WO1996009649A1 - Steuerbares halbleiterbauelement - Google Patents

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WO1996009649A1
WO1996009649A1 PCT/EP1995/003742 EP9503742W WO9609649A1 WO 1996009649 A1 WO1996009649 A1 WO 1996009649A1 EP 9503742 W EP9503742 W EP 9503742W WO 9609649 A1 WO9609649 A1 WO 9609649A1
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zone
electrode
anode
semiconductor component
emitter
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PCT/EP1995/003742
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French (fr)
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Heinrich Schlangenotto
Marius FÜLLMANN
Jacek Korec
Alexander Bodensohn
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Daimler-Benz Aktiengesellschaft
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Publication date
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Priority to US08/809,848 priority patent/US5923055A/en
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/08—Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/083—Anode or cathode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices
    • H01L29/0834—Anode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices, e.g. supplementary regions surrounding anode regions
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    • H01L29/70—Bipolar devices
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    • H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/749—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action with turn-on by field effect

Definitions

  • the invention relates to a semiconductor component that can be controlled on the anode side, the semiconductor body of which has a multiplicity of juxtaposed, parallel-connected unit cells with a thyristor structure, and to bidirectional semiconductor switches with such a semiconductor component that can be controlled on the anode side.
  • Bidirectional semiconductor components which can be switched on and, if possible, also switched off by a control signal in both polarity directions of the main electrodes, are very advantageous for many AC applications.
  • a frequently used component of this type is the triac, which contains two thyristor structures arranged antiparallel and can be switched on by gate current regardless of the sign of the applied voltage. The triac cannot be switched off via the gate, but only by reversing the polarity of the main electrodes.
  • TRIMOS MOS triac
  • MOS triac a lateral component which consists of two DMOS transistors arranged in mirror images, the gate electrodes of which are connected to one another.
  • the voltage range is limited by the breakdown voltage of the gate oxide and typically only reaches up to about 50 V. If the gate electrodes are separated from one another and controlled individually, voltages up to about 300 V can be achieved. It has a favorable effect that the component works like an IGBT at higher currents, so that the on-resistance is reduced by conductivity modulation.
  • a bilateral switching device with a thyristor structure and a lateral structure known as BEST (bilateral emitter switched thyristor), was presented at the International Electron Device Meeting IEDM 1992 (IEDM'92 conference volume, pp. 249 - 252).
  • the blocking capacity of the component was less than 70 V.
  • the characteristics are comparable to those of the TRIMOS.
  • the lateral structure of these switching elements not only limits the voltage range but also the switchable current.
  • a separate MOS gate is provided for each current direction, which is controlled by the cathode electrode of the respective current direction. This is disadvantageous because of the effort for the driver electronics. Such a concept is unsuitable for vertical bidirectional components.
  • the usual power components such as the MOSFET, the insulated-gate bipolar transistor or IGBT, the normal bipolar transistor and the (GTO) thyristor are driven from the cathode and require a positive control voltage for switching on.
  • a bidirectional switch which can be connected to a fixed main electrode based on a (relatively small) gate signal, a component that can be activated on the anode side is required in addition to a conventional component that can be activated on the cathode side.
  • components can be controlled from the usual structures mentioned, which can be controlled on the anode side.
  • these have the disadvantage that they cannot be integrated together with the usual u. a.
  • the weakly doped base for receiving the voltage has the reverse conduction type, namely p-conduction.
  • a second disadvantage of these components which can be controlled on the anode side is that the gate signal for switching must have the opposite polarity as for the normal one: a negative voltage at the gate is required for switching on.
  • a bidirectional switch with such individual components thus requires control signals to depend on the current direction, so that u. a. the control signal changes at zero current crossing. As a result, more complex driver electronics are required.
  • an inverse component is obtained which can be controlled from the anode side.
  • This component like the usual components, is switched on by positive gate voltage and switched off by removing or reversing the gate signal. Since it contains a weakly doped p-base zone for receiving the voltage, it is not suitable for monolithic integration together with conventional components that have transistor or thyristor structures.
  • the invention is based on the general problem of creating a bidirectionally operable component which can be switched on and off by MOS gate and is suitable for a larger voltage and current range than the known bidirectional components which can be switched on and off, and ⁇ sen switching behavior is stable.
  • the component should be controllable for both current directions from the same main electrode, with the same polarity of the control pulse.
  • a partial problem of the invention is the creation of a is controllable by the An ⁇ odenseite forth MOS device, which comprise together with herkömml i ⁇ chen ⁇ components, the transistor or thyristor inte ⁇ grierbar.
  • Such a component which can be actuated on the anode side is also important per se since it can then be produced using a technology used in conventional components.
  • the component should be able to be switched on by a positive control voltage (with respect to the anode) and should be able to be switched off by removing or reversing the control voltage.
  • a semiconductor component of the type described in the introduction in that on a weakly doped n-base zone, p-zones with higher doping on both sides than p-base zone and p- Border the emitter zone and the p-base zone is followed by a highly doped n-emitter zone, which is contacted with a cathode electrode, that in the p-emitter zone is a first n-channel MOS field effect transistor, which is connected in series with the thyristor structure by a floating electrode is that the drain electrode of the first MOS field-effect transistor is provided with an outer anode electrode which has no contact with the p-emitter zone and that between the n-base zone and the drain zone of the first MOS field-effect transistor a second n- Channel MOS field effect transistor is integrated.
  • This semiconductor component can be integrated together with other components known per se in order to generate certain electrical functions, in particular in order to produce a bidirectionally switchable component with only one gate, which is
  • the isolated gate of the second MOS field-effect transistor which is located above the p-region between the n-base and n + region, is connected to the outer anode in a preferred embodiment. Since the component described above is a special type of inverted cascode-switched MOS thyristor, it is abbreviated to ICMT below.
  • the MOS field effect transistor is referred to below as a MOSFET.
  • the ICMT is an inverse component, it has a structure with the weakly doped n-base zone and the two higher-doped p-zones adjoining it as well as the subsequent n + zones which largely corresponds to that of corresponds to conventional transistor or thyristor components.
  • the component that can be controlled on the anode side can therefore be easily integrated on a semiconductor chip together with conventional components.
  • the ICMT can be economically manufactured using the technologies used in common components.
  • the subdivision into unit cells is carried out by trough-shaped formation of the p-emitter zone, that at least one side of two n + zones are embedded in the p-emitter zone parallel to the edge thereof, at a distance from one another, that the n + zones with the p-region between them of the p-emitter zone and an insulated gate electrode arranged above them form the first n-channel MOS field-effect transistor, that one of the edges of the trough-shaped p-emitter zone adjacent n + region and the n-base zone appearing on the surface together with the region between them the p-emitter zone and a gate electrode arranged above form the second n-channel MOS field effect transistor that the other n + region and the p-type emitter zone having a common floating electrode, and that the edge adjacent n + region to the outer anode electrode ver ⁇ is prevented that no contact with the p-type emitter zone has.
  • An ICMT of the type described above can be implemented with both vertical and lateral thyristor structures.
  • the n-emitter zone, the p-base zone, the n-base zone, the p-emitter zone and the anode contact are arranged one above the other, the cathode contact connected to the n-emitter zone on the lower boundary plane and the anode electrode and the Gate electrode are arranged on the upper delimitation plane of the semiconductor body.
  • the weakly doped base zone is arranged on a substrate from which it is separated by an insulator layer or a pn junction.
  • the p-base zone and the p-emitter zone are embedded in the n-type base region in a trough-like manner, at a lateral distance from one another given the ability to block.
  • the n-emitter zone is embedded in the p-base zone and the source and drain zones of the first MOS field-effect transistor are embedded in the p-emitter zone.
  • the series thyristor In order for the component to switch on when the first MOSFET is switched on and a negative voltage is applied to the cathode, the series thyristor must be fired.
  • the firing of the thyristor can be achieved in that it is designed to be lockable per se in the switching direction.
  • the thyristor preferably has a forward blocking capability, and according to the invention it is then equipped with a special device for firing through the anode-side gate without access to the n- and p-base zone.
  • an ignition arrangement consists in that an ignition region is arranged in the semiconductor body at a greater distance from the surface area with the unit cells or by interrupting the p-emitter zone, consisting of a p-emitter zone with the adjacent n-base zone, the adjoining p-base zone and the subsequent n-emitter zone, the p-emitter zone being provided with an ignition gate contact and containing an n + zone, the con- is connected to the floating electrode, but does not short-circuit the pn junction between the p-emitter zone and the embedded n + zone in the ignition region. With the aid of this ignition range, the semiconductor component can be switched on and off by the gate.
  • a surface channel zone is provided at the edge of the semiconductor body, which connects the p-emitter zone to the p-channel zone, but is interrupted in the switched-off state by the voltage which is established at a MOS gate .
  • This semiconductor component which can be switched on and off by MOS gate is described in claim 7.
  • a preferred lateral embodiment of the semiconductor component which can be controlled on the anode side and can be switched on and off by the MOS gate is described in claim 8.
  • a bidirectional semiconductor switch is designed such that a semiconductor component of the type described above which can be driven on the anode side is arranged in a hybrid circuit together with a semiconductor component which is known per se and can be controlled on the cathode side.
  • the anode connection of the semiconductor component which can be controlled on the anode side and the cathode connection of the semiconductor component which can be controlled on the cathode side form a common first main electrode and the cathode of the semiconductor component which can be controlled on the anode side and the anode of the semiconductor component which can be controlled on the cathode side form a second main electrode connected.
  • the gate electrodes of the two semiconductor components are preferably connected to form a common gate electrode.
  • a monolithically integrated, bidirectionally switchable semiconductor component is designed according to the invention in such a way that unit cells of the semiconductor component of the type described above, which can be driven on the anode side, are arranged in a semiconductor body with unit cells of a semiconductor component which can be driven on the cathode side, and that the unit cells of the semiconductor component which can be controlled on the anode side are arranged in a first The surface area and the unit cells of the semiconductor component which can be driven on the cathode side are arranged in a second surface area of the semiconductor body.
  • the unit cells of the known semiconductor component which can be driven on the cathode side in the second area preferably form an insulated Gate bipolar transistor (IGBT) with an anode-side p-type region, an n-Ba ⁇ siszone and a cathode-side p-zone into which an n + region is embedded, t he together with the n-base zone, the intermediate Area of the cathode-side p-zone and an insulated gate forms a MOS field-effect transistor, the cathode-side electrode with the anode electrode and the anode-side electrode with the cathode electrode of the anode-side controllable semiconductor component and the gate electrode of the anode-side controllable semiconductor component preferably being a common one Gate electrode connected.
  • IGBT insulated Gate bipolar transistor
  • the n-emitter zone and the p-base zone of the semiconductor component which can be controlled on the anode side in the first surface area are controlled by the anode-side p-zone of the cathode side control in order to avoid shortening in the boundary region between the first and second surface regions Semiconductor component separated in the second surface area.
  • Appropriate means of separation are described in claims 14 and 15.
  • an ignition gate can be provided in a region which is separated or removed from the first surface area and which has a p-zone embedded in the n-base zone in the form of a trough with a gate contact which connects to the gate electrode of the is connected on the anode side controllable component, which further contains a second p-zone embedded in the n-base zone, which is connected to the first p-zone by a depletion-type MOS field effect transistor and contains an n + zone with a contact electrode, wherein this contact electrode is connected to the floating electrode and the gate electrode of the depletion-type MOS field-effect transistor is connected to the contact electrode of a p-zone additionally embedded in the n-base zone, which in the space charge zone in the space charge zone during reverse blocking operation of the component which can be driven on the anode side pn transition lies.
  • Another bidirectionally switchable semiconductor component according to the invention consists in the fact that it is formed from a single group of bidirectionally switchable unit cells of the type described above, which result from the ICMT unit cells described above by the n-emitter zone and the p-base zone is replaced in some areas by a p-zone adjacent to the cathode metallization, that is, to the above described type is separated from the n-emitter zone and the p-base zone, the anode metallization and the cathode metallization being connected to a first and second main electrode and in that the gate electrode is separated from the second main electrode and with one from the gate ⁇ Connection of the first MOSFET separate gate connection is connected, so that when the gate of the second MOS field effect transistor is conductively connected to the first main electrode, the function of the anode-side controllable semiconductor component which can be switched by the gate of the first MOS field effect transistor and with positive control of the gate of the first MOS field effect transistor, the function of the insulated gate bi
  • each unit cell is designed as a bidirectional switch which can switch the current on and off in both directions of flow.
  • a significant advantage of this embodiment is that it requires less semiconductor surface.
  • FIG. 1 shows a unit cell of an integrable MOS component (ICMT element) which can be controlled on the anode side according to the invention in section;
  • ICMT element integrable MOS component
  • Fig. 2 shows an area of an integrable controllable on the anode side
  • MOS device which has a gate electrode for ignition, in section
  • FIG. 3 shows the edge region of an integrable MOS component which can be controlled on the anode side and is ignited by MOS gate;
  • Fig. 5 is a bidirectional device that a unit cell acc. 1 and has an IGBT unit cell;
  • 6a-d the bidirectional component acc. 4 in different operating states, namely: 6a in the forward blocking state (operating point on the blocking characteristic in the first quadrant);
  • FIG. 7 shows a section in the partial area of a bidirectional component with an unshortened pn junction on a main electrode
  • FIG. 8 shows a particularly configured ignition area of a MOS component which can be controlled on the anode side and with which switching on under reverse load is prevented in section and
  • Fig. 9 shows a unit cell with bidirectional switching ability in section.
  • the unit cell contains a weakly doped n-base zone 3, which is followed by p-zones 2 and 4, which are doped higher and lower.
  • n + zone 1 follows the lower p-zone 2. This represents the cathode emitter of a thyristor structure which is formed from the layer sequence 1, 2, 3, 4.
  • the upper p-zone 4 is trough-shaped in such a way that the n-base zone 3 emerges laterally to the surface.
  • Two n + zones 5a, 5b are embedded in the p-well per half unit cell and the p-region in between is provided with an insulated gate electrode 6, so that a lateral n-channel MOSFET M1 is formed.
  • the insulator layer under the gate electrode generally consists of silicon dioxide, the gate electrode 6 of doped polysilicon.
  • the n + zone 1 is covered with a cathode metallization 7, which is connected to a cathode connection K.
  • the anode emitter zone 4 of the thyristor which comes to the surface next to the MOSFET area, is provided with a floating connecting electrode FE, which simultaneously contacts the adjacent n + zone 5a of the MOSFET M1 and thus the vertical thyristor 1, 2, 3, 4 connects to the lateral MOSFET M1 from zones 5a, 4, 5b.
  • the n + region 5b of the MOSFET M1 facing away from the connecting electrode FE is provided with an anode contact 8 which is connected to the outer anode terminal A and which has no contact with the anode emitter zone 4 of the thyristor Has.
  • the gate electrode 6 of the MOSFET M1 is connected to the gate terminal G.
  • the unit cell of the inverse component according to FIG. 1 also contains a second MOSFET M2 which, through the n + zone 5b provided with the anode and lying on the edge of the p-well, the n-base zone 3 pulled to the surface and the one in between The lying area of the p-zone 4 is formed, the insulated gate electrode 9 of which is connected to the outer anode contact 8 of the n + zone 5b or is formed by it.
  • a second MOSFET M2 which, through the n + zone 5b provided with the anode and lying on the edge of the p-well, the n-base zone 3 pulled to the surface and the one in between The lying area of the p-zone 4 is formed, the insulated gate electrode 9 of which is connected to the outer anode contact 8 of the n + zone 5b or is formed by it.
