilfssteuerelektrode 44 läuft um den Hilfsauslösethyristor 38 und liegt über der p-Basisschicht 20.

Unter Bezugnahme auf Figur 1 sei darauf hingewiesen, daß der Thyristor 10 ferner einen negativ abgeschrägten Randbereich an der Außenseite der Anordnung besitzt. Wie bekannt ist, wird durch die Abschrägung des Randes einer Thyristoranordnung die elektrische Feldstärke am Rand reduziert und die Enddurchbruchsspannung der Anordnung erhöht. Die Anordnung 10 enthält einen ersten negativ abgeschrägten Bereich 46 und einen zweiten Bereich 48 mit einem anderen Abschrägungswinkel. Es sei bemerkt, daß sich gemäss dieser Erfindung die zur Bestimmung optimaler Abschrägungswinkel bekannten Verfahren geeignet verwenden lassen.

Der Hilfsauslösethyristor 38 enthält einen zweiten elektrischen Kontakt 50, der mit der Metallisierung 42 verbunden ist.

Beim Anlegen einer Spannung zwischen der Elektrode 12 und der Elektrode 36 werden elektrische Felder im Innern des Halbleitermaterials erzeugt. Es wurde festgestellt, wie sich entweder experimentell oder analytisch leicht besxätigen lässt, daß die maximalen elektrischen Felder trotz des abgeschrägten Randbereichs,

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vergleiche Figur 1, in der Nähe des Randes der Anordnung auftreten. Gemäß der Erfindung werden Leckströme, die als Ergebnis der hohen elektrischen Feldstärken in der Nähe des Randbereichs der Anordnung fliessen, dazu verwendet, den Hauptkörper des Thyristors in gesteuerter Weise einzuschalten; diese Leckströme werden auf diese Weise daran gehindert, die Zerstörung der Anordnung als Ergebnis von Stromdichten herbeizuführen, die die Kapazität der Anordnung, diese Ströme zu dissipieren, überschreiten. Gemäß der Erfindung wird es bevorzugt, daß die Anordnung bezüglich der Durchbruchsspannung so ausgelegt wird, daß das maximale elektrische Feld mit Sicherheit an der Peripherie der Anordnung und auf alle Fälle außerhalb des Hilfsauslösethyristorbereiches 38 auftritt. Selbst in Gegenwart von Ungleichförmigkeiten der Anordnung, die die Durchbi ichsspannung beeinflussen, lasst sich dies einfach durch Wahl eines größeren Abschrägungswinkels für den Bereich 46 erreichen. Im allgemeinen ist eine derartige zweckgerichtete Absenkung der Durchbruchsspannung des Randbereiches nicht erforderlich. Es wird nun angenommen, daß Strom entsprechend dem Pfeil 52 zu fliessen beginnt. Es sei bemerkt, daß beim Anlegen einer überspannung an die Anordnung 10 der Strom längs des Pfades 52 und anschliessend unter der Hilfssteuerelektrode 44 und dem Hilfsauslösethyristor 38 zu fliessen beginnt. Wenn der Strom eine ausreichende Größe erreicht, schaltet sich der Hilfsauslösethyristor 38 ein, und es folgt ein Einschalten des Hauptthyristorbereichs. Dabei wird angenommen, daß die Auslöse- oder Hilfsthyristoren eir - größere Einschaltempfindlichkeit als der Hauptemitterbereich besitzen, was üblicherweise der Fall ist. Wie bekannt, nimmt der Widerstand beim Einschalten des Hauptbereichs des Thyristors 10 unter dem Hauptbereich in einem solchen Naß ab, daß die Fläche des unter dem Hilfsauslösethyristor 38 liegenden Thyristors und die Hilfsauslösesteuerelektrode 44 sich ausschaltet, wobei der darunter fliessende Strom sich im wesentlichen auf null verringert. Ein eigengeschützter Thyristor besitzt daher gemäß der Erfindung den Vorteil, daß nicht nur der ursprüngliche Leckstrom beim Einsetzen des Lawinendurchbruchs das Bestreben hat, die Anordnung einzuschalten, sondern

