DE1489894B2

DE1489894B2 - In zwei richtungen schaltbares halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1489894B2
Application number: DE1965G0042524
Authority: DE
Inventors: Finis Edward Skaneateles N. Y. Gentry (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-01-13
Filing date: 1965-01-12
Publication date: 1976-01-22
Also published as: DE1489894A1; US3391310A; SE317135B; FR1424620A; GB1065150A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein in zwei Richtungen schaltbares Halbleiterbauelement mit einem aus mindestens fünf Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps bestehenden Halbleiterkörper und mit je einer gemeinsamen ohmschen Hauptelektrode an einer äußeren und einem an die Oberfläche tretenden Teil der benachbarten inneren Zone an zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers und mit einer Steuerelektrode.

Schaltbare Halbleiterbauelemente oder Halbleiterschalter sind in vielen Schalt- und Steuereinrichtungen zu einem wichtigen Bestandteil geworden. Besonders geeignet sind die Thyristoren, die auch steuerbare Halbleiter-Gleichrichterzellen genannt werden.

Thyristoren sind Halbleiterbauelemente vom Einkristalltyp mit mindestens vier unterschiedlichen, im Leitungstyp wechselnden Halbleiterzonen, zwei elektrischen Hauptanschlüssen und einem weiteren Anschluß an einer der inneren Halbleiterzonen zur Steuerung.

Zwischen den beiden Hauptanschlüssen sind in der einen Stromrichtung zwei stabile Betriebszustände möglich, nämlich ein sperrender (hochohmiger) und einleitender(niederohmiger)Zustand. Durch Steuerung kann der Thyristor von einem in den anderen Zustand umgeschaltet werden. In der entgegengesetzten Richtung zeigt der Thyristor zwischen den beiden Hauptanschlüssen ein der nichtsteuerbaren Einkristallgleichrichterzelle ähnliches Sperrverhalten.

Bei Verwendung von Wechselströmen können Thyristoren somit nur für eine Halbwelle als Halbleiterschalter verwendet werden. Wenn man dagegen beide Wechselstrom-Wellen ausnutzen möchte, muß man ein Thyristorpaar verwenden. Aus diesem Grunde ist die Anwendung von Thyristoren in wirtschaftlicher Hinsicht in vielen Fällen problematisch. Dies gilt besonders auch dann, wenn sie nur so einfache Funktionen, wie das Ein- und Ausschalten oder die Einstellung des Leistungspegels, übernehmen sollen.

Aus der DT-AS 11 54 872 ist bereits ein in zwei Richtungen schaltbares Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art bekannt, dessen Steuerelektrode an der mittleren der fünf Zonen angesetzt ist. Durch diesen Aufbau ist das Halbleiterbauelement zwar in zwei Richtungen schaltbar, jedoch muß die an die Steuerelektrode angelegte Steuerspannung je nach der Strorr richtung auf die eine oder die andere Hauptelektrc de bezogen werden, was in schaltungstechnischer Hinsicht zu Komplikationen führt und in vielen Fällen unerwünscht ist. Zur Verneidung dieses Nachteils sind daher nach dem DT-Gbm 18 38 035 bereits auch schon Halbleiterschalter bekanntgeworden, die symmetrisch aufgebaut sind und nur einen Steueranschluß besitzen, die aber zwei an verschiedenen symmetrischen