  • the structure according to FIG. 1 is generally to be understood as a half unit cell, from which a complete unit cell emerges through mirror-image addition.
  • ICMT Such a cell, designated ICMT, then also contains a second pair of n + zones on the opposite side of the p-well, so that the MOSFETs M1 and M2 also extend there.
  • the MOSFET M1 lying in series with the thyristor in the present case is integrated in the anode emitter zone and designed as an n-channel MOSFET. Refinements for switching on and for achieving a stable reverse blocking behavior are further described below.
  • the unit cell can be seen as a cascode-like integration of a thyristor with a MOSFET (M1).
  • the component in this form in addition to the desired controllability and integrability on the anode side, has the advantage that the MOSFET M1 in series with the thyristor is of the n-channel type, which has a charge carrier mobility which is 3 to 4 times higher than ap -Channel MOS-FET.
  • the npn transistor on the cathode side to which one now has no access through the gate, has a higher current amplification factor and a higher avalanche multiplication factor than a pnp transistor.
  • the n-base zone 3 must therefore be chosen thicker than in the other case.
  • the cathode connection K is positive relative to the anode connection A. Potential lies.
  • the component When the MOSFET M1 is switched on, the component then has the blocking capacity of the reverse-polarized thyristor 1, 2, 3, 4. The voltage is almost entirely absorbed by the anode-side pn junction J i between the n-base zone 3 and the p-zone 4 , since the pn junction J3, which is also polarized in the reverse direction, between the n + zone 1 and the p zone 2 mostly blocks only about 10 V because of the relatively high doping of the p zone 2.
  • the reverse current and breakdown voltage of the component are therefore essentially determined by the pnp transistor 2, 3, 4, which is in series with the avalan pn junction J3. If the MOSFET M1 is switched off, in addition to the junction J2 between the n base zone 3 and the p zone 2, the pn junction J 5 between the p zone 4 and the n + zone 5b is also polarized in the forward direction. Although the structure blocks unchanged with the pn junction J 1, the breakdown voltage and reverse current are now given by the forward blocking capacity of the thyristor structure 2, 3, 4, 5b.
  • the reverse blocking capacity of the ICMT is improved by switching on a secondary path from the n-base zone 3 'to the cathode contact T.
  • FIGS. 1 and 4 are provided with the same reference numbers. The design according to 4 is described in more detail below.
  • the MOSFET M2 in the arrangement shown in FIG. 1 is switched off at VK> VA regardless of whether the MOSFET M1 is switched on or not, since the gate 9 is at the potential of the electrode 8 or the anode. is clock 8, which in this case forms the source of the MOSFET M2.
  • the ICMT component blocks a positive potential at the cathode connection K with respect to the anode connection A regardless of how the gate G is driven. It is assumed that the thyristor structure 2, 3, 4, 5b has a forward blocking capacity. This must be achieved without shortening the pn junction J5, since this junction must block the switching on of the MOSFET M2.
  • a high integral doping concentration N. ** of the p-zone 4 under half b of the n + zone 5b and a small thickness of the zone 5b allow a stable forward blocking behavior of the thyristor 2, 3, 4, 5b, ie a stable reverse blocking behavior of the ICMT with the MOSFET M1 switched off, since the current amplification factor ⁇ H-pn of the n + pn transistor 5b, 4, 3 is then small.
  • NIP is preferably selected to be larger than approximately 2 * 10 14 cm 2 .
  • the cathode connection K is at a negative potential with respect to the anode connection A and the MOSFET M1 is switched off, then the anode-side pn junction Js is polarized in the reverse direction and the p-zone 4 receives a negative potential with respect to the gate electrode 9.
  • This potential taken absolute, is set to a value slightly above the threshold voltage of the MOSFET M2, so that it switches on and opens a bypass from the n-base zone 3 to the anode contact 8.
  • the blocking capability of the ICMT is therefore not provided by the MOSFETs M1, which blocks only a little, but by the n * pn transistor 1, 2, 3, which is connected to the anode 8 with low impedance and via which pn transition J 2 has a high blocking capacity.
  • the prerequisite here is that the breakdown voltage of the pn junction J s is clearly greater than the threshold voltage of M2. This is achieved by doping the p-zone near the pn junction Js and on the surface under the gate oxide. For example, the breakdown voltage is 12 V, but the threshold voltage is 3 V.
  • the cathode potential is lower than the anode potential, ie VK ⁇ VA, but the MOSFET M1 is switched on, the thyristor structure under the floating electrode FE is loaded in the forward direction.
  • the MOSFET M2 is switched off, since the p-zone 4 is almost at the same potential as the gate electrode 9.
  • the component is in the on state.
  • a high integral doping Np of the p-region 4, which, as mentioned, serves to achieve a stable reverse blocking capacity, is also desirable in order to obtain a low forward voltage.
  • the switch-off behavior of the component is given by that of the n + pn transistor 1, 2, 3 when the base is open. Since the current amplification factor and avalanche multiplication factor of such a transistor are considerably larger than in the case of a pnp transistor, the thickness and also the specific resistance of the n-base zone 3 are set greater than for a given voltage which is to be switched with a conventional component controlled from the cathode side, e.g. B. the IGBT or GTO thyristor.
  • the thyristor In order to put the thyristor in the conductive state when the negative voltage is present at the cathode K relative to the anode A and when the MOSFET M1 is switched on, as mentioned, there is first the possibility of dimensioning the thyristor in such a way that it is without the bypass from the n-base zone 3 via M2 to the anode connection A in the forward direction.
  • the sum of the current amplification factors ⁇ npn + ⁇ P np is set greater than 1 in the reverse current range.
  • this can be achieved by setting the efficiency of the emitters to a large extent by means of relatively high integral doping of the emitter zones and the transport factors of the partial transistors by minimizing the integral doping of the p-base zone 2 and long carrier life.
  • the ICMT unit cell then switches to the on state as soon as the voltage between gate G and anode A or between gate G and FE exceeds the threshold voltage.
  • the emitter base junction J3 In order to be able to proceed in this way, the emitter base junction J3 must not be short-circuited, since the component blocks in the forward direction even when the transition is short-circuited even without the shunt by the switched-on MOSFET M2.
  • n-emitter zone 1 is missing in partial areas of the structure and the transition J3 is itself short.
  • a thyristor that does not block in the forward direction in the relatively wide temperature range to be permitted has long switching times due to the large carrier life required.
  • the blocking capacity is also reduced when the MOSFET M2 is switched on because of the large current amplification factor ⁇ npn. Therefore, it is often better to use a thyristor that has forward blocking capability even when the n-base shunt is turned off by the MOSFET M2.
  • an ignition gate ensures that the thyristor switches to the on state when a positive voltage is applied to the gate G.
  • FIG. 2 Such an arrangement for ignition is shown in FIG. 2, the same elements in FIGS. 1 and 2 being provided with the same reference numbers.
  • a p-emitter zone 4 ' is provided with a gate contact 12 which is connected to the gate terminal G via a resistor R connected is.
  • An n + zone 10 embedded in the p-emitter zone 4 ' has a contact 11 which is connected to the floating electrode FE, but does not have the pn junction in the ignition region between p-zone 4' and n + zone 10 shorts.
  • holes diffuse to the space charge zone RLZ around the pn junction J2 between the n-base zone 3 and the p-base zone 2 and are drawn off through the field into the p-base zone 2. They thus act as a base current for the n + pn transi- stor 1, 2, 3 and steer it on.
  • the collector current of this transistor flows into the n-base zone 3 and controls the pnp sub-transistor 4 ', 3, 2 of the thyristor structure.
  • holes increasingly flow into p-base zone 2 and the current increases until the thyristor ignites.
  • This firing gate is related to the "remote gate" arrangement used in the triac. The switched-on state then spreads in a known manner over the area with the ICMT unit cells.
  • MOSFET M1 If the MOSFET M1 is switched off, the current in the ignition area is also switched off.
  • a MOSFET (M2 ') is additionally provided, as in the unit cells according to FIG. 1, which connects the n-base zone 3 to the n + region 10.
  • the n-base zone 3 is therefore connected to the anode connection A when switched off via the switched-on MOSFET M2, the floating electrode FE and the MOSFET M2 of the unit cells.
  • the thyristor 10, 4 ', 3, 2 of the ignition area is polarized in the forward direction. He blocks i. a. only if control current is not fed into the base 4 'of this thyristor by positive voltage at the gate G.
  • FIG. 3 Another arrangement according to the invention for igniting the thyristor with zones 1, 2, 3, 4 when the MOSFET M1 is switched on is shown in FIG. 3.
  • the p-base zone 2 at the edge of the semiconductor body is guided via a p-edge zone 20 to the upper boundary plane of the semiconductor body, as is similarly known from thyristors blocking on both sides.
  • the p-base zone forms an area 24 in which an n + zone 5d is embedded.
  • the p-region 24 is not, as is customary, separated from the upper p-emitter zone 4 in the interior of the semiconductor wafer by the n-base zone 3 emerging on the surface, but is connected to hr by a p-channel zone 21 lying on the surface.
  • Thickness and integral doping of the p-zone 21 are set such that they each have a p-channel depletion type MZA or a p-channel MOSFET of the depletion type together with an insulator located above them and a gate electrode 9 'located towards the inside of the pane and a second gate electrode 22 coming from the edge MZK forms.
  • the gate electrode 9 ' is connected to the outer anode contact 8.
  • the gate electrode 22 also forms the contact layer of the n + zone 5d, which is conductively connected to the cathode contact 7 on the lower boundary plane of the semiconductor body.
  • a MOSFET M2 "of the inversion type is further integrated.
  • the inversion MOSFET M2 turns on and the depletion MOSFET MZA turns off.
  • the n-base zone 2 is now connected to the anode contact 8 and the connection of the upper p-emitter zone 4 to the lower p-base zone 2 is interrupted.
  • the n + pn junction J 2 lying between cathode K and anode A 1 takes i. W. t he tension.
  • the p-channel zone 21 is emptied of charge carriers in the area outside the MOSFET MZA and leads to a reduction in the electrical field on the surface.
  • the cathode potential is greater than the anode potential (VK> VA)
  • the pn junctions J i and J3 are polarized in the reverse direction. Since the p-region 24 and the adjacent part of the n-base zone 3 have a positive polarity with respect to the gate electrode, an n-channel is formed on the surface of the p-region 24 and the p-channel of the MOSFET MZK disappears. Thus, the n-base zone 3 is now connected to the cathode K.
  • the arrangement according to FIG. 3 initially has the advantage that the component is switched on as well as switched off by the MOS gate. Another advantage is that the reverse blocking capacity is improved by the activation of the secondary path from the n-base zone 3 to the cathode K.
  • the MOSFET M1 remains switched off when the voltage around the pn junction Js is built up and the MOSFET M2 switches on, it is not sufficient to put the gate G at the potential of the anode A, since then both MOSFETs would switch on if the Voltage at the pn junction Js exceeds the threshold voltage of the MOSFETs. Rather, it is necessary to give the gate G a negative voltage with respect to A, e.g. B. a voltage of -5 V. Then the MOSFET M1 remains switched off, while M2 switches on and the pn junction J 2 begins to block.
  • the component need not necessarily switch off. Since the MOSFET M1 then does not remain fully switched off, one would no longer have to do a pure cascode switch-off.
  • a MOSFET shows no current limitation when the gate-drain voltage is fixed.
  • the gate G is given a fixed voltage with respect to the floating electrode FE, a current limitation is obtained. Because of the then fully switched-on MOSFET M2, the current limitation up to high voltages is ensured by the n + pn transistor 1, 2, 3 with the blocking pn junction J 2 .
  • FIG. 1 shows a lateral embodiment of the component according to FIG. 1 that can be switched on and off on the anode.
  • the n-base zone 3' is below by an insulator or a pn junction is also separated from the underlying substrate.
  • the anode metallization 8 'and the cathode metallization 7' have no contact with the p-zones 4 "and 2 ', respectively, in which the contacted n + zones 5b" and 5a' are embedded.
  • the p-base zone 2 ' is also on the upper main plane, the p-base zone 2' and the p-emitter zone 4 'of the thyristor 1', 2 ', 3', 4 "are directly through the p-channel zone 21 ' connected to one another, which forms with the oxide overlapping metallizations 7 ', 8' of the anode and cathode MOSFETs MZK ', MZA' of the depletion type.
  • the component locks in the reverse direction independently of the adjacent one Gate voltage, the cathode-side MOS structure becomes effective and blocks J i.
  • the composition of a bidirectional switch from the ICMT unit cell 4 described above and an IGBT unit cell is shown in FIG. 5.
  • the IGBT unit cell has the usual structure described below.
  • the p + zone 2a below is followed by a weakly doped n base zone 3a, which contains a p-well 4a on the top, in which an n + zone 5c is embedded.
  • the p + zone 2a is provided with a metallic contact layer 7a and the n + zone 5c and the p-well 4a with a common metal layer 10a.
  • a gate electrode 11a ' is located above the area of the p-well 4a between the n + zone 5c and the surface area of the n-base zone 3a.
  • the ICMT unit cell corresponds to the arrangement shown in FIG. 1.
  • the thyristor can be ignited by an arrangement according to FIG. 3, not shown in FIG. 5.
  • both parts of the bidirectional switch, the ICMT and the IGBT can be produced using the same process steps, starting from a semiconductor wafer with n-doping. Only the lateral masking, especially for the n + zones, must be different.
  • the lower contact electrodes 7, 7a are common to both unit cells and connected to a main electrode terminal E2.
  • the anode electrode 8 of the ICMT and the cathode or source electrode 10a of the IGBT are connected to an upper main connection E1.
  • the ICMT unit cells and the IGBT unit cells can also be arranged in different semiconductor components which are connected to one another in a hybrid circuit.
  • the gate electrode 6 of the ICMT and the gate electrode 11 a 'of the IGBT are connected in Fig. 5 to a common outer gate terminal Ggem.
  • the ICMT and the IGBT can also have separate gate connections G1 and G2 and can thus be controlled separately, which has certain advantages, as described below.
  • the two gates are controlled from the same reference electrode E1 or FE, which is why the control effort does not increase so much compared to the case of a gate.
  • the two types of unit cells in the bidirectional semiconductor component according to FIG. 5 are each arranged in a separate surface area of the semiconductor body.
  • the relatively large distance prevents the pn junctions J3 and J 1 of the ICMT part from being short-circuited or from the p zone 4a of the IGBT and the npn zone sequence 1, 2, 3 of the ICMT formed thyristor structure, which can not be turned off by the gate, turns on.
  • the IGBT is also in the blocking state, the voltage being picked up again by the pn junction J 1 'between p zone 4a and n base 3a. This is indicated in Fig. 6a by the hatched area in the connection J 1, J 1 '.
  • the combined component is thus in the forward blocking state, which is described by a working point on the blocking characteristic in the first quadrant.
  • the voltage ar * of the electrode E2 is still positive, e.g. B. + 500 V, but is now at the gate GGEM a positive voltage of z. B. 10 V, which is greater than the threshold voltage of the MOSFETs.
  • the IGBT thus switches to the on state in a known manner.
  • the floating anode connection of the thyristor is connected to the main electrode E1 through the n-channel of the MOSFET M1.
  • the thyristor is still in the reverse blocking state, although the voltage has coincided with the forward voltage of the IGBT.
  • the combined bidirectional device is in the forward transmission state determined by the IGBT.
  • the IGBT blocks through the lower pn junction J2, regardless of which gate voltage is applied.
  • the MOSFET M1 is switched off, the ICMT also blocks, also through the pn junction J2 between the n-base 3 and the lower p-zone 2, as described above. This case is shown in Fig. 6c.