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daß außerdem der ursprünglich eingeschaltete Flächenbereich tatsächlich ausgeschaltet wird, wenn der Hauptkörper der Anordnung eingeschaltet wird.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die elektrischen Kontakte 32 und 50 durch irgendein geeignetes Mittel miteinander verbunden werden können, um die Einschaltfläche der Anordnung in Gegenwart entweder eines äußeren Steuerelektrodensignals oder eines aufgrund des Einsetzens des Lawinendurch bruchs erzeugten internen Steuerelektrodensignals zu erhöhen. Die Verbindungen 32 und 50 lassen sich elektrisch durch irgendein bequemes und bekanntes Verfahren, z.B. durch einen äußeren Draht etc. miteinander elektrisch verbinden. Es ist jedoch gemäß dieser Erfindung vorteilhaft, eine Verbindung der z.B. in Figur 2 geschilderten Art vorzusehen. Die Anordnung nach Figur 2 ist sowohl in Aufsicht als auch in einem Schnitt längs der Schnittlinie a-a dargestellt.

Die allgemein mit 60 bezeichnete Anordnung ist auf vielerlei Weise der Anordnung nach Figur 1 ähnlich. Die mit Elementen nach Figur 1 übereinstimmende Elemente sind daher mit denselben Bezugszeichen versehen. Vorgesehen ist ein elektrisch leitendes Grundteil 12, das sich dazu eignet, thermischen und elektrischen Kontakt mit der Thyristoranordnung 60 aufrecht zu erhalten. Eine Halbleiterschicht 14 vom p-Typ liegt über dem Grundteil 12 und ist mit diesem Grundteil in thermischem und elektrischem Kontakt. Eine zweite Halbleiterschicht 16 liegt über der Schicht 14 und besteht aus Halbleitermaterial des n-Leitfähigkeitstyps. Die Schichten 14 und 16 bilden einen ersten Halbleiterübergang 18 zwischen sich. Eine zweite Schicht 20 vom p-Leitfähigkeitstyp liegt über der Schicht 16 und bildet einen Halbleiterübergang 22 zwischen sich und der Schicht 16. Die Schichten 16 und 20 können als n-Basisbereich bzw. p-Basisbereich des Thyristors bezeichnet werden. Die Steuerelektrode 24 ist im ungefähren Zentrum der Anordnung vorgesehen und nach bekannten Verfahren aufgebracht. Die Steuerelektrode 24 wird vom Auslösethyristor 62 umringt. Der

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Auslösethyristor 62 enthält einen kreisförmigen Ring 64 vom η-Typ, der nachfolgend als Emitter des Auslösethyristors bezeichnet wird und gemäß der vorliegenden Erfindung über der p-Basisschicht 20 liegend dargestellt ist. Es sei bermerkt, daß der Auslöseemitter 64 leicht durch Diffusion herstellbar ist, wobei er sich dann von der Oberfläche der p-Basiszone 20 nach un ten erstreckt, den Halbleiterübergang 22 dabei jedoch nicht berührt. Der genaue Aufbau des Auslösethyristors 62 stellt nur insoweit einen Teil der Erfindung dar, wie dies hier beschrieben wird. Eine Metallisierung 66 liegt über der Emitterschicht 64 und erzeugt am äußeren Umfang der Emitterschicht 64 eine Kurzschlußverbindung zur p-Basis 20. Die Metallisierung 66 besitzt im allgemeinen eine ringförmige Gestalt und enthält speichenartige Ansätze 68, 69 und 70, die sich nach außen in Richtung auf den Umfang der Anordnung erstrecken. Während die Thyristoranordnung 60 mit drei speichenförmigen Ansätzen dargestellt ist, die sich von der Metallisierung 66 nach außen zur Peripherie der Anordnung hin erstrecken, sei darauf hingewiesen, daß gemäß dieser Erfindung die Anzahl und die Form der Ansätze im Rahmen dieser Erfindung verschiedenartig ausgebildet sein können. Es muß jedoch mindestens ein Ansatz gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung verwendet werden, und es kann wünschenswert sein, zwei, drei, vier oder mehr Ansätze vorzusehen, um die Einschaltfläche zu vergrößern wie noch erläutert werden wird. Die Ansätze 68 bis 70 schneiden den Hilfsauslösethyristor 72 und stellen einen Teil des Hilfsauslösethyristors 72 dar. Der Hilfsauslösethyristor 72 enthält sowohl eine Metallisierung 74 und eine Hilfsemitterschicht 76 vom n-Leitfähigkeitstyp. Die Metallisierung 74 liegt über dem n-Emitter 76. Der Auslösethyristor 72 wird an seiner äusseren Peripherie von der Steuerelektrodenmetallisierung 78 umgeben, die als Steuerelektrode des Hilfsauslösethyristors arbeitet. Der Hauptkörper des Thyristors 60 enthält eine Emitterschicht 80 vom η-Typ, und er enthält eine darüber liegende Metallisierung 82, die den Kathodenanschluu der Anordnung darstellt. Es sei bemerkt, daß die beiden Leistungsanschlüsse der Anordnung durch den Kathodenanschluß 82 und die Anodenmetallisierung 12 gebildet werden.