ίο Stellen des Halbleiterkörpers argebrachte und untereinander verbundene Steuerelektroden aufweisen, von denen je nach der Stromrichtung immer nur die eine wirksam ist.
Auch diese Halbleiterschalter sind in ihrer Anwendung begrenzt.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß nach dem DT-Gbm 18 38 035 es bei schaltbaren Halbleiterbauelementen bereits bekannt ist, daß die Steuerelektrode entfernt von derjenigen Stelle angebracht ist, an der die von ihr kontaktierte innere Zone mit der ihr benachbarten äußeren Zone durch die Hauptelektrode ■ kurzgeschlossen ist. Fs ist ferner nach diesem DT-Gmb 18 38 035 bekannt, caß die Steverelek rode nahe derjenigen Stelle angebracht ist, an der die von ihr kontaktierte innere Zone mit der ihr benachbarten äußeren Zone durch die Hauptelektrode kurzgeschlossen ist. Bei diesen bekannten Halbleiterbauelementen ist auch schon eine mit dem Steuerkontakt ohmisch verbundene Steuerzone vom entgegengesetzten Leitungstyp in die innere Zone eingelassen, so daß die aus Steuerkontakt und Steuerzone bestehende Steuerelektrode mit der inneren Zone einen PN-Übergang bildet. Bei diesen bekannten Halbleiterschaltern wird ferner die Steuerelektrode bereits an derjenigen inneren Zone des Halbleiterkörpers angebracht, die der äußeren Zone benachbart ist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein in zwei Richtungen schaltbares Halbleiterbauelement zu schaffen, das mit einer Steuerelektrode in einfacher Weise in beiden Stromrichtungen durchschaltbar ist. Diese Aufgabe wird bei einem in zwei Richtungen schaltbaren Halbleiterbauelement der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß die einzige Steuerelektrode an einer einer äußeren Zone benachbarten inneren Zone angebracht ist, daß die senkrechte Projektion jeder · äußeren Zone auf die gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers die an diese Oberfläche angrenzende äußere Zone und die an diese Oberfläche tretenden Teile der benachbarten inneren Zone mindestens teilweise überdeckt und daß die Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode und einer der Hauptelektroden zugeführt wird.

Das Halbleiterbauelement ist unabhängig von den an die Hauptelektroden angelegten Spannungen mit Hilfe der einen Steuerelektrode in beiden Stromrichtungen ohne weiteres durchschaltbar. Auf diese Weise lassen sich viele Schaltungen erst in einfacher Weise verwirklichen. Das Halbleiterbauelement besitzt ein günstiges Kennlinienfeld mit einer guten Steuerempfindlichkeit. Außerdem stimmen die Stromspannungs-Charakteristiken des Halbleiterbauelements im ersten und dritten Quadranten völlig überein, so daß das Bauelement in beiden Richtungen vollkommen symmetrisch arbeitet.

In vorteilhafter Weise besteht die eine äußere Zone aus zwei Teilzonen vom gleichen Leitungstyp, wobei die diese kontaktierende Hauptelektrode dem zwischen

den zwei Teilzonen an die Oberfläche tretenden Teil der angrenzenden inneren Zone bedeckt.

Zweckmäßigerweise besteht die andere äußere Zone aus mindestens drei Teilzonen vom gleichen Leitungstyp, wobei die diese kontaktierende Hauptelektrode die zwischen den Teilzonen an die Oberfläche tretenden Teile der angrenzenden Zone bedeckt.

Nach einer weiteren Ausführungsform bedeckt die senkrechte Projektion einer äußeren Zone oder einer äußeren Teilzone auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers die Steuerelektrode.

Die Steuerelektrode kann als ohmsche Kontaktelektrode an derjenigen inneren Zone angebracht sein, die der aus nur einer Teilzone bestehenden äußeren Zone benachbart ist.

Die Steuerelektrode kann ferner einen Steuerkontakt aufweisen, mit dem eine Steuerzone ohmisch verbunden ist, die vom entgegengesetzten Leitungstyp in die innere Zone eingelassen ist, so daß die Steuerelektrode mit der inneren Zone einen PN-Übergang bildet. Die Steuerelektrode kann ferner zur benachbarten inneren Zone als Tunnel-PN-Übergang ausgebildet sein.