  • the internal MOSFET M2 is switched on in this state, so that the n base zone 3 is connected to the upper main terminal E1 via the shunt X to the anode-side pn junction J 1.
  • the breakdown voltage of the pn junction Js has to be set significantly higher than the threshold voltage of the MOSFET M2.
  • the thickness and the specific resistance of the n-zone 3a are set greater than it is for the IGBT alone would be required.
  • the IGBT remains in the blocking state, as already mentioned.
  • the p-emitter zone 4 of the thyristor is connected to the outer electrode E1 via the floating electrode and the n-channel of the MOSFET M1.
  • the potential of the p-zone 4 rises from the previous negative value approximately to the zero value of the electrode E1, so that the n-channel in the MOSFET M2 disappears, ie it is switched off.
  • the thyristor 1, 2, 3, 4 must switch on.
  • the n + zone 1 is absent in the area with the IGBT cells and the pn junction J3 therefore normally ends on the lower surface and is short-circuited by the metallization 7 common to the IGBT and the ICMT.
  • the pn junction J3 must not be short.
  • the region of the lower boundary level where the pn junction J3 emerges is covered with an oxide layer 12 ′ or another insulator, as shown in FIG. 7.
  • the p-zone 2 of the ICMT also runs out shortly after the n + emitter zone 1 and ends in the region of the surface covered with oxide, so that it has no contact with the metallization 7 of the lower boundary plane of the semiconductor body.
  • the p-zone 2a of the IGBT begins at a distance from it and is separated from the p-base zone 2 of the ICMT by the n-base zone 3 approaching the isolated surface.
  • the width of the n-base zone 3 on the surface is so small that the blocking ability of the pn junction J 2 is not impaired.
  • the pn junction J3 can be polarized in the reverse direction, which is necessary for the function of the edge configuration according to FIG. 3.
  • the thyristor 1, 2, 3, 4 can now be dimensioned such that it does not block in the forward direction without being shortened by the internal MOSFET M2.
  • the p-base zone 2 and the anode-side p-zone 2a of the component which can be controlled on the cathode side can also be separated by a trench which is expediently filled with insulating material.
  • the component switches on by increasing the gate voltage to a value above the threshold voltage, and switches it off by lowering the gate voltage to zero or a negative value, both when the lower electrode E2 is positive compared to E1 (1st quadrant) as well as with negative polarity of E2 compared to E1 (3rd quadrant).
  • the switched-on ignition range cannot be switched off at the same time as the IGBT by the MOSFET M1, since the pn junction Js polarized in transmission lies in parallel.
  • this ignition gate In order to prevent the ignition area from being switched on, it is generally necessary when using this ignition gate to provide the gate electrode 6 of the ICMT with its own gate connection G1 and the gate electrode 11 of the IGBT with a separate gate connection G2 and to control both with different control signals.
  • V (E2)> V (E1) only the IGBT is then driven with a positive gate voltage, while the voltage at the ICMT gate G1 is set to zero or negative with respect to FE.
  • the embodiment of the ignition area of a bidirectional component comprising an ICMT and an IGBT shown in FIG. 8 allows the ICMT and the IGBT to be controlled via a single gate connection G 'even in the event that an ignition gate is required.
  • this gate G ' causes the thyristor 1, 2, 3, 4 of the ICMT to be switched on when a positive gate voltage is applied.
  • V (E2)> V (E1) a positive gate voltage can be applied without the ICMT part of the component turning on.
  • the p-region provided with a gate contact 12 has its own p-well 4a ', which has the well-shaped p-region 4b, which contains the n + zone 10 "with the electrode 1 1" connected to the FE, is only connected by ap channel 4c.
  • regions 4a ', 4c, 4b in conjunction with the substrate of n-base zone 3, form a p-channel MOSFET MZ of the depletion type.
  • the firing gate structure shown in FIG. 8 switches on the thyristor from 1, 2, 3, 4 at V (E2) ⁇ V (E1). However, the thyristor structure of FIGS. 2, 3, 4b, 10 is not fired in the first quadrant, where it is poled in the forward direction. The shorting of the pn junction J ⁇ further stabilizes the blocking behavior in the first quadrant.
  • the electrode FE then assumes a potential compared to E1, which is given by the voltage of the pn junction Js, which is weakly forward-polarized by the reverse current.
  • E1 the voltage of the pn junction Js, which is weakly forward-polarized by the reverse current.
  • the threshold voltage in components of this type typically has values around 3 or 4 V, so that the IGBT blocks.
  • a shorting of the pn junction J3 is prevented according to the embodiment according to FIG. 6 with the aid of an oxide layer 12 ". Since the thyristor structure 1, 2, 3, 4 is to conduct well in the third quadrant, this is however carried out by the wi The junction J3 is impaired if the lateral extent of the n + emitter zone 1, like that of the p zone 2a, is to be greater than the lateral cell diameter (cell pitch).
  • the MOSFET M1 When the MOSFET M1 is switched on, the component acts like an IGBT through the gate G2 If G2 is connected to E1, the function of an ICMT switchable by G1 is obtained.
  • gate E1 is therefore set to positive potential with respect to E1 (or FE), so that MOSFET M1 is switched on is.
  • the thyristor 1, 2, 3, 4 is then polarized in reverse, and the right part of the structure, namely 2a, 3, 4, 5b together with the MOS gate G2, behaves like an IGBT.
  • the component switches on with a positive voltage at G2 compared to E1. If you lower the voltage to zero, it switches off.
  • G2 is connected to the electrode ET, so that the component functions like the ICMT in FIG. 1. By actuating the gate G1, it can be switched on and off, as described there.
  • n + base zone 1 like the p-emitter zone 2a, only covers part of the lower boundary surface does not significantly interfere with the function of the ICMT or IGBT, since the thickness of the base zone 3 is considerably greater than the lateral extent of the Gap in the lower n-emitter zones 1 and zone 2a for the ICMT and IGBT function.
  • MOS inversion channels on the upper main plane of the semiconductor body are nevertheless in the entire channel width, i. H. Expansion perpendicular to the plane of the drawing, effective.
  • a bidirectional component with relatively small areas and a large channel width has thus been created.
  • the active component area is approximately halved, neither the channel resistance nor the on-resistance inside the semiconductor is significantly increased.
  • lateral components 4 can be controlled with conventional lateral components, e.g. B. combine a lateral IGBT, the unit cells of which are arranged in another surface area, analogously to FIG. 5 to form a lateral bidirectional semiconductor component.
  • the gate electrodes of both individual components generally have a common gate connection. As described with reference to FIG. 6, the component is switched on independently of the polarity of the main electrodes with a positive gate voltage, and switched off with a negative or vanishing gate voltage.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein anodenseitig ansteuerbares Halbleiterbauelement, dessen Halbleiterkörper eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, parallel geschalteter Einheitszellen mit Thyristorstruktur aufweist, und bei dem an eine schwach dotierte n-Basiszone (3) nach beiden Seiten höher dotierte p-Zonen als p-Basiszone (2) und p-Emitterzone (4) angrenzen und auf die p-Basiszone (2) eine hoch dotierte n-Emitterzone (1) folgt, die mit einer Kathodenelektrode (7) kontaktiert ist, und, daß in die p-Emitterzone (4) ein erster n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (M1) integriert ist, der durch eine floatende Elektrode (FE) in Serie mit der Thyristorstruktur geschaltet ist, daß die Drain-Elektrode (5b) des ersten MOSFET (M1) mit einer äußeren Anodenelektrode (8) versehen ist, die keinen Kontakt mit der p-Emitterzone (4) hat, und daß zwischen der n-Basiszone (3) und der Drain-Zone (5b) des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1) ein zweiter n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (M2) integriert ist.

Description

Steuerbares Halbleiterbauelement
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein anodenseitig ansteuerbares Halbleiterbau¬ element, dessen Hal bleiterkörper eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, parallel geschalteter Einheitszellen mit Thyristorstru ktur aufweist, und auf bidirektionale Halbleiterschalter mit einem solchen anodenseitig ansteuerba¬ ren Halbleiterbauelement.
Bidirektionale Halbleiterbauelemente, die in beiden Polungsrichtungen der Hauptelektroden durch ein Steuersignal ein- und möglichst auch abgeschal¬ tet werden können, sind für viele Wechselstromanwendungen sehr vortei l¬ haft. Ein häufig eingesetztes Bauelement dieser Art ist der Triac, der zwei antiparallel angeordnete Thyristorstrukturen enthält und unabhängig vom Vorzeichen der anliegenden Spannung durch Gatestrom eingeschaltet werden kann. Abgeschaltet werden kann der Triac nicht über das Gate, sondern nur d urch Umpolung der Hauptelektroden.
Ein Bauelement, das durch MOS-Gate in beiden Polungsrichtungen sowohl ein- als auch abschaltbar ist, wurde in IEEE Transactions on Electron Devi¬ ces, vol. ED-27 (1980), S. 380 - 87, beschrieben. Bei diesem sogenannten TRIMOS (MOS-Triac) handelt es sich um ein laterales Bauelement, das aus zwei spiegelbildlich angeordneten DMOS-Transistoren besteht, deren Gate¬ elektroden miteinander verbunden sind. Der Spannungsbereich ist hierbei durch die Durchbruchspannung des Gateoxids begrenzt und reicht typi¬ scherweise nur bis etwa 50 V. Wenn man die Gatelektroden voneinander trennt und einzeln ansteuert, können Spannungen bis etwa 300 V erreicht werden. Dabei wirkt sich günstig aus, daß das Bauelement bei höheren Strömen wie ein IGBT funktioniert, so daß der On-Widerstand durch Leitfähig keitsmodulation reduziert wird. Durch die Trennung der Gateelek¬ troden gehen aber Vorteile bei der Ansteuerung wieder verloren. Ein bilateral schaltendes Bauelement mit Thyristorstru ktur und lateralem Aufbau, das als BEST (bilateral emitter switched thyristor) bezeichnet wird, wurde auf dem International Electron Device Meeting IEDM 1992 vorgestellt (IEDM'92-Konferenzband, S. 249 - 252). Das Sperrvermögen des Bauelements betrug weniger als 70 V. Die Charakteristi ken sind vergleichbar mit denen des TRIMOS. Durch den lateralen Aufbau dieser Schaltelemente ist nicht nur der Spannungsbereich eng begrenzt sondern auch der schaltbare Strom. Zum Ein- und Abschalten ist für jede Stromrichtung ein eigenes MOS-Gate vorgesehen, das von der Kathodenelektrode der jeweiligen Stromrichtung angesteuert wird. Dies ist wegen des Aufwands für die Treiberelektronik nachteilig. Für vertikale bidirektionale Bauelemente ist ein solches Konzept ungeeignet.
Die üblichen Leistungsbauelemente wie der MOSFET, der Insulated-gate- Bipolartransistor oder IGBT, der normale Bipolartransistor und der (GTO-) Thy ristor werden von der Kathode aus angesteuert und erfordern eine po¬ sitive Steuerspannung zum Einschalten. Für einen bidirektionalen Schalter, der durch ein (relativ kleines) Gatesignal bezogen, auf eine feste Haupt¬ elektrode geschaltet werden kann, braucht man neben einem üblichen katho- denseitig ansteuerbaren Bauelement ein anodenseitig ansteuerbares Bauele¬ ment. Durch Vertauschen von n- und p-Leitfähigkeitstyp in den verschie¬ denen Hal bleiterzonen erhält man aus den genannten übl ichen Stru kturen anodenseitig ansteuerbare Bauelemente. Diese besitzen aber den Nachteil, daß sie nicht zusammen mit den übl ichen integrierbar sind, u. a. da die schwach dotierte Basis zur Aufnahme der Spannung den umgekehrten Leitungstyp, nämlich p-Leitung, besitzt. Ein zweiter Nachteil dieser anodenseitig steuerbaren Bauelemente besteht darin, daß das Gatesignal zum Schalten umgekehrte Polarität haben muß wie bei dem normalen: zum Einschalten ist eine negative Spannung am Gate erforderlich. Ein bidirektionaler Schalter mit solchen Einzelbauelementen verlangt also zum Ei n- und Abschalten Steuersignale, die von der Stromrichtung abhängen, so daß sich u. a. beim Stromnulldurchgang das Steuersignal ändert. Infolgedessen wird eine aufwendigere Treiberelektroni k benötigt.
In der Patentanmeldung P 44 02 877 wurde ein MOS-gesteuerter Thyristor vorgeschlagen, der durch einen in die n-Emitterzone integrierten p-Kanal- MOSFET in Serie zu der Thyristorstru ktur ein- und abgeschaltet werden kann. Beim Abschalten wi rd die an dem MOSFET sich aufbauende Spannung über einen zweiten integrierten MOSFET, der sich automatisch einschaltet, wenn der erste abgeschaltet wird, als negative Gatespannung an die p-Basis des Thyristors gelegt. Dadurch wird ein effizientes Abschalten ermöglicht. Der von außen angesteuerte MOSFET und der Thyristor sind unter Verwen¬ dung des zweiten, internen MOSFETs nach Art der bekannten Kaskoden- schaltung integriert. Das Bauelement läßt einen hohen Durchlaßstrom pro Fläche bei geringer Durchlaßspannung zu, kann bis zu hohen Sperrspan¬ nungen eingesetzt werden und hat eine Kennlinie mit Strombegrenzung.
Wie in dieser Patentanmeldung beschrieben, erhält man durch Vertauschen von n- und p-Leitung in den verschiedenen Halbleiterzonen ein inverses Bauelement, das von der Anodenseite her ansteuerbar ist. Dieses Bauelement wird, wie die üblichen Bauelemente, durch positive Gatespannung einge¬ schaltet und durch Wegnahme oder Umkehrung des Gatesignals abgeschaltet. Da es eine schwach dotierte p-Basiszone zur Aufnahme der Spannung ent¬ hält, eignet sich aber nicht zur monolithischen Integration gemeinsam mit üblichen Bauelementen, die Transistor- oder Thyristorstrukturen aufweisen.
Der Erfindung liegt das allgemeine Problem zugrunde, ein bidirektional be¬ treibbares Bauelement zu schaffen, das durch MOS-Gate ein- und abschalt¬ bar und für einen größeren Spannungs- und Strombereich geeignet ist als die bekannten bidirektionalen ein- und abschaltbaren Bauelemente, und des¬ sen Schaltverhalten stabi l ist. Das Bauelement soll für beide Stromrichtun¬ gen von der gleichen Hauptelektrode aus ansteuerbar sein, und zwar mit der gleichen Polarität des Steuerimpulses.
Ein Teilproblem der Erfindung ist dabei die Schaffung eines von der An¬ odenseite her ansteuerbaren MOS-Bauelements, das zusammen mit herkömml i¬ chen^ Bauelementen, die Transistor- oder Thyristorstruktur aufweisen, inte¬ grierbar ist. Ein solches anodenseitig ansteuerbares Bauelement ist auch an sich von Bedeutung, da es dann in einer bei üblichen Bauelementen verwen¬ deten Technologie herstellbar ist. Das Bauelement soll durch positive Steuer¬ spannung (gegenüber der Anode) einschaltbar und durch Wegnahme oder Umkehrung der Steuerspannung abschaltbar sein.