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Die Steuerelektrodenverbindung erfolgt zum Steuerelektrodenkontakt 24 für die normale Triggerung der Anordnung.

Wie schon in Verbindung mit der Anordnung nach Figur 1 ausgeführt wurde, werden beim Anlegen einer Spannung zwischen Anode 12 und Kathode 82 elektrische Felder in den dazwischen liegenden Halbleiterschichten erzeugt, wobei die größten Felder im allgemeinen im Randbereich der Anordnung außerhalb der Hilfssteuerelektrode 78 gefunden werden. Wird die Spannung an der Anordnung erhöht, so beginnen Leckströme zu fliessen, wobei die Leckströme rasch zunehmen, wenn man sich der Lawinendurchbruchsspannung der Anordnung nähert. Wenn Strom in der p-Basisschicht 20 unter dem Hilfsauslösethyristor 72 fliesst, besitzt der Auslösethyristor 72 das Bestreben, sich einzuschalten. Wenn der Aus lösethyristor 72 sich einschaltet, wird dabei der Hauptemitter eingeschaltet. Da der Hilfsauslösethyristor 72 elektrisch mit dem Auslösethyristor 62 verbunden ist, wird der Hauptemitter der Anordnung im wesentlichen gleichzeitig sowohl von seinem inneren und seinem äußeren Rand her eingeschaltet. Wie unter Bezugnahme auf die Aufsicht gemäß Figur 2 erkennbar ist, wird der Einschaltvorgang ferner in dem Bereich der sich radial nach außen erstrekkenden Ansätze 68, 69 und 70 erfolgen. Es sei darauf hingewiesen, daß diese größere Einschaltfläche unabhängig davon verwirklicht ist, ob die Anordnung durch beim Einsetzen des Lawinendurch bruchs fliessende Leckströme oder durch ein von außen entweder an die Steuerelektrode 24 oder, sofern erwünscht, an die Steuerelektrode 78 angelegtes Steuerelektrodensignal aetriqgert wird.

Mit Ausnahme der an die Ansätze 68 bis 70 angrenzenden zusätzlichen Einschaltfläche entspricht der Betrieb der Anordnung nach Figur 2 demjenigen der Anordnung nach Figur 1, und die in Verbindung mit der Anordnung nach Figur 1 vorgenommene Beschreibung trifft gleichermaßen auf die Anordnung 60 zu.

Figur 3 zeigt eine Thyristoranordnung nach der Erfindung, die bei einem randgesteuerten Thyristor einsetzbar ist. Der Thyristor, allgemein mit 90 bezeichnet, enthält den Metallkontakt 12, die

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Anode 14 aus Halbleitermaterial des p-Typs, die n-Basis 16 und die p-Basis 20, die alle dieselbe Zusammensetzung und Funktion besitzen wie die entsprechend bezeichneten Schichten und Kontakte der Figuren 1 und 2. Halbleiterübergänge 18 und 22 entsprechen auf ähnliche Weise den gleich bezeichneten Merkmalen nach Figur 1 und 2. Die Anordnung der Steuerkontakte, des Auslöseemitters, des zweiten Auslöseemitters und des Hauptemitters der Anordnung 90 unterscheidet sich in gewisser Weise von den Figuren 1 und 2 und wird nachfolgend in wesentlichen Einzelheiten erläutert. Der Hauptemitter der Anordnung 90 enthält eine n-Emitterschicht 92, die über der p-Basisschicht 20 liegt. Die n-Emitterschicht 92 stellt einen kontinuierlichen Emitterbereich mit einem Steuerelektrodenbereich dar, der am Rand des Emitterbereichs angeordnet ist und nicht zentral liegt, wie das bei den Anordnungen 10 und 60 der Fall war. Eine Kathodenmetallisierung 94 liegt über der n-Emitterschicht 92 und bildet einen Kathodenanschluß für die Anordnung. Obwohl nicht dargestellt, sei darauf hingewiesen, daß der Hauptemitterbereich 96 Emitterkurzschlüsse enthalten kann, die in bekannter Weise herstellbar sind und durch die n-Emitterschicht 92 zur p-Basisschicht 20 verlaufen.