In Weiterbildung der Erfindung kann auf dem Steuerkontakt des Halbleiterkörpers ein weiteres Halbleiterbauelement angebracht sein, wobei der Steuerkontakt die eine Elektrode dieses weiteren Halbleiterbauelements bildet und die andere Elektrode dieses weiteren Halbleiterbauelements mit dem Steueranschluß verbunden ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beschrieben.

F i g. 1 bis 4 sind Schnitte durch ein in zwei Richtungen schaltbares Halbleiterbauelement, das in verschiedenen Zuständen gezeigt ist;

F i g. 5 zeigt eine Strom-Spannungs-Charakteristik für das Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 bis 4;

F i g. 6 bis 8 zeigen Schnitte durch ein weiteres in zwei Richtungen schaltbares Halbleiterbauelement, das in verschiedenen Zuständen gezeigt ist;

F i g. 9 bis 17 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Halbleiterbauelementen nach der Erfindung, bei denen entweder die Zahl der äußeren Teilzonen oder die Auslegung des Steueranschlusses modifiziert ist.

Alle hier beschriebenen Halbleiterbauelemente sind steuerbare, in zwei Richtungen schaltbare Halbleiterschalter mit Elektronenanschlüssen 1, 2 und 3, die mit dem Stromkreis verbunden sind, in dem diese Schalter verwendet werden. In jedem Fall werden die Anschlüsse 1 und 2 in den den Hauptstrom führenden Stromkreis geschaltet, während der Steueranschluß 3 mit einer Spannungsquelle verbunden wird, die ein Durchschaltsignal geeigneter Polarität liefert, wenn der Strompfad zwischen den Anschlüssen 1 und 2 hochleitend gemacht werden soll.

Wenn der obere Anschluß 1 des Halbleiterbauelementes der F i g. 1 bis 4 positiv oder negativ gegenüber dem unteren Anschluß 2 ist, dann wird das Halbleiterbauelement durch eine gegenüber dem Anschluß 1 positive Spannung am Steueranschluß 3 durchgeschaltet.

In dem in den F i g. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der Halbleiterkörper 10 eine mittlere N-leitende Zone 11, an die sich zu beiden Seiten P-leitende innere Zonen 12 und 13 anschließen. Wenn der Anschluß 2 gegenüber dem Anschluß 1 positiv ist, dann wirkt die P-leitende Zone 12 als Emitterzone, und der PN-Übergang J₂ zwischen der P-leitenden Zone 12 und der mittleren N-leitenden Zone 11 stellt einen Emitterübergang dar. Unter den gleichen Umständen wirkt die P-leitende Zone 13 als Basiszone, die durch den Übergang J₁ von der N-leitenden Zone 11 getrennt ist. Bei umgekehrter Polarität an den Anschlüssen 1 und 2 wirkt die P-leitende Zone 13 als Emitterzone und die untere P-leitende Zone 12 als

ίο Basiszone.

Eine N-leitende äußere Zone 14 ist in einen Teil der P-leitend;n Zone 13 eingelassen und von dieser durch einen PN-Übergang J₅ getrennt. Sie hat von den beiden des Halbleiterkörpers (rechte und linke Seite in den Figuren) einen genügenden Abstand, so daß Elektroden, die später beschrieben werden, angeschlossen werden können Wenn der Anschluß 2 ge. genüber dem Anschluß 1 positiv ist, dann wirkt die N-leitende Zone 14 als Emitterzone und der PN-Übergang J₅ als Emitterübergang. Um eine entsprechende Emitterzone und einen entsprechenden Emitterübergang auch dann zu erhalten, wenn der Strom in entgegengesetzter Richtung fließt, sind zwei äußere N-leitende Teilzonen 17 und 20 in einen Teil der

as inneren P-leitenden Zone 12 eingelassen und bilden mit dieser die beiden PN-Übergänge J₃ und /₄. Die beiden N-leitenden, äußeren Teilzonen 17 und 20 liegen an entgegengesetzten Seiten des Halbleiterkörpers 10 und lassen einen Teil 21 der inneren P-leitenden Zone 