Das Problem wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an eine schwach dotierte n-Basis¬ zone nach beiden Seiten höher dotierte p-Zonen als p-Basiszone und p- Emitterzone angrenzen und auf die p-Basiszone eine hoch dotierte n- Emitterzone folgt, die mit einer Kathodenelektrode kontaktiert ist, daß in der p-Emitterzone ein erster n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor, der durch eine floatende Elektrode in Serie mit der Thyristorstruktur geschaltet ist, daß d ie Drain-Elektrode des ersten MOS-Feldeffekttransistors mit einer äußeren Anodenelektrode versehen ist, die keinen Kontakt mit der p- Emitterzone hat und daß zwischen der n-Basiszone und der Drain-Zone des ersten MOS-Feldeffekttransistors ein zweiter n-Kanal-MOS-Feldeffekttran- sistor integriert ist. Dieses Hal bleiterbauelement läßt sich zusammen mit an¬ deren, an sich bekannten Bauelementen integrieren, um bestimmte elektri¬ sche Funktionen zu erzeugen, insbesondere um ein bid i rektional schaltbares Bauelement mit nur einem Gate zu erzeugen, das unabhängi g von der Strom¬ richtung mit gleicher Spannung angesteuert werden kann.
Das isolierte Gate des zweiten MOS-Feldeffekttransistors, das sich über dem p-Gebiet zwischen n-Basis und n+-Gebiet befindet, ist in einer bevorzugten Ausführungsform mit der äußeren Anode verbunden. Da es sich bei dem vorstehend beschriebenen Bauelement um eine speziel le Art eines mversen Cascoden-geschalteten MOS-Thyristors handelt, wird es im folgenden abge¬ kürzt als ICMT bezeichnet. Der MOS-Feldeffekttransistor wird im folgenden als MOSFET bezeichnet.
Obwohl der ICMT ein inverses Bauelement ist, hat es mit der schwach do¬ tierten n-Basiszone und den sich nach beiden daran anschließenden höher dotierten p-Zonen sowie den darauf folgenden n+-Zonen einen Aufbau, der in seiner Stru ktur weitgehend dem von üblichen Transistor- bzw. Thyristor- Bauelementen entspricht. Das anodenseitig ansteuerbare Bauelement kann daher leicht zusammen mit übl ichen Bauelementen auf einem Hal bleiterchip integriert werden. Als Einzelbauelement kann der ICMT wirtschaftlich mit bei übl ichen Bauelementen verwendeten Technologien hergestellt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Untertei¬ lung in Einheitszellen durch wannenförmige Ausbildung der p-Emitterzone vorgenommen ist, daß in die p-Emitterzone parallel zu deren Rand minde¬ stens einer Seite zwei n+-Zonen im Abstand voneinander eingebettet sind, daß die n+-Zonen mit dem zwischen ihnen liegenden p-Gebiet der p-Emitter¬ zone und einer darüber angeordneten, .isolierten Gate-Elektrode den ersten n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor bilden, daß das eine dem Rand der wannenförmigen p-Emitterzone benachbarte n+-Gebiet und die an die Ober¬ fläche tretende n-Basiszone zusammen mit dem zwischen ihnen liegenden Ge¬ biet der p-Emitterzone und eine darüber angeordneten Gate-Elektrode den zweiten n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor bilden, daß die andere n+-Zone und die p-Emitterzone eine gemeinsame floatende Elektrode haben, und daß die dem Rand benachbarte n+-Zone mit der äußeren Anodenelektrode ver¬ bunden ist, die keinen Kontakt mit der p-Emitterzone hat.
Ein ICMT der oben beschriebenen Art kann sowohl mit vertikaler als auch lateraler Thyristorstruktur realisiert werden. Bei vertikaler Ausbildung sind die n-Emitterzone, die p-Basiszone, die n-Basiszone, die p-Emitterzone und der Anodenkontakt übereinander angeordnet, wobei der mit der n-Emitter¬ zone verbundene Kathoden kontakt auf der unteren Begrenzungsebene und die Anodenelektrode sowie die Gate-Elektrode auf der oberen Begrenzungs¬ ebene des Halbleiterkörpers angeordnet sind.
Bei lateraler Ausbildung ist die schwach dotierte -Basiszone auf einem Sub¬ strat angeordnet, von dem sie durch eine Isolatorschicht oder einen pn- ü bergang getrennt ist. In die n-Basiszone sind wannenartig, in lateralem, durch die Sperrfähigkeit gegebenen Abstand voneinander die p-Basiszone und die p-Emitterzone eingebettet. In die p-Basiszone ist die n-Emitterzone und in die p-Emitterzone sind die Source- und Drainzonen des ersten MOS- Feldeffekttransistors eingebettet.
Damit das Bauelement bei Einschalten des erstem MOSFETs und Anliegen ei¬ ner negativen Spannung an der Kathode einschaltet, muß der in Serie lie¬ gende Thyristor gezündet werden. Das Zünden des Thyristors kann dadurch erreicht werden, daß er in Schaltrichtung an sich sperrfähig ausgelegt ist. Bevorzugt aber hat der Thyristor ein Vorwärtssperrvermögen, und er wird dann erfindungsgemäß mit einer speziellen Vorrichtung zum Zünden durch das anodenseitige Gate ohne Zugriff auf die n- und p-Basiszone ausge¬ stattet. Eine Ausführungsform einer solchen Zündanordnung besteht darin, daß im Halbleiterkörper in größerer Entfernung von dem Flächenbereich mit den Einheitszellen oder durch Unterbrechung der p-Emitterzone von diesen getrennt ein Zündbereich angeordnet ist, bestehend aus einer p-Emitterzone mit der daran angrenzenden n-Basiszone, der daran anschließenden p-Basis¬ zone und der darauf folgenden n-Emitterzone, wobei die p-Emitterzone mit einem Zünd-Gate-Kontakt versehen ist und eine n+-Zone enthält, deren Kon- taktelektrode mit der floatenden Elektrode verbunden ist, jedoch im Zündbe reich nicht den pn-ϋbergang zwischen der p-Emitterzone und eingebetteter n+-Zone kurzschließt. Mit Hilfe dieses Zündbereichs ist das Hal bleiterbauele¬ ment durch das Gate ein- und abschaltbar. In einer alternativen Anordnung zum Einschalten der Thyristorstruktur ist am Rande des Halbleiterkörpers eine Oberflächen kanalzone vorgesehen, die die p-Emitterzone mit der p-Ka- nalzone verbindet, im abgeschalteten Zustand aber durch die sich einstel¬ lende Spannung an einem MOS-Gate unterbrochen wird. Dieses durch MOS- Gate ein- und abschaltbare Halbleiterbauelement ist im Anspruch 7 beschrie¬ ben.
Eine bevorzugte laterale, durch MOS-Gate ein- und abschaltbare Ausfüh¬ rungsform des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements ist im An¬ spruch 8 beschrieben.
Ein bidirektionaler Halbleiterschalter ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß ein anodenseitig ansteuerbares, Halbleiterbauelement der oben beschrie¬ benen Art in einer Hybridschaltung zusammen mit einem an sich bekannten kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelement angeordnet ist. Bei einem solchen Halbleiterschalter sind der Anodenanschluß des anodenseitig an¬ steuerbaren Halbleiterbauelements und der Kathodenanschluß des kathoden¬ seitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements zu einer gemei nsamen ersten Hauptelektrode und die Kathode des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiter¬ bauelements sowie die Anode des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiter¬ bauelements zu einer zweiten Hauptelektrode verbunden. Die Gate-Elektroden der beiden Hal bleiterbauelemente sind bevorzugt zu einer gemeinsamen Gate- Elektrode verbunden.
Ein monolithisch integriertes, bidirektional schaltbares Halbleiterbauelement ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß Einheitszellen des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements der oben beschriebenen Art in einem Halbleiterkörper mit Einheitszellen eines kathodenseitig ansteuerbaren Halb¬ leiterbauelements angeordnet sind und daß d ie Einheitszel len des anodensei¬ tig steuerbaren Halbleiterbauelements in einem ersten Flächenbereich und die Einheitszellen des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements in einem zweiten Flächenbereich des Halbleiterkörpers angeordnet sind. Die Einheitszellen des bekannten kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbau¬ elements im zweiten Flächenbereich bilden vorzugsweise einen Insulated- Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) mit einer anodenseitigen p-Zone, einer n-Ba¬ siszone und einer kathodenseitigen p-Zone, in die eine n+-Zone eingebettet ist, d ie zusammen mit der n-Basiszone, dem dazwischen liegenden Gebiet der kathodenseitigen p-Zone und einem isolierten Gate einen MOS-Feldeffekttran- sistor bildet, wobei die kathodenseitige Elektrode mit der Anodenelektrode und die anodenseitige Elektrode mit der Kathodenelektrode des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements un die Gate-Elektrode des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements sind bevorzugt zu einer gemeinsamen Gate-Elektrode verbunden.
Wenn die Thyristorstruktur ohne Vorwärtssperrvermögen ausgelegt ist, wer¬ den zur Vermeidung einer Shortung im Grenzbereich zwischen dem ersten und zweiten Flächenbereich die n-Emitterzone und die p-Basiszone des an¬ odenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements im ersten Flächenbereich von der anodenseitigen p-Zone des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiter¬ bauelements im zweiten Flächenbereich getrennt. Zweckmäßige Mittel zur Trennung sind in den Ansprüchen 14 und 15 beschrieben.
Als Alternative zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann in einem vom ersten Flächenbereich getrennten oder entfernten Bereich ein Zündgate vorgesehen sein, welches eine in die n-Basiszone wannenförmig eingebettete p-Zone mit einem Gate-Kontakt aufweist, der mit der Gate-Elek¬ trode des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements verbunden ist, welches weiterhin eine zweite, in die n-Basiszone eingebettete p-Zone enthält, die durch einen MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp mit der ersten p- Zone verbunden ist und eine n+-Zone mit einer Kontaktelektrode enthält, wobei diese Kontaktelektrode mit der floatenden Elektrode und die Gate- Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp mit der Kon¬ taktelektrode einer zusätzlich in die n-Basiszone eingebetteten p-Zone ver¬ bunden ist, die bei Rückwärtssperrbetrieb des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements in der Raumladungszone um den pn-übergang liegt.
Ein weiteres bidi rektional schaltbares Hal bleiterbauelement besteht erfin¬ dungsgemäß darin, daß es aus einer einzigen Gruppe von in sich bidirek¬ tional schaltbaren Einheitszellen der oben beschriebenen Art gebildet wird, die aus den oben beschriebenen ICMT-Einheitszellen hervorgehen, indem die n-Emitterzone und die p-Basiszone in Teilbereichen durch eine an die Kathodenmetallisierung angrenzende p-Zone ersetzt wird, d ie auf die oben beschriebene Art von der n-Emitterzone und der p-Basiszone getrennt ist, wobei die Anodenmetallisierung und die Kathodenmetallisierung mit einer er¬ sten und zweiten Hauptelektrode verbunden sind und indem die Gate-Elek¬ trode von der zweiten Hauptelektrode getrennt und mit einem vom Gate¬ anschluß des ersten MOSFET getrennten Gateanschluß verbunden ist, so daß bei leitender Verbindung des Gates des zweiten MOS-Feldeffekttransistors mit der ersten Hauptelektrode die Funktion des durch das Gate des ersten MOS-Feldeffekttransistors schaltbaren anodenseitig steuerbaren Halbleiter¬ bauelements und bei positiver Ansteuerung des Gates des ersten MOS-Feld¬ effekttransistors die Funktion des durch das Gate des zweiten MOS-Feldef¬ fekttransistors kathodenseitig schaltbaren Insulated-Gate-Bipolar-Transistors erhalten wird.
Bei d ieser Ausführungsform ist jede Einheitszelle an sich als bidirektionaler Schalter ausgebildet, der den Strom in beiden Flußrichtungen ein- und ab¬ schalten kann. Ein bedeutender Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß sie weniger Halbleiteroberfläche benötigt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Einheitszelle eines erfindungsgemäßen anodenseitig an¬ steuerbaren integrierfähigen MOS-Bauelements (ICMT-Element) im Schnitt;
Fig. 2 einen Bereich eines anodenseitig ansteuerbaren, integrierfähigen
MOS-Bauelements, der eine Gateelektrode zum Zünden aufweist, im Schnitt;
Fig. 3 den Randbereich eines anodenseitig ansteuerbaren integrier¬ fähigen MOS-Bauelements zum Zünden durch MOS-Gate;
Fig. 4 ein anodenseitig ansteuerbares, laterales integrierfähiges Bau¬ element;
Fig. 5 ein bidirektionales Bauelement, das eine Einheitszelle gem. Fig. 1 und eine IGBT-Einheitszelle aufweist;
Fig. 6a - d das bidirektionale Bauelement gem. Fig. 4 in verschiedenen Be- triebszuständen und zwar: Fig. 6a im Vorwärtssperrzustand (Arbeitspunkt auf der Sperrkennlinie im ersten Quadranten);
Fig. 6b im Vorwärtsdurchlaßzustand (Arbeitspunkt auf der Durchla߬ kennlinie im ersten Quadranten);
Fig. 6c im Rückwärtssperrzustand (Arbeitspunkt auf der Sperrkenn l inie im dritten Quadranten);
Fig. 6d Rückwärtsdurchlaßzustand (Arbeitspun kt auf der Durchlaßkenn¬ linie im dritten Quadranten );
Fig. 7 ein im Teilbereich eines bidirektionalen Bauelements mit nicht- geshortetem pn-übergang an einer Hauptelektrode im Schnitt;
Fig. 8 ein besonders ausgestalteter Zündbereich eines anodenseitig an¬ steuerbaren MOS-Bauelements, mit dem ein Einschalten bei Rückwärtsbelastung unterbunden wird im Schnitt und
Fig. 9 eine Einheitszelle mit bidirektionaler Schaltfähig keit im Schn itt.
In Fig. 1 ist eine Einheitszelle eines erfindungsgemäßen anodenseitig an¬ steuerbaren Halbleiterbauelements im Schnitt dargestellt. Die Einheitszelle enthält eine schwach dotierte n-Basiszone 3, an die sich nach unten und oben höher dotierte p-Zonen 2 bzw. 4 anschließen.
Auf die untere p-Zone 2 folgt nach unten eine hoch dotierte n+-Zone 1. Diese stellt den Kathodenemitter einer Thyristorstruktur dar, welche aus der Schichtenfolge 1 , 2, 3, 4 gebildet wird. Die obere p-Zone 4 ist wannenförmig ausgebildet, derart daß seitlich die n-Basiszone 3 an die Oberfläche tritt. In die p-Wanne sind pro halber Einheitszelle zwei n+-Zonen 5a, 5b eingebettet und das dazwischen liegende p-Gebiet ist mit einer isolierten Gateelektrode 6 versehen, so daß ein lateraler n-Kanal-MOSFET M1 gebildet wird. Die Isolatorschicht unter der Gateelektrode besteht in der Regel aus Silizium¬ dioxid, die Gateelektrode 6 aus dotiertem Polysilizium. Die n+-Zone 1 ist mit einer Kathodenmetallisierung 7 bedeckt, d ie mit einem Kathodenanschluß K verbunden ist. Die neben dem MOSFET-Bereich an die Oberfläche tretende Anodenemitterzone 4 des Thyristors ist mit einer floatenden Verbindungs¬ elektrode FE versehen, die gleichzeitig die benachbarte n+-Zone 5a des MOSFETs M1 kontaktiert und somit den verti kalen Thyristor 1 , 2, 3, 4 mit dem lateralen MOSFET M1 aus den Zonen 5a, 4, 5b verbindet. Das der Verbindungselektrode FE abgewandte n+-Gebiet 5b des MOSFETs M1 ist mit einem mit dem äußeren Anodenanschluß A verbundenen Anodenkontakt 8 versehen, der keinen Kontakt mit der Anodenemitterzone 4 des Thyristors hat. Die Gateelektrode 6 des MOSFETs M1 ist mit dem Gateanschluß G ver¬ bunden.