Die Steuerelektrode 98 liegt direkt über der p-Basisschicht 20 und stellt einen Anschluß dar, an dem eine normale Steuerelektrode-Einschaltspannung an die Anordnung angelegt wird. Die Steuerelektrode 98 wird von einem ringförmigen Auslösethyristor 100 umringt, der einen Auslöseemitter 102 und eine darüber liegende Metallisierung enthält. Obwohl der Thyristor 100 in Figur 3 mit einer allgemein kreisrunden Form dargestellt ist, sei darauf hingewiesen, daß sich vorteilhafterweise in gewissen Halbleiteranordnungen gemäß dieser Erfindung auch andere Steuerelektrodenstrukturen verwenden lassen, und daß die Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Steuerelektrodengeometrie be schränkt ist. So lässt sich z.B. ein ovaler oder wurstförmiger Steuerelektrodenbereich in einer Anordnung mit dem allgemeinen Aufbau der Anordnung 90 einsetzen, wobei eine etwas reduzierte Steuerelektrodenfläche auf der Anordnung erzeugt wird, um die

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Fläche des Hauptthyristorbereichs der Anordnung zu maximieren. In ähnlicher Weise lassen sich lineare Steuerelektroden, rechteckförmige Steuerelektroden, lichtempfindliche Steuerelektroden oder an sich irgendein beliebiger bekannter Typ der Steuerelektrode einschliesslich Sperrschichtsteuerelektroden verwenden. Der Hilfsauslösethyristor 106 umringt den Auslösethyristor 100 und die Steuerelektrode 98 teilweise und isoliert den Steuerelektrodenbereich vom Hauptthyristorbereich 96 wirksam. Eine Metallisierung 104 über der Auslöseemitterschicht 102 umgibt die Anordnung und liefert eine lange Einschaltleitung für den Hilfsauslösethyristor 106, der seinerseits eine ähnlich lange Ein schaltleitung für den Haupthyristorbereich 96 darstellt. Der Thyristor 90 enthält, wie schon die Thyristoren 10 und 60,einen abgeschrägten Randbereich. Die Abschrägung am Rand der Anordnung dient zur Erhöhung der Durchbruchsspannung. Es sei Jedoch be merkt, daß die Durchbruchsspannung der in Figur 3 dargestellten Anordnung trotzdem kleiner ist und gemäß dieser Erfindung tatsächlich am Rand der Anordnung und an irgend einer anderen Stelle in der Anordnung kleiner sein sollte. Unter Hinweis auf Figur ist es ersichtlich, daß die Leckströme, die beim Einsetzen des Lawinendurchbruchs fliessen, und deren Fluß am Rand der Anordnung erwartet wird, die Anordnung in einer von zwei Arten einschalten. Sofern die Leckströme unter dem Steuerelektrodenbereich 98 zu fliessen beginnen, wird die Anordnung durch das Wirken des Auslösethyristors 100 eingeschaltet, wobei dann der Hilfsauslösethyristor 106 nachfolgend wirkt und den Hauptthy ristorbereich 96 einschaltet. Sofern große Leckströme zuerst außerhalb des Auslösethyristors 100 fliessen, wird der Hauptthyristorbereich 96 durch das alleinige Wirken des Hilfsauslösethyristors 106 eingeschaltet. In beiden Fällen erfolgt der Einschaltvorgang in gesteuerter Weise, wodurch ein zerstörender Lawinenspannungsdurchbruch vermieden wird.