Die Einheitszelle des inversen Bauelements nach Fig. 1 enthält noch einen zweiten MOSFET M2, der durch die mit dem Anoden kontakt versehene, am Rande der p-Wanne liegende n+-Zone 5b, die an die Oberfläche gezogene n- Basiszone 3 und das dazwischen l iegende Gebiet der p-Zone 4 gebildet wird, dessen isolierte Gateelektrode 9 mit dem äußeren Anodenkontakt 8 der n+- Zone 5b verbunden ist oder von i hr mitgebildet wird.
Die Stru ktur nach Fig. 1 ist i. a. als halbe Einheitszelle zu verstehen, aus der durch spiegel bildliche Ergänzung eine vol le Einheitszel le hervorgeht. Eine solche, mit ICMT bezeichnete Zelle enthält dann noch ein zweites Paar n+-Zonen an der gegenüber liegenden Seite der p-Wanne, so daß die MOS¬ FETs M1 und M2 sich auch dort erstrecken.
Das Bauelement nach Fig. 1 basiert auf einer Weitereintwicklung des in der Patentanmeldung P 44 02 877 beschriebenen Bauelements, auf die hiermit Be¬ zug genommen wird, um ein mit üblichen Schaltelementen integrierbares in- verses Bauelement zu schaffen. Anstatt in die n-Emitterzone des Thyristors in der erwähnten Patentanmeldung ist der in Serie mit dem Thyristor lie¬ gende MOSFET M1 im vorliegenden Fal l in d ie Anodenemitterzone integriert und als n-Kanal-MOSFET ausgelegt. Ausgestaltungen für das Einschalten und zur Erreichung eines stabilen Rückwärtssperrverhaltens werden weiter un¬ ten beschrieben. Wie schon erwähnt, kann man die Einheitszelle als eine kaskodenartige Integration eines Thyristors mit einem MOSFET (M1 ) ansehen. Das Bauelement hat in dieser Form, außer der gewünschten anodenseitigen Ansteuerbarkeit und Integrierfähigkeit, den Vorteil, daß der in Serie mit dem Thyristor liegende MOSFET M1 vom n-Kanal-Typ ist, der eine um den Faktor 3 bis 4 höhere Ladungsträgerbeweglichkeit hat als ein p-Kanal-MOS- FET. Der kathodenseitige npn-Transistor, auf den man nun keinen Zugriff durch das Gate hat, besitzt allerdings einen höheren Stromverstärkungs¬ faktor und einen höheren Avalanche-Multiplikationsfaktor als ein pnp-Tran- sistor. Für eine gegebene zu schaltende Spannung muß daher die n-Basis¬ zone 3 dicker gewählt werden als im anderen Fall.
Zur Erläuterung der Funktionsweise" wird zunächst der Fall betrachtet, daß der Kathodenanschluß K gegenüber dem Anodenanschluß A auf positivem Potential liegt. Bei eingeschaltetem MOSFET M1 hat das Bauelement dann das Sperrvermögen des rückwärts gepolten Thyristors 1 , 2, 3, 4. Die Spannung wird fast ganz von dem anodenseitigen pn-übergang J i zwischen der n-Ba¬ siszone 3 und der p-Zone 4 aufgenommen, da der ebenfalls in Sperrichtung gepolte pn-übergang J3 zwischen der n+-Zone 1 und der p-Zone 2 wegen der relativ hohen Dotierung der p-Zone 2 meistens nur etwa 10 V sperrt. Sperrstrom und Durchbruchspannung des Bauelements werden daher im we¬ sentlichen durch den pnp-Transistor 2, 3, 4 bestimmt, der mit dem avalan- chenden pn-übergang J3 in Serie liegt. Wird der MOSFET M1 abgeschaltet, so wird neben dem Übergang J2 zwischen der n-Basiszone 3 und der p-Zone 2 auch der pn-übergang J 5 zwischen der p-Zone 4 und die n+-Zone 5b in Durchlaßrichtung gepolt. Die Struktur sperrt zwar unverändert mit dem pn- ü bergang J 1, jedoch sind Durchbruchspannung und Sperrstrom nun i. w. durch das Vorwärtssperrvermögen der Thyristorstruktur 2, 3, 4, 5b gege¬ ben.
Bei der Ausgestaltung eines anodenseitig ansteuerbaren Bauelements nach Fig. 4 wi rd das Rückwärtssperrvermögen des ICMT durch Einschaltung eines Nebenweges von der n-Basiszone 3' zum Kathoden kontakt T verbessert. Gleiche Elemente in Fig. 1 und 4 sind mit den gleichen Bezugsziffern verse¬ hen. Die Ausgestaltung gem. Fig. 4 wird unten noch eingehender besch rie¬ ben.
Der MOSFET M2 bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist bei V K > V A un¬ abhängig davon, ob der MOSFET M1 eingeschaltet ist oder nicht, abgeschal¬ tet, da das Gate 9 auf dem Potential der Elektrode 8 bzw. des Anoden kon- takts 8 liegt, der in diesem Fall das Source des MOSFETs M2 bildet. Somit sperrt das ICMT-Bauelement bei positivem Potential am Kathodenanschluß K gegenüber dem Anodenanschluß A unabhängig davon, wie das Gate G ange¬ steuert ist. Vorausgesetzt wird dabei, daß die Thyristorstruktur 2, 3, 4, 5b ein Vorwärtssperrvermögen besitzt. Dies muß ohne Shortung des pn-über- gangs J5 erreicht werden, da dieser Übergang zum Einschaltung des MOS¬ FETs M2 sperren muß.
Durch eine hohe integrale Dotierungskonzentration N .** der p-Zone 4 unter¬ hal b der n+-Zone 5b und eine geringe Dicke der Zone 5b kann man ein stabiles Vorwärtssperrverhalten des Thyristors 2, 3, 4, 5b, d. h. ein stabiles Rückwärtssperrverhalten des ICMT bei abgeschaltetem MOSFET M1 erreichen, da der Stromverstärkungsfaktor απH-pn des n+pn-Transistors 5b, 4, 3 dann klein ist. NlP wird dazu vorzugsweise größer als etwa 2 * 1014 cm2 ge¬ wählt.
Liegt der Kathodenanschluß K gegenüber dem Anodenanschluß A auf negati¬ vem Potential und ist der MOSFET M1 abgeschaltet, so ist der anodenseitige pn-übergang Js in Sperrichtung gepolt, und d ie p-Zone 4 erhält gegenüber der Gateelektrode 9 ein negatives Potential. Dieses Potential stel lt sich, ab¬ solut genommen, auf einen Wert etwas oberhal b der Schwellenspannung des MOSFETs M2 ein, so daß dieser einschaltet und einen Nebenweg von der n- Basiszone 3 zum Anodenkontakt 8 frei gibt. Bei abgeschaltetem MOSFET M1 ist d ie Sperrfähigkeit des ICMT daher nicht durch den MOSFETs M1 gegeben, der nur wenig sperrt, sondern durch den n*pn-Transistor 1 , 2, 3, der nie- derohmig mit der Anode 8 verbunden ist und über den pn-ü bergang J 2 ein hohes Sperrvermögen besitzt. Vorausgesetzt ist dabei, daß d ie Durchbruch¬ spannung des pn-Übergangs J s deutl ich größer ist als d ie Schwel¬ lenspannung von M2. Dies wi rd durch die Dotierung der p-Zone in der Nähe des pn-übergangs Js und an der Oberfläche unter dem Gateoxid ei ngestel lt. Zum Beispiel beträgt die Durchbruchspannung 12 V, d ie Schwel lenspannung aber 3 V.
Ist weiter das Kathodenpotential kleiner als das Anodenpotential, d. h. V K < V A , der MOSFET M1 aber eingeschaltet, so ist d ie Thyristorstru ktur unter der floatenden Elektrode FE in Vorwärtsrichtung belastet. Der MOSFET M2 ist dabei abgeschaltet, da die p-Zone 4 nahezu auf gleichem Potential liegt wie d ie Gateelektrode 9. Hat d ie nun ungeshortete Thyristorstru ktur keine Vorwärtssperrfähigkeit oder wird sie durch ein zusätzliches Zündgate, das weiter unten beschrieben wi rd, gleichzeitig mit dem MOSFET M1 einge¬ schaltet, so befindet sich das Bauelement im Durchlaßzustand. Eine hohe in¬ tegrale Dotierung N.p des p-Gebiets 4, die, wie erwähnt, zur Erreichung eines stabilen Rückwärtssperrvermögens dient, ist auch erwünscht, um eine geringe Durchlaßspannung zu erhalten. Hohes N .p hat nämlich einen kleinen Stromverstärkungsfaktor αnpn+ des parasitären Transistors 3, 4, 5b zur Folge, wodurch verhindert wi rd, daß zu viele Elektronen durch den vom Löcherstrom auf gesteuerten Transistor 3, 4, 5b ungenutzt zum Anoden kon- takt abfließen. Hohes αnpn+ würde den Effekt des im Durchlaßzustand abge¬ schalteten MOSFETs M2 weitgehend zunichte machen und zu einer hohen Durchlaßspannung führen. Wird der MOSFET M1 im Durchlaßzustand des Bauelements abgeschaltet, so hat das ähnlich wie im stationären Sperrzustand, ein Einschalten des MOS¬ FETs M2 zur Folge, da der pn-übergang Js auch hier durch die La¬ dungsträger, die nicht mehr durch M1 abfließen können, in Sperrichtung gepolt wird. Die überschüssigen Elektronen in der Struktur können dann über den n-Kanal zum Anodenkontakt A abfließen. Für den Abschaltvorgang ist dieser Nebenweg nicht weniger wichtig als für den Sperrzustand, da die in der Durchlaßphase um den pn-übergang J2 gespeicherten Ladungsträger abgeführt werden müssen, damit sich die Raumladungszone um J2 aufbauen kann. Ohne den Nebenschluß über den MOSFET M2 könnte sich eine Span¬ nung um den pn-übergang J2 nur durch Rekombination der Ladungsträger aufbauen. Diese erfolgt aber für die meisten Anwendungen zu langsam. Bei induktiver Last fließt der Strom nach Schließen des MOSFETs M1 bis zum Aufbau der äußeren Spannung voll über den MOSFET M2. Da d ie n-Basiszone 3 nun mit dem Anoden kontakt A verbunden ist und der MOSFET M1 keinen Strom mehr liefert, ist das Abschaltverhalten des Bauelements durch das des n+pn-Transistors 1 , 2, 3 bei offener Basis gegeben. Da der Stromver¬ stärkungsfaktor und Avalanche-Multiplikationsfaktor eines solchen Tran¬ sistors erheblich größer sind als bei einem pnp-Transistor, ist die Dicke und auch der spezifische Widerstand der n-Basiszone 3 bei gegebener Spannung, d ie geschaltet werden soll, größer eingestellt als bei einem übl i¬ chen, von der Kathodenseite her gesteuerten Bauelement, z. B. dem IGBT oder GTO-Thyristor.
Um den Thyristor bei anliegender negativer Spannung an der Kathode K gegenüber der Anode A und bei eingeschaltetem MOSFET M1 in den leiten¬ den Zustand zu versetzen, gibt es, wie erwähnt, zunächst die Möglichkeit, den Thyristor so zu dimensionieren, daß er ohne den Nebenweg von der n- Basiszone 3 über M2 zum Anodenanschluß A in Vorwärtsrichtung nicht sperrt. Dazu wird die Summe der Stromverstärkungsfaktoren αnpn + αPnp schon im Sperrstrombereich größer als 1 eingestellt. Praktisch kann man das erreichen, indem man den Wirkungsgrad der Emitter durch relativ hohe integrale Dotierung der Emitterzonen und die Transportfaktoren der Teiltransistoren durch möglichst geringe integrale Dotierung der p-Basiszone 2 und große Trägerlebensdauer groß einstellt. Die ICMT-Einheitszelle schal¬ tet dann in den Durchlaßzustand, sobald die Spannung zwischen Gate G und Anode A oder zwischen Gate G und FE die Schwellenspannung übersteigt. Um so vorgehen zu können, darf der Emitterbasisübergang J3 nicht geshortet sein, da das Bauelement bei kurz geschlossenem Übergang auch ohne den Nebenschluß durch den eingeschalteten MOSFET M2 in Vorwärtsrichtung sperrt. In dem erfindunggsgemäßen bidirektionalen Schalt¬ element sind hierfür entsprechende Maßnahmen vorgesehen, da die n-Emit¬ terzone 1 in Teilbereichen der Struktur fehlt und der Übergang J3 an sich geshortet ist. Allgemein hat ein Thyristor, der in Vorwärtsrichtung in dem relativ weiten zuzulassenden Temperaturbereich nicht sperrt, infolge der erforderl ichen großen Trägerlebensdauer lange Schaltzeiten. Auch ist das Sperrvermögen bei eingeschaltetem MOSFET M2 wegen des großen Stromverstärkungsfaktors αnpn reduziert. Daher ist es oft besser, einen Thyristor zu verwenden, der auch bei abgeschaltetem Nebenschluß der n- Basis durch den MOSFET M2 ein Vorwärtssperrvermögen besitzt. Dann w i rd erfi ndungsgemäß durch ein Zündgate dafü r gesorgt, daß der Thyristor bei An legen einer positiven Spannung an das Gate G in den Durchlaßzustand schaltet.
Eine solche Anordnung zum Zünden zeigt Fig. 2, wobei gleiche Elemente i n Fig. 1 und 2 mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. In einem Bereich Z des Halbleiterbauelements, der von der floatenden Elektrode FE entweder durch größere Entfernung oder durch Unterbrechung der p-Emitterzone 4 getrennt ist, ist eine p-Emitterzone 4' mit einem Gatekontakt 12 versehen, der über einen Widerstand R mit dem Gateanschluß G verbunden ist. Eine in d ie p-Emitterzone 4' eingebettete n+-Zone 10 besitzt einen Kontakt 1 1 , der mit der floatenden Elektrode FE in Verbindung steht, jedoch in dem Zünd¬ bereich nicht den pn-übergang Je zwischen p-Zone 4' und n+-Zone 10 kurzschließt. Bei positiver Spannung am Gate gegenüber FE wird nun nicht nur FE über den n-Kanal in den Einheitszellen mit dem Anoden kontakt 8 und dem Anodenanschluß A verbunden, sondern es fließt nun Gatestrom i n d ie p-Emitterzone 4' des Zündbereichs, und die n+-Zone 10 inj iziert Elektro¬ nen, die zum pn-übergang J .' zwischen p-Emitterzone 4' und n-Basiszone 3 am Übergang J 1' diffundieren. Dadurch wird der pn-übergang J 1' verstärkt in Durchlaßrichtung gepolt, so daß die Ladungsträgerkonzentration in der n-Basiszone 3 am Übergang J 1' zwischen der p-Emitterzone 4' und der n- Basiszone 3 angehoben wird. Infolge des Konzentrationsgefälles diffundieren Löcher zur Raumladungdszone RLZ um den pn-übergang J2 zwischen n-Ba¬ siszone 3 und p-Basiszone 2 und werden dort durch das Feld in die p-Ba¬ siszone 2 abgezogen. Damit wirken sie als Basisstrom für den n+pn-Transi- stor 1 , 2, 3 und steuern ihn auf. Der Kollektorstrom dieses Transistors fließt in die n-Basiszone 3 und steuert den pnp-Teiltransistor 4', 3, 2 der Thyristorstruktur auf. Dadurch fließen vermehrt Löcher in die p-Basiszone 2, und der Strom erhöht sich, bis der Thyristor zündet. Dieses Zündgate ist mit der beim Triac verwendeten "Remote-Gate"-Anordnung verwandt. Der eingeschaltete Zustand breitet sich dann in bekannter Weise über die Fläche mit den ICMT-Einheitszellen aus.