Figur 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform entspricht, die jedoch für eine Triggerung der Anordnung mittels Licht geeignet ist. Der

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Thyristor, allgemein mit 110 bezeichnet, enthält im wesentlichen alle die Elemente des Thyristors 60 nach Figur 4, wobei mit gleichen Bezugszeichen versehene Elemente die gleichen Funktionen erfüllen. Auf dem leitenden elektrischen Kontakt 12 befinden sich Halbleiterschichten 14, 16 und 20 in der genannten Reihenfolge, zwischen denen Halbleitertlbergänge 18 und 22 ausgebildet sind. Die Schichten 14, 16 und 20 bestehen aus Halbleitermaterial vom p-, bzw. n- bzw. p-Typ. Ein lichtempfindlicher Steuerelektrodenbereich 112 erstreckt sich von der Oberfläche der p-Halbleiterschicht 20 in die Schicht 20 hinein in Richtung auf den Übergang 22, der Steuerelektrodenbereich 112 berührt jedoch den Übergang 22 nicht. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es wünschenswert, daß die Tiefe des lichtempfindlichen Bereichs 112 genügend groß ist, um rasch Ladungsträger in der Nähe des Übergangs 22 zu erzeugen, und um das Vorhandensein der Triggerstrahlung zu gewährleisten, die auf den lichtempfindlichen Bereich 112 auftrifft. Ein elektrischer Kontakt 114 von im allgemeinen ringförmiger Gestalt umgibt den lichtempfindlichen Flächenbereich 112 und sorgt für das gleichförmige Einschalten des Auslösethyristorbereichs 62. Der Ring 114 kann gemäß der Erfindung wahlweise vorgesehen sein, er kann auch weggelassen werden, sofern dies erwünscht ist. Der lichtempfindliche Bereich 112 wird auf bekannte Art und Weise hergestellt, er kann, sofern dies erwünscht ist, passiviert, poliert oder in irgendeiner anderen Weise behandelt werden, um seine Leistungsfähigkeit zu erhöhen. Die genauen Eigenschaften des lichtempfindlichen Bereichs 112 lassen sich in bekannter Weise im Rahmen der Erfindung verändern und abwandeln. Der Auelösethyristor 62 wird vom Hauptthyristorbereich der Anordnung 110 umringt, wobei der Hauptthyristorteil eine n-Emitterschicht 80 und über dieser Emitterschicht einen elektrischen Kontakt 82 enthält. Der Hauptemitter kann, sofern erwünscht, mit Emitterkurzschlüssen der dargestellten Art, z.B. an der Stelle 116, versehen sein. Emitterkurzschlüsse sind bekannt, und es wird darauf hingewiesen, daß der elektrische Kontakt 82 über den n-Emitterbereich 80 an örtlich festgelegten Stellen des Emitters mit der p-Halbleiterschicht ohmisch verbunden ist. Aufbau und Wirkungsweise der

Emitterkurzschlüsse sind bekannt und stellen nur insoweit einen

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Teil dieser Erfindung dar, als sie bei der erfindungsgemäßen Anordnung vorteilhaft eingesetzt werden können. Der restliche Teil der Anordnung 110 ist im wesentlichen identisch mit der Anordnung 60 nach Figur 2, und die Beschreibung der Anordnung 60 lässt sich diesbezüglich auf die Anordnung 110 Übertragen.

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Claims

Patentansprüche

Eigengeschützte Halbleiteranordnung, gekennzeichnet durch

einen Hauptthyristorbereich (34, 36; 80, 82; 90, 92, 96),

einen Auslösethyristorbereich (26; 62; 100), der dem Haupthyristorbereich (34, 3b; 80, 82; 96) zugeordnet ist und den Hauptthyristorbereich (34, 36; 80, 82; 96) zündet, wenn der Auslösethyristorbereich (26; 62; 100) gezündet wird,

eine dem Auslösethyristorbereich (26; 62; 100) zugeordnete Steuerelektrode (24; 98) zum Zünden des Auslöse thyristorbereichs (26; 62; 100) in Abhängigkeit von einem an die Steuerelektrode angelegten Steuersignal ,

einen Hilfsauslösethyristorbereich (38; 72; 106), der den Hauptthyristorbereich (34, 36; 80, 82; 96) umgibt und den Hauptthyristorbereich zündet, wenn der Hilfsauslösethyristorbereich (38; 72; 106) gezündet ist,