Wird der MOSFET M1 abgeschaltet, so wird auch der Strom im Zünd bereich abgeschaltet. Um ein effizientes Abschalten zu ermöglichen, ist zusätzlich, wie bei den Einheitszellen nach Fig. 1 , ein MOSFET (M2') vorgesehen, der die n-Basiszone 3 mit dem n+-Gebiet 10 verbindet.
Die n-Basiszone 3 ist daher beim Abschalten über den eingeschalteten MOS¬ FET M2, d ie floatende Elektrode FE und den MOSFET M2 der Einheitszellen mit dem Anodenanschluß A verbunden. Bei Rückwärtssperrbelastung des ICMT ist der Thyristor 10, 4', 3, 2 des Zündbereichs in Vorwärtsrichtung gepolt. Er sperrt i. a. nur, wenn nicht durch positive Spannung am Gate G Steuerstrom in die Basis 4' dieses Thyristors eingespeist wird.
Eine andere erfindungsgemäße Anordnung zum Zünden des Thyristors mit den Zonen 1 , 2, 3, 4 bei eingeschaltetem MOSFET M1 ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist die p-Basiszone 2 am Rand des Halbleiterkörpers über eine p-Rand- zone 20 an die obere Begrenzungsebene des Halbleiterkörpers geführt, w ie es von beidseitig sperrenden Thyristoren mit ähnlicher Weise bekannt ist. An der oberen Begrenzungsebene bildet die p-Basiszone einen Bereich 24, in den eine n+-Zone 5d eingebettet ist. Der p-Bereich 24 ist nicht wie sonst üblich von der oberen p-Emitterzone 4 im Inneren der Halbleiterschei be durch die an die Oberfläche tretende n-Basiszone 3 getrennt, sondern mit hr durch eine an der Oberfläche liegende p-Kanalzone 21 verbunden. Dicke und integrale Dotierung der p-Zone 21 sind so eingestellt, daß sie zusammen mit einem drüber befindlichen Isolator und einer zum Scheibeninneren hin gelegenen Gateelektrode 9' sowie einer vom Rand her kommenden zweiten Gateelektrode 22 je einen p-Kanal-MOSFET vom Verarmungstyp MZA bzw. MZK bildet. Die Gateelektrode 9' ist mit dem äußeren Anoden kontakt 8 verbunden. Die Gateelektrode 22 bildet zugleich die Kontaktschicht der n+-Zone 5d, d ie leitend mit dem Kathodenkontakt 7 auf der unteren Begrenzungsebene des Halbleiterkörpers verbunden ist. An der Oberfläche des p-Bereichs 24 zw i- sehen dem n+-Gebiet 5d und der p-Kanalzone 21 ist weiter ein MOSFET M2" vom Inversionstyp integriert.
Bei Vorwärtspolung des Bauelements V K < V A und eingeschaltetem MOSFET M1 führt vom Anodenkontakt 8 über die floatende Elektrode FE, die p- Emitterzone 4, die p-Kanalzone 21 und d ie Randzone 20 ein Strompfad zur p-Basiszone 2' des Thyristors 1 , 2, 3, 4. über den Strompfad wird Löcher¬ strom in die p-Basiszone 2 eingespeist und das Thyristor 1 , 2, 3, 4 gezün¬ det. Der eingeschaltete Zustand breitet sich dann vom Rand aus auf die im Inneren gelegenen Einheitszellen aus. Wird der MOSFET M1 bei V K < V A ab¬ geschaltet, so wird der pn-übergang Js i n Sperrichtung gepolt.
Dadurch schaltet sich der Inversions-MOSFET M2 ein und der Verarmungs- MOSFET MZA aus. Somit ist nun die n-Basiszone 2 mit dem Anoden kontakt 8 verbunden und d ie Verbindung der oberen p-Emitterzone 4 mit der unteren p-Basiszone 2 unterbrochen. Der zwischen Kathode K und Anode A l iegende n+pn-übergang J2 nimmt i. W. d ie Spannung auf. Die p-Kanalzone 21 wird dabei in dem Bereich außerhalb des MOSFETs MZA von Ladungsträgern ent¬ leert und führt zu einer Reduzierung des elektrischen Feldes an der Ober¬ fläche.
Bei Rückwärtspolung des Bauelements, d. h. das Kathodenpotential ist größer als das Anodenpotential (V K > VA) sind die pn-übergänge J i und J3 in Sperrichtung gepolt. Da nun der p-Bereich 24 und der benachbarte Teil der n-Basiszone 3 gegenüber der Gate-Elektrode positiv gepolt ist, entsteht an der Oberfläche des p-Bereichs 24 ein n-Kanal und der p-Kanal des MOSFETs MZK verschw indet. Somit ist nun die n-Basiszone 3 mit der Kathode K ver¬ bunden. Bei eingeschaltetem MOSFET M1 sperrt das Bauelement durch die pn-Diode 4, 3, bei abgeschaltetem MOSFET M1 durch den n+pn-Transistor 5b, 4, 3, wobei der nur einige Volt aufnehmende pn-übergang J3 in Serie l iegt. Die p-Zone 21 wi rd dabei außerhalb des MOSFETs MZK von Ladungsträgern entleert, wodurch die Ausdehnung der Raumladungszone um den pn-über¬ gang J 1 an der Oberfläche vergrößert und die Oberflächenfeldstärke red u¬ ziert wird. Gegenüber dem Zündgate nachh Fig. 2 hat die Anordnung nach Fig. 3 zunächst den Vorteil, daß das Einschalten des Bauelements ebenso wie das Abschalten durch MOS-Gate erfolgt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Rückwärtssperrvermögen durch die Einschaltung des Nebenweges von der n-Basiszone 3 zur Kathode K ver¬ bessert wird.
Damit der MOSFET M1 beim Aufbau der Spannung um den pn-übergang Js abgeschaltet bleibt und der MOSFET M2 einschaltet, reicht es nicht aus, das Gate G auf das Potential der Anode A zu legen, da dann beide MOSFETs ein¬ schalten würden, wenn die Spannung am pn-übergang Js die Schwellen¬ spannung der MOSFETs überschreitet. Vielmehr ist dafür erforderlich, dem Gate G eine negative Spannung gegenüber A zu geben, z. B. eine Spannung von -5 V. Dann bleibt der MOSFET M1 abgeschaltet, während M2 einschaltet und der pn-übergang J2 zu sperren beginnt.
Wenn man die Spannung am Gate gegenüber der Anode gleich null macht, muß das Bauelement nicht notwendig abschalten. Da der MOSFET M1 dann nicht voll abgeschaltet bleibt, hätte man es auch nicht mehr mit einer rei¬ nen Kaskodenabschaltung zu tun.
Hat das Gate G eine fest vorgegebene Spannung gegenüber der Anode A, beispielsweise VG,A = 10 V, so hat das Bauelement keine Durchlaßkennlinie mit Strombegrenzung, da das mit der Anode A verbundene n+-Gebiet 5b im stromführenden ICMT das Draingebiet des MOSFETs M1 ist. Ein MOSFET zeigt aber bei fester Gate-Drain-Spannung keine Strombegrenzung. Gibt man dem Gate G aber eine feste Spannung gegenüber der floatenden Elektrode FE, so erhält man eine Strombegrenzung. Wegen des dann voll eingeschalteten MOSFETs M2 wird die Strombegrenzung bis zu hohen Spannungen durch den n+pn-Transistor 1 , 2, 3 mit dem sperrenden pn-übergang J2 gewährleistet.
Die erfindungsgemäßen Prinzipien, die näher an verti kalen Bauelementen be¬ schrieben wurden, lassen sich in einfacher Weise auch auf laterale Bauele¬ mente anwenden, bei denen beide Hauptelektroden zusammen mit der Steuer¬ elektrode auf der oberen Begrenzungsebene des Halbleiterkörpers angeord¬ net sind. Eine laterale Ausbildungsform des anodenseitig ein- und abschalt¬ baren Bauelements nach Fig. 1 zeigt Fig. 4. Neben dem Anoden- und Gatean¬ schluß A' bzw. G' befindet sich auch der Kathodenanschluß K' und die Kathodenmetallisierung 7' sowie die Kathodenemitterzone 1 ' und die sie um¬ gebende p-Basiszone 2' der Thyristorstruktur 1 ', 2', 3', 4" an der Oberseite des Halbleiterkörpers. Die n-Basiszone 3' ist nach unter durch einen Isolator oder auch einen pn-übergang von dem darunter l iegenden Substrat ge¬ trennt. Die Anodenmetallisierung 8' und die Kathodenmetallisierung 7' haben keinen Kontakt mit den p-Zonen 4" bzw. 2', in d ie d ie kontaktierten n+-Zo- nen 5b" und 5a' eingebettet sind. Da auch die p-Basiszone 2' sich an der oberen Hauptebene befindet, sind die p-Basiszone 2' und die p-Emitterzone 4' des Thyristors 1 ', 2', 3', 4" unmittelbar durch die p-Kanalzone 21 ' mitein¬ ander verbunden, die mit dem das Oxid überlappenden Metallisierungen 7', 8' der Anode und Kathode MOSFETs MZK', MZA' vom Verarmungstyp bi ldet. Wie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben, sperrt das Bauelement in Rückwärtsrichtung unabhängig von der anliegenden Gatespannung, wobei die kathodenseitige MOS-Struktur wirksam wi rd und J i sperrt.
Bei Vorwärtspolung ( V K < V A) und abgeschaltetem MOSFET M1 ' sperrt das Bauelement in völ l ig analoger Weise. Wird der MOSFET M1 ' eingeschaltet und die Anode A dadurch mit der p-Emitterzone 4" verbunden, so wird der Thy¬ ristor 1 ', 2', 3', 4" durch den über die p-Kanalzone 21 ' in die p-Basiszone 2 fließenden Löcherstrom gezündet.
Die Zusammensetzung eines bidirektionalen Schalters aus der oben be¬ schriebenen ICMT-Einheitszelle 4 und einer IGBT-Einheitszel le zeigt Fig. 5. Die IGBT-Einheitszel le hat die übliche, im folgenden beschriebene Struktur. Auf die unten liegende p+- Zone 2a folgt eine schwach dotierte n-Basiszone 3a, d ie an der Oberseite eine p-Wanne 4a enthält, in welche eine n+-Zone 5c eingebettet ist. Die p+-Zone 2a ist mit einer metallischen Kontaktschicht 7a versehen und die n+-Zone 5c sowie die p-Wanne 4a mit einer gemeinsamen Metallschicht 10a. über dem Gebiet der p-Wanne 4a zwischen der n+-Zone 5c und dem Oberflächenbereich der n-Basiszone 3a befindet sich eine Gate¬ elektrode 11a'. Die n+-Zone 5c, der Oberflächenbereich der p-Wanne 4a und der n-Basiszone 3a bilden zusammen mit der isolierten Gateelektrode 1 1 a' einen n-Kanal-MOSFET. Die ICMT-Einheitszelle entspricht der in Fig. 1 dar¬ gestellten Anordnung. Die Zündung des Thyristors kann durch eine nicht in Fig. 5 dargestellte Anordnung nach Fig. 3 erfolgen. Wie man sieht, können beide Teile des bidirektionalen Schalters, der ICMT und der IGBT, mit Hilfe der gleichen Prozeßschritte, ausgehend von einer Halbleiterscheibe mit n- Dotierung, hergestellt werden. Nur die laterale Maskierung, vor allem für d ie n+-Zonen, muß verschieden sein. Die unteren Kontaktelektroden 7, 7a sind beiden Einheitszellen gemeinsam und mit einem Hauptelektrodenanschluß E2 verbunden. Auf der oberen Begrenzungsebene ist die Anodenelektrode 8 des ICMT und die Kathoden- oder Sourceelektrode 10a des IGBT mit einem obe¬ ren Hauptanschluß E1 verbunden. Die ICMT-Einheitszellen und die IGBT-Ein- heitszellen können auch in verschiedenen Halbleiterbauelementen angeordnet sein, die in einer Hybridschaltung miteinander verbunden sind.
Die Gateelektrode 6 des ICMT und die Gateelektrode 11 a' des IGBT sind in Fig. 5 mit einem beiden gemeinsamen äußeren Gateanschluß Ggem verbunden. Der ICMT und der IGBT können aber auch getrennte Gateansc lüsse G1 und G2 haben und somit getrennt ansteuerbar sein, was gewisse Vorteile bringt, wie weiter unten beschrieben. Im Unterschied zu den bekannten bidirek¬ tionalen Schaltern werden die beiden Gates hier von derselben Bezugselek¬ trode E1 oder FE aus angesteuert, weshalb der Steueraufwand sich gegen¬ über dem Fall eines Gates nicht so stark erhöht. In monolithisch integrierter Form sind d ie beiden Arten von Einheitszellen bei dem bidirektionalen Halb¬ leiterbauelement nach Fig. 5 in je einem eigenen Flächenbereich des Halb¬ leiterkörpers angeordnet. Durch die relativ große Entfernung wird verhin¬ dert, daß die pn-übergänge J3 und J 1 des ICMT-Teils kurzgeschlossen wer¬ den oder daß d ie aus der p-Zone 4a des IGBT und der npn-Zonenfolge 1 , 2, 3 des ICMT gebildete Thyristorstruktur, die nicht durch das Gate abschalt¬ bar ist, einschaltet.
Die Funktionsweise des bidirektionalen Bauelements wird nun anhand von Fig. 6a bis 6d beschrieben. Im ersten Quadranten der Strom-Spannungs¬ ebene U E2 liegt an dem unteren Hauptanschluß E2 eine positive Spannung U E2 gegenüber dem oberen Hauptanschluß E1 , der stets das Potential null habe, d. h. U GEI = 0. Die ICMT-Zelle sperrt bei d ieser Polung, unabhängig von der anliegenden Gatespannung, durch den pn-übergang J 1 zwischen p- Wanne 4 (Anodenemitter) und n-Basis 3, wie oben erläutert. Ist die Span¬ nung VGE des Gates gegenüber E1 gleich null, so befindet sich auch der IGBT im Sperrzustand, wobei die Spannung wieder von dem pn-übergang J 1' zwischen p-Zone 4a und n-Basis 3a aufgenommen wird. Dies ist in Fig. 6a durch den schraffierten Bereich im Anschluß J 1, J 1' angedeutet. Das kombi¬ nierte Bauelement befindet sich somit im Vorwärtssperrzustand, der durch einen Arbeitspun kt auf der Sperrkennlinie im ersten Quad ranten beschrie¬ ben wird.
Gemäß Fig. 6b ist die Spannung ar* der Elektrode E2 unverändert positiv, z. B. + 500 V, jedoch liegt nun am Gate GGEM eine positive Spannung von z. B. 10 V, d ie größer als d ie Schwellenspannung der MOSFETs ist. Der IGBT schaltet damit in bekannter Weise in den Durchlaßzustand. Bei der ICMT- Zelle ist zwar der floatende Anodenanschluß des Thyristors durch den n- Kanal des MOSFETs M1 mit der Hauptelektrode E1 verbunden. Der Thyristor ist aber weiterhin im Rückwärtssperrzustand, wobei die Spannung allerdings auf die Durchlaßspannung des IGBT zusammengefallen ist. Das kombinierte bidirektionale Bauelement ist im Vorwärtsdurchlaßzustand, der durch den IGBT bestimmt wird.
Liegt d ie Elektrode E2 auf negativem Potential gegenüber E1 , so befindet man sich im dritten Quadranten. Der IGBT sperrt bei dieser Polung durch den unteren pn-übergang J2 unabhängig davon, welche Gatespannung an¬ l iegt. Bei abgeschaltetem MOSFET M1 sperrt auch der ICMT, und zwar eben¬ falls durch den pn-übergang J2 zwischen n-Basis 3 und unterer p-Zone 2, w ie oben beschrieben. Dieser Fall ist in Fig. 6c dargestellt. Der interne MOSFET M2 ist in diesem Zustand eingeschaltet, so daß d ie n-Basiszone 3 über den Nebenschluß X zum anodenseitigen pn-übergang J 1 mit dem obe¬ ren Hauptanschluß E1 verbunden ist. Wie oben erwähnt, ist die Durch¬ bruchspannung des pn-übergangs Js dazu deutlich größer einzustel len als die Schwellenspannung des MOSFETs M2.
Da der Abschaltvorgang durch den unteren n+pn-Transistor 1 , 2, 3 bestimmt wird, wird die Dicke und der spezifische Widerstand der n-Zone 3a, um einen gegebenen sicheren Arbeitsbereich beim Abschalten zu erreichen, größer eingestel lt, als es für den IGBT allein erforderlich wäre.
Wi rd bei unverändert negativem Potential an E2 d ie Spannung am Gate G auf einen Wert oberhalb der Schwellenspannung der MOSFETs angehoben, so blei bt der IGBT wie schon erwähnt im Sperrzustand. In der ICMT-Einheits¬ zelle wird die p-Emitterzone 4 des Thyristors über die floatende Elektrode und den n-Kanal des MOSFETs M1 mit der äußeren Elektrode E1 verbunden. Dadurch steigt das Potential der p-Zone 4 von dem vorheringen negativen Wert annähernd auf den Wert null der Elektrode E1 an, so daß der n-Kanal im MOSFET M2 verschwindet, dieser also abgeschaltet wird. Gleichzeitig muß der Thyristor 1 , 2, 3, 4 einschalten. Dafür ist zu beachten, daß die n+-Zone 1 in em Flächenbereich mit den IGBT-Zellen fehlt und der pn-übergang J3 somit normalerweise auf der unteren Oberfläche endet und durch die dem IGBT und dem ICMT gemeinsame Metallisierung 7 kurz geschlossen wird. Für die Zündung mit Hilfe der Anordnung nach Fig. 3 oder dadurch, daß der Thyristor 1 , 2, 3, 4 ohne Vorwärtssperrvermögen ausgelegt wird, darf der pn-übergang J3 aber nicht geshortet sein. Um die Shortung zu verhindern, ist bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen bidirektionalen Schaltelements der Bereich der unteren Begrenzungsebene, wo der pn-übergang J3 austritt, mit einer Oxidschicht 12' oder einem anderen Isolator bedeckt, wie in Fig. 7 gezeigt. Auch die p-Zone 2 des ICMT läuft kurz nach der n+-Emitterzone 1 aus und endet in dem mit Oxid bedeckten Bereich der Oberfläche, so daß sie keinen Kontakt mit der Metallisierung 7 der unteren Begrenzungsebene des Halbleiterkörpers hat.
Die p-Zone 2a des IGBT beginn in einem Abstand davon und ist durch die an d ie isolierte Oberfläche tretende n-Basiszone 3 von der p-Basiszone 2 des ICMT getrennt. Die Breite der n-Basiszone 3 an der Oberfläche ist so gering, daß d ie Sperrfähigkeit des pn-ü bergangs J 2 nicht beeinträchtigt wird. Nun kann der pn-übergang J3 in Sperrichtung gepolt werden, was für d ie Fun ktion der Randausgestaltung nach Fig. 3 erforderlich ist. Auch kann der Thyristor 1 , 2, 3, 4 nun so dimensioniert werden, daß er ohne Shortung durch den internen MOSFET M2 in Vorwärtsrichtung nicht sperrt. Die Trennung der p-Basiszone 2 und der anodenseitigen p-Zone 2a des ka¬ thodenseitig ansteuerbaren Bauelements kann auch durch einen Graben er¬ folgen, der zweckmäßigerweise mit Isolierstoff gefül lt ist.
Hiermit hat man ein bid i rektionales Bauelement geschaffen, das bei positiver Gatespannung leitet, bei verschwindender oder negativer Gatespannung aber sperrt. Durch Erhöhen der Gatespannung auf einen Wert oberhalb der Schwel lenspannung schaltet das Bauelement ein, durch Absenken der Gate¬ spannung auf null oder einen negativen Wert schaltet es ab, und zwar sowohl bei positiver Spannung der unteren Elektrode E2 gegenüber E1 (1 . Quad rant) als auch bei negativer Polung von E2 gegenüber E1 (3. Qua¬ d rant).
Neben der Möglich keit, die Shortung des Übergangs J3 zu verhindern und den Thyristor 1 , 2, 3, 4 in Vorwärtsrichtung nicht-sperrfähig auszulegen, besteht als Alternative die Möglichkeit, ein Zündgate nach Fig. 2 zu benut¬ zen. Dieses hat allerdings die Eigenschaft, daß es bei der Polung V(E2) > V(E1 ) und positiver Gatespan riung die obere Thyristorstruktur 2, 3, 4, 10 des Zündbereichs einschalten kann, da es dann Steuerstrom in dessen p-Basis 4 einspeist. Auf den Thyristor 5b, 4, 3, 2 der Einheitszellen kann sich der gezündete Zustand zwar nicht ausbreiten, da der Emitterübergang Js d ieses Thyristors bei positiver Gatespannung durch den Inversionskanal und die floatende Elektrode FE geshortet ist. Jedoch ist der eingeschaltete Zündbereich nicht gleichzeitig mit dem IGBT durch den MOSFET M1 ab¬ schaltbar, da der in Durchlaß gepolte pn-übergang Js parallel liegt. Um das Einschalten des Zündbereichs zu verhindern, ist es bei Verwendung dieses Zündgates daher i. a. erforderlich, die Gateelektrode 6 des ICMT mit einem eigenen Gateanschluß G1 und die Gateelektrode 11 des IGBT mit einem davon getrennten Gateanschluß G2 zu versehen und beide mit verschiedenen Steuersignalen anzusteuern. Im ersten Quad ranten (V( E2) > V( E1 )) wi rd dann nur der IGBT mit einer positiven Gatespannung angesteuert, wäh rend d ie Spannung am ICMT-Gate G1 gegenüber FE gleich null oder negativ einge¬ stellt wird.
Die in Fig. 8 dargestellte Ausgestaltung des Zündbereichs eines bid i rektio¬ nalen Bauelements aus einem ICMT und einem IGBT gestattet es, den ICMT und den IGBT auch für den Fall, daß ein Zündgate erforderl ich ist, über einen einzigen Gateanschluß G' anzusteuern. Bei der Polung V(E2) < V( E1 ) der Hauptelektroden E1 , E2 bewirkt dieses Gate G' ein Einschalten des Thy¬ ristors 1 , 2, 3, 4 des ICMT, wenn eine positive Gatespannung angelegt wi rd. Bei V( E2) > V(E1 ) kann eine positive Gatespannung angelegt werden, ohne daß der ICMT-Teil des Bauelements einschaltet.
Das mit einem Gate-Kontakt 12 als versehene p-Gebiet hat eine eigene p- Wanne 4a', die mit dem wannenförmigen p-Gebiet 4b, das d ie n+-Zone 10" mit der an FE angeschlossenen Elektrode 1 1 " enthält, nur durch einen p-Kanal 4c verbunden ist. Zusammen mit einer über dem p-Kanal angeordneten iso¬ l ierten Elektrode 13 bilden die Gebiete 4a', 4c, 4b in Verbindung mit dem Substrat der n-Basiszone 3 einen p-Kanal-MOSFET MZ vom Verarmungstyp. Dem p-Gebiet 4a' vorgelagert ist ein weiteres, in die n-Basiszone 3 wannen¬ förmig eingebettetes p-Gebiet 14, das mit einem Kontakt 15 versehen ist. Dieser steht in leitendem Kontakt mit der Gateelektrode 13 des MOSFETs MZ. Bei der angenommenen positiven Spannung an der Elektrode E2 gegenüber E1 bi ldet sich im Sperrzustand des Bauelements eine Raumladungszone RLZ um den sperrenden pn-übergang J i", wie in der Figur eingezeichnet. Da¬ durch erhält das p-Gebiet 14 ein positives Potential gegenüber 4a'. Durch dieses Potential an der Gateelektrode 13 und die Spannung am Sub¬ strat 3 wird der p-Kanal zwischen den Gebieten 4a' und 4b zum Verschwin¬ den gebracht, so daß kein Gatestrom in das Gebiet 4b fließen und den Thy¬ ristor 10", 4b, 3, 2 zünden kann. Um ein stabiles Sperrverhalten dieses Thyristors zu erzielen, ist in Fig. 8 weiter eine Anordnung vorgesehen, die den pn-übergang Je zwischen der p-Zone 4b und der n+-Zone 10" bei der Polung V K > VA kurzschließt. Dies geschieht mit Hilfe einer in die p-Zone 4b wannenförmig eingebetteten n+-Zone 16, die einen Kontakt 17 hat, welcher zugleich die Zone 4b ohmsch kontaktiert. Die n+-Zone 16, d ie n+-Zone 10" und das dazwischen liegende p-Gebiet mit der darüber angeordneten iso¬ lierten Gateelektrode 18 bilden einen n-Kanal-MOSFET MS. Das Gate 18 d ieses MOSFETs ist mit der vorgelagerten p-Zone 14 verbunden und hat daher bei der Hauptelektrodenpolung V K > V A ein positives Potential gegenüber den Gebieten 4b und 16. Der MOSFET MS ist somit eingeschaltet und verbindet das n+-Gebiet 10 niederohmig mit der p-Zone 4b. Durch d iesen ei ngeschal¬ teten Kurzschluß des pn-übergangs Je wird das Sperrvermögen des Bau¬ elements bei V K > V A wesentlich verbessert.
Durch d ie in Fig. 8 gezeigte Zündgatestruktur wird der Thyristor aus 1 , 2, 3, 4 bei V(E2) < V(E1 ) eingeschaltet. Die Thyristorstruktur aus 2, 3, 4b, 10 jedoch wird im ersten Quadranten, wo sie in Vorwärtsrichtung gepolt ist, nicht gezündet. Durch die eingeschaltete Shortung des pn-ü bergangs Jε w i rd das Sperrverhalten im ersten Quadranten darüber hinaus noch stabili¬ siert.
Wird bei dem bidirektionalen Schalter eine Kennlinie mit Strombegrenzung gefordert, so kann man sie erreichen, indem man das Gate G in Fig. 8 nicht mit einer festen Spannung gegenüber dem Hauptanschluß E1 ansteuert son¬ dern gegenüber der floatenden Elektrode FE. Daß d ies im 3. Quadranten bei V(E2) < V(E1 ) der Fall ist, geht unmittelbar aus dem beim ICMT Gesagten hervor. Aber auch im ersten ist das bei dieser Ansteuerung der Fall, da die Elektrode FE im ersten Quadranten bei positiver Gatespannung V G,FE prak¬ tisch auf dem Potential von E1 liegt, weil der eingeschaltete MOSFET M1 nu r den Strom des in Rückwärtsrichtung sperrenden Thyristors führt. Setzt man V G,FE = 0, so wi rd das Bauelement, d. h. hier der IGBT, außerdem in den Sperrzustand versetzt. Die Elektrode FE nimmt dann gegenüber E1 ein Potential an, das durch die Spannuήg des durch den Sperrstrom schwach vorwärts gepolten pn-übergangs Js gegeben ist. Zum Beispiel hat FE und damit G bei VG.FE = 0 ein Potential von 0,3 V gegenüber E1 , während die Schwellenspannung in Bauelementen dieser Art typischerweise Werte um 3 oder 4 V besitzt, so daß der IGBT sperrt. Steuert man also das Gate mit ei¬ ner festen Spannung gegenüber der floatenden Elektrode an, so zeigt das bidirektionale Bauelement die gewünschten Eigenschaften, insbesondere hat es im ersten als auch im dritten Quadranten eine Kennlinie mit Strombegren¬ zung.
Bei einer Ausführung mit zwei verschiedenen Gates, die hier jedoch zum Unterschied von den bekannten bid i rektionalen Schaltern von der einen Hauptelektrode E1 aus angesteuert werden, kann man außer der Verwend¬ barkeit der einfacheren Zündstru ktur nach Fi g. 2 statt Fig. 8 noch ei nen weiteren wichtigen Vorteil erreichen. Dieser besteht darin, daß man die volle bid i rektionale Schaltfähigkeit in einer einzigen Einheitszel le vereinen kann. Dadurch ist es möglich, für die Stromführung i n beiden Richtungen ei n und dieselbe Fläche zu nutzen, so daß die erforderliche Halbleiterfläche gegen¬ über dem Fall mit nur einem Gateanschluß wesentl ich verringert ist. Eine solche in sich bid irektionale Einheitszelle zeigt Fig. 9. Sie unterscheidet sich von der ICMT-Einheitszelle nach Fig. 1 nur dadurch, daß das Gate des MOS¬ FETs M2 nicht fest mit der äußeren Elektrode A ( ET in Fig. 9) verbunden ist, sondern davon getrennt ist und über einen separaten Gateanschluß G2 von au ßen angesteuert werden kann.
Eine Shortung des pn-übergangs J3 wird gemäß der Ausgestaltung nach Fig. 6 mit Hilfe einer Oxidschicht 12" verhindert. Da die Thyristorstruktur 1 , 2, 3, 4 im 3. Quadranten gut leiten soll, dieser jedoch durch den als Kol¬ lektor wi rkender Übergang J3 beeinträchtigt wi rd, soll d ie laterale Ausdeh¬ nung der n+-Emitterzone 1 ebenso wie die der p-Zone 2a größer sein als der laterale Zellenabmesser (cell pitch). Die Flächenbereiche, in denen unten nur eine p-Zone 2a vorhanden ist und d ie Bereiche, die auch eine n+- Emitterzone 1 besitzen, können auch in "Streifenrichtung " sen krecht zur Zeichenebene miteinander abwechseln. Wenn das MOSFET M1 eingeschaltet ist, wirkt das Bauelement wie ein IGBT, das durch das Gate G2 geschaltet wird. Ist G2 mit E1 verbunden, so erhält man die Funktion eines durch G1 schaltbaren ICMT.
Im ersten Quadranten bei V E2 > V EI legt man das Gate E1 daher auf positi¬ ves Potential gegenüber E1 (oder FE), so daß der MOSFET M1 eingeschaltet ist. Der Thyristor 1 , 2, 3, 4 ist dann rückwärts gepolt, und der rechte Teil der Struktur, nämlich 2a, 3, 4, 5b zusammen mit dem MOS-Gate G2, verhält sich wie ein IGBT. Mit einer positiven Spannung am G2 gegenüber E1 schal¬ tet das Bauelement ein. Senkt man die Spannung auf null ab, so schaltet es ab. Im dritten Quadranten bei V E2 < V EI verbindet man G2 mit der Elek¬ trode ET, so daß das Bauelement wie der ICMT in Fig. 1 funktioniert. Durch Ansteuern des Gates G1 kann es ein- und abgeschaltet werden, wie dort be¬ schrieben.