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eine zweite Steuerelektrode (44; 78), die den Hilfsauslösethyristorbereich (38;72; 106) umgibt und den Hilfsauslösethyristorbereich in Abhängigkeit von Leckströmen einschaltet, die beim Einsetzen des Lawinenspannungs durchbruches der Anordnung erzeugt werden.
2. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die den Auslöse thyristorbereich ( 26; 62; 100) und den Hilfsauslöse thyristorbereich ( 38; 72; 106) elektrisch miteinander verbinden.
3. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuerelektrode (112) als strahlungs empfindliche Steuerelektrode ausgebildet ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuerelektrode (24; 98) eine Elektrode innerhalb des Auslösethyristorberelchs (26; 62; 100) umfasst.
5. Anordnung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (68, 69, 70) zur elektrischen Verbindung des ersten Auslösethyristorbereichs (62) mit dem Hilfsauslösethyristorbereich (72) Elektroden (68 bis 70) enthalten, die sich vom Auslösethyristor (62) durch den Hauptemitterbereich (80, 82) zum Hilfsauslösethyristor (72) hin erstrecken und im Hauptthyristorbereich (80, 82) benachbart zu den Elektroden (68 bis 70) eine Einschaltfläche ausbilden.
6. Anordnung nach Anspruch 5,

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dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtungen (68 bis 70) mindestens zwei Elektroden enthalten, die sich vom Auslösethyristor (62) zum Hilfsauslösethyristor (72) hin erstrecken.
7. Anordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösethyristorbereich (100) und die erste Steuerelektrode (24; 98) im allgemeinen am Rand der Anordnung (90) angeordnet sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösethyristor und der Hilfsauslösethyristor als eine zweifach verstärkende Steuerelektrodenstruktur ausgebildet sind, daß der Auslösethyristor eine erste verstärkende Steuerelektrode, und der Hilfsauslösethy ristor eine zweite verstärkende Steuerelektrode ent hält.
9. Anordnung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor als strahlungsempfindlicher Thyristor (110) ausgebildet ist.
10. Verstärkender Steuerelektroden-Thyristor mit einem Hauptthyristorbereich und einem Auslösethyristorbereich, der wirkungsmäßig dem Hauptthyristorbereich zum Einschalten des Hauptthyristorbereichs in Abhängigkeit eines an der Steuerelektrode des Auslösethyristorbereichs angelegten Signals zugeordnet ist,
gekennzeichnet durch,

einen Hilfsauslösethyristor (38; 72} 106), der am äußeren Umfang des Hauptthyristorbereichs (34, 36; 80, 82; 96) angeordnet i.-3t und einen Hilfssteuerelektrodenbereich (44; 78) enthält, der auf Randleckströme anspricht, die 709843/0998

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beim Einsetzen des Lawinenspannungsdurchbruches des verstärkenden Steuerelektrodenthyristors erzeugt werden, um den Hilfsauslösethyristör einzuschalten und dadurch den Hauptthyristor einzuschalten und die Anordnung vor einem zerstörenden Durchbruch zu schützen.
11. Anordnung nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (68 bis 70) vorgesehen sind, die den Auslösethyristor (26; 62; 100) mit dem Hilfsauslöse thyristor (38; 72; 106) elektrisch verbinden, so daß beim Einschalten eines der Auslösethyristoren der andere aktiviert wird und den Hauptthyristorbereich (34, 36; 80, 82; 96) einschaltet.
12. Anordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (68 bis 70) zum elektrischen Vbrbinden des Auslösethyristors mit dem Hilfsauslösethy ristor leitende Elektroden enthalten, die einstückig mit der Anordnung (60; 110) ausgebildet sind.
13. Anordnung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß der Auslösethyristor (26; 62) im wesentlichen vom Hauptthyristorbereich (34, 36; 80, 82; 96) umringt wird.
14. Anordnung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum elektrischen Verbinden des Auslösethyristors mit dem Hilfsauslösethyristor Elektroden (68 bis 70) enthalten, die sich radial vom Auslösethyristor (62) nach außen zum Hilfsauslösethyristor (72) erstrecken.

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