Daß die n+- Basiszone 1 ebenso wie die p-Emitter-Zone 2a nur jeweils einen Teil der unteren Begrenzungsfläche bedeckt, stört die Funktion des ICMT bzw. IGBT nciht wesentlich, da die Dicke der Basiszone 3 erheblich größer ist als die laterale Ausdehnung der Lücke in den unteren n-Emitterzonen 1 und der Zone 2a für die ICMT- bzw. IGBT-Funktion.
Die MOS-Inversionskanäle an der oberen Hauptebene des Halbleiterkörpers sind trotzdem in der gesamten Kanalweite, d. h. Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene, wirksam. Man hat somit ein bidirektionales Bauelement mit re¬ lativ kleinen Flächen bei gleichzeitig großer Kanalweite geschaffen. Bei an¬ nähernd halbierter aktiver Bauelementfiäche ist somit weder der Kanalwider¬ stand noch der On-Widerstand im Innern des Halbleiters wesentlich erhöht.
Das anodenseitig gesteuerte laterale Bauelement nach Fig. 4 läßt sich mit üblichen lateralen Bauelementen, z. B. einen lateralen IGBT, dessen Einheits¬ zel len in einem anderen Flächenbereich angeordnet sind, analog zu Fig. 5 zu einem lateralen bidirektionalen Halbleiterbauelement vereinen. Die Gate-Elek¬ troden beider Einzelbauelemente haben in der Regel einen gemeinsamen Ga¬ teanschluß. Wie anhand von Fig. 6 beschrieben, ist das Bauelement unab¬ hängig von der Polarität der Hauptelektroden bei positiver Gatespannung eingeschaltet, bei negativer oder verschwindender Gatespannung abgeschal¬ tet.

Claims

Patentansprüche
1. Anodenseitig ansteuerbares Halbleiterbauelement, dessen Halbleiterkör¬ per eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, parallel geschalteter Einheitszel len mit Thyristorstruktur aufweist, und bei dem an eine schwach dotierte n-Basiszone (3) nach beiden Seiten höher dotierte p- Zonen als p-Basiszone (2) und p-Emitterzone (4) angrenzen und auf die p-Basiszone (2) eine hoch dotierte n-Emitterzone (1 ) folgt, die mit einer Kathodenelektrode (7) kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die p-Emitterzone (4) ein erster n-Kanal-MOS-Feldeffekttran- sistor (M1 ) integriert ist, der durch eine floatende Elektrode (FE) in Serie mit der Thyristorstru ktur geschaltet ist, daß die Drain-Elek¬ trode (5b) des ersten MOSFET (M1 ) mit einer äußeren Anodenelektrode (8) versehen ist, d ie keinen Kontakt mit der p-Emitterzone (4) hat, und daß zwischen der n-Basiszone (3) und der Drain-Zone (5b) des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1 ) ein zweiter n-Kanal-MOS-Feld- effekttransistor (M2) integriert ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung in Einheitszellen durch wannenförmige Ausbi l¬ dung der p-Emitterzone (4) vorgenommen ist, daß in die p-Emitterzone (4) der Einheitszellen an mindestens einer Seite parallel zu deren Rand eine erste und eine zweite n+-Zone (5a, 5b) im Abstand vonein¬ ander eingebettet sind, daß die beiden n+-Zonen (5a, 5b) mit dem zwi¬ schen ihnen liegenden p-Gebiet der p-Emitterzone (4) und einer dar¬ über angeordneten, isolierten ersten Gate-Elektrode (6) den ersten n- Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (M1 ) bilden, daß das zweite, dem Rand der wannenförmigen p-Emitterzone benachbarte n+-Gebiet (5b) und die an die Oberfläche tretende n-Basiszone (3) zusammen mit dem zwi¬ schen ihnen liegenden Gebiet der p-Emitterzone (4) und einer darüber angeordneten zweiten Gate- Elektrode (9) den zweiten n-Kanal-MOS- Feldeffekttransistor (M2) bilden, daß die erste n+-Zone (5a) und d ie p-Emitterzone (4) die gemeinsame floatende Elektrode (FE) haben, und daß d ie zweite n+-Zone (5b) mit der äußeren Anodenelektrode (8) ver¬ bunden ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gate-Elektrode (9) mit der äußeren Anodenelektrode (8) verbunden ist oder von ihr mitgebildet wird.
4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine vertikale Ausbildung der Thyristorstruktur, wobei die n-Emitter¬ zone (1 ), die p-Basiszone (2), die n-Basiszone (3), d ie p-Emitterzone (4) und die Anodenelektrode (8) übereinander angeordnet sind und wobei die mit der n-Emitterzone (1 ) verbundene Kathodenelektrode (7) auf der unteren Begrenzungsebene und die Anodenelektrode (8) sowie die erste Gate-Elektrode (6) auf der oberen Begrenzungsebene des Hal bleiterkörpers angeordnet sind.
5. Hal bleiterbauelement nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (5), von diesem durch eine Isolatorschicht oder einen pn-übergang getrennt, die n-Basiszone (3') angeordnet ist, in der wannenförmig, in lateralem, durch die Sperrfähigkeit gegebenen Abstand voneinander getrennt, die p-Basiszone (2') und die p-Emitter¬ zone (4" ) angeordnet sind, und daß in der p-Basiszone (2' ) die n- Emitterzone (T) und in der p-Emitterzone (4" ) die Source- und Drain¬ zonen (5a', 5b') des ersten MOS-Feldeffekttransistors (MT) angeordnet sind.
6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper in größerer Entfernung von der floatenden Elektrode (FE) oder von d ieser durch Unterbrechung der p-Emitter¬ zone getrennt ein Zündbereich angeordnet ist, bestehend aus einer p- Emitterzone (4') und einer darin eingebetteten n+-Zone (10) mit der an die p-Emitterzone (4') angrenzenden n-Basiszone (3), der daran an¬ schließenden p-Basiszone (2) und der darauf folgenden n-Emitterzone (1 ), wobei die p-Emitterzone (4') einen Zünd-Gate-Kontakt (12) besitzt, der über einen Widerstand ( l mit der Gate-Elektrode (G) verbunden ist und die eingebettete n+-Zόne (10) mit einer Kontaktelektrode (1 1 ) versehen ist, die mit der floatenden Elektrode (FE) verbunden ist, je¬ doch im Zündbereich nicht den pn-ü bergang (J6) zwischen p-Emitter¬ zone (4') und eingebetteter n+-Zone (10) kurzschließt.
7. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Basiszone (2) durch eine p-Randzone (20) des Hal bleiter¬ körpers an die obere Begrenzungsebene geführt ist und dort einen p- Bereich (24) bildet, in den eine n+-Zone (5d ) eingebettet ist, die mit der Kathodenelektrode (7) leitend verbunden ist, daß der p-Bereich (24) und die p-Emitterzone (4) an der Oberfläche d urch eine p-Kanal¬ zone (21 ) verbunden sind, die mit der die p-Kanalzone (21 ) am Rand der p-Emitterzone überlappenden Gate-Elektrode (9') des zweiten MOS- Feldeffekttransistors (M2) einen p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (MZA) bildet sowie mit einer zusätzl ichen, isolierten Gate-Elektrode (22), die in leitendem Kontakt mit der kathodenseitig kontaktierten n+-Zone (5d ) steht und die Kanalzone (21 ) am Rand des p-Bereichs (24) überlappt, einen weiteren MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (MZK) bildet, und daß aus der kathodenseitig kontaktierten n+-Zone (5d) und dem an die Oberfläche geführten p- Bereich (24) zusammen mit dem isolierten Gate (22) ein MOS-Feld¬ effekttransistors vom Inversionstyp (M2" ) gebildet wird.
8. Hal bleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß d ie p-Basiszone (2') und die p-Emitterzone (4" ) an der Oberfläche durch eine p-Kanalzone (2T) verbunden sind, die zusammen mit der d ie p-Kanalzone (2T) am Rand der p-Emitterzone (4" ) überlappenden, isol ierten Gate-Elektrode (9') einen MOS-Feldeffekttransistor vom Ver¬ armungstyp (MZA') und an der Kathodenseite zusammen mit einer mit der Kathodenelektrode (7') verbundenen Gate-Elektrode (22') einen weiteren MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (MZK') bildet, und daß aus der n-Emitterzone (T) und der an d ie Oberfläche ge¬ führten p-Basiszone (2') zusammen mit der mit der Kathodenelektrode verbundenen Gate-Elektrode (22') ein n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (M2" ) vom Inversionstyp gebildet wird.
9. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche in einem bidirektionalen Halbleiterbauele¬ ment, dadurch gekennzeichnet, daß ein anodenseitig annsteuerbares Halbleiterbauelement (ICMT) in einer Hybridschaltung zusammen mit einem kathodenseitig ansteuer¬ baren Halbleiterbauelement (IGBT) angeordnet ist, daß der Anodenan¬ schluß des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements und der Kathodenanschluß des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauele¬ ments zu einer gemeinsamen ersten Hauptelektrode (E1 ) verbunden sind und daß die Kathode des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiter¬ bauelements und die Anode des kathodenseiti g ansteuerbaren Halblei¬ terbauelements zu einer zweiten Hauptelektrode (E2) verbunden sind.
10. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 in einem bid i rektionalen Halbleiter¬ bauelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitszellen eines anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbau¬ elements (ICMT) in einem Halbleiterkörper mit Einheitszellen eines ka¬ thodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (IGBT) monolithisch integriert werden und daß die Einheitszellen des anodenseitig steuer¬ baren Halbleiterbauelements in einem ersten Flächenbereich und d ie Einheitszellen des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements in einem zweiten Flächenbereich des Halbleiterkörpers angeordnet sind.
1 1 . Verwendung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 10 in einem bidirektionalen Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitszellen des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbau¬ elements im zweiten Flächenbereich einen Insulated-Gate-Bipolar-Tran- sistor (IGBT) mit einer anodenseitigen p-Zone (2a), einer n-Basiszone (3a) und einer kathodenseitigen p-Zone (4a) bilden, in die eine n+- Zone (5c) eingebettet ist, die zusammen mit der n-Basiszone (3a), der p-Zone (4a) und einem isolierten Gate (G) einen MOS-Feldeffekttransi¬ stor bildet, wobei die kathodenseitige Elektrode (10a) mit der Anoden- elektrode (8) des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements verbunden ist.
12. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 1 1 in einem bidi rektionalen Hal bleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (1 1a') des kathodenseitig ansteuerbaren Halb¬ leiterbauelements (IGBT) und d ie Gate-Elektrode (6) des ersten MOS¬ FET (M1 ) des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (ICMT) zu einer gemeinsamen Gate-Elektrode (Ggem) verbunden sind.
13. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 10 oder 1 1 in einem bidirektionalen Hal bleiterbauelement, dad urch gekennzeichnet, daß im Grenzbereich zwischen dem ersten und zweiten Flächen bereich die n-Emitterzone ( 1 ) und die p-Basiszone (2) des anodenseitig an¬ steuerbaren Halbleiterbauelements (ICMT) im ersten Flächenbereich von der anodenseitigen p-Zone (2a) des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (IGBT) im zweiten Flächenbereich voneinander getrennt sind.
14. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 13 in einem bidirektionalen Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Basiszone (2) des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbau¬ elements (ICMT) und die anodenseitige p-Zone (2a) des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (IGBT) im Abstand voneinander enden und durch die dazwischen an die untere Grenzfläche des Hal b¬ leiterkörpers tretende n-Basiszone (3) getrennt sind und daß d ie an die Oberfläche geführte p-Basiszone (2) und n-Basiszone (3) durch eine Isolierschicht (12'), von der Metall isierung an der unteren Be¬ grenzungsebene des Halbleiter-Körpers isoliert sind.
15. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 13 in einem bidirektionalen Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Basiszone (2) des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements
(ICMT) und die anodenseitige p-Zone (2a) des kathodenseitig an- steuerbaren Bauelements (IGBT) durch einen in den Halbleiterkörper eingelassenen Graben, der isolierstoff gefüllt ist, voneinander getrennt sind.
16. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 in einem bidirektionalen Bauelement nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vom ersten Flächenbereich getrennten oder entfernten Bereich ein Zündgate vorgesehen ist, welches eine in die n-Basiszone (3) wannenförmig eingebettete p-Zone (4a') mit einer Gate-Elektrode (12) aufweist, die mit der Gate-Elektrode (6) des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements verbunden ist, welches weiterhin eine zweite, in die n-Basiszone (3) eingebettete p-Zone (4b) aufweist, die durch einen MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp ( MZ) mit der p-Zone (4a') verbunden ist und eine n+-Zone (10") mit einer Kontakt¬ elektrode enthält, wobei diese Kontaktelektrode (1 1 " ) mit der floaten¬ den Elektrode (FE) und d ie Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttran¬ sistors vom Verarmungstyp (MZ) mit der Kontaktelektrode (15) einer zusätzl ich in die n-Basiszone (3) eingebetteten p-Zone (14) verbunden ist, die bei Rückwärtssperrbetrieb des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements (ICMT) in der Raumladungszone um den pn-ü bergang (J ι" ) liegt.
17. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem bidirektionalen Bauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in d ie zweite p-Emitterzone (4b) eine weitere n+-Zone (16) einge¬ bettet ist, d ie einen gemeinsamen floatenden Shortungskontakt (17) mit der p-Emitterzone (4b) hat und daß die beiden n+-Zonen (10", 16) zu¬ sammen mit dem zwischen i hnen liegenden p-Gebiet der p-Zone (4b) und einer darüber angeordneten Gate-Elektrode einen n-Kanal-MOS- Feldeffekttransistor bilden, dessen Gate-Elektrode (18) mit der Kon¬ taktelektrode (15) des p-Gebiets (14) verbunden ist.
18. Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem der Ansprüche 1 bis 15 in einem bidirektionalen Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer einzigen Gruppe von in sich bidirektional schaltba¬ ren Einheitszellen nach Anspruch 1 , 2 oder 4 gebildet wird, daß je¬ doch die n-Emitterzone (1 ) und die p-Basiszone (2) in Teilbereichen durch eine an die Kathodenmetallisierung angrenzende p-Zone (2a) er¬ setzt ist, die gemäß Anspruch 13, 14 oder 15 von der n-Emitterzone (1 ) und der p-Basiszone (2) getrennt ist, daß die Anodenmetallisierung und die Kathodenmetallisierung des Bauelements nach Anspruch 1 mit einer ersten und einer zweiten Hauptelektrode (ET, E2') verbunden sind, und daß der erste und zweite MOS-Feldeffekttransistor ( M1 , M2) von außen ansteuerbare Gates (G1 , G2) aufweisen, so daß bei leitender Verbindung des Gates (G2) des zweiten MOS-Feldeffekttransistors (M2) mit der ersten Hauptelektrode ( ET) d ie Fun ktion des durch das Gate (G1 ) des ersten MOS-Feldeffekttransistors schaltbaren anodenseitig steuerbaren Halbleiterbauelements (ICMT) und bei positiver Ansteue- rung des Gates (G1 ) des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1 ) die Funktion des durch das Gate (G2) des zweiten MOS-Feldeffekttran¬ sistors kathodenseitig schaltbaren Insulated-Gate-Bipolar-Transistors erhalten wird.
19. Verwendung eines bidirektionalen Halbleiterbauelements nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Flächenbereich des Halbleiterkörpers ein anoden¬ seitig ansteuerbares Bauelement nach Anspruch 8 und in dem zweiten Flächenbereich des gleichen Halbleiterkörpers ein lateraler Insulate- Gate-Bipolar-Transistor im gleichen Halbleiterkörper angeordnet sind.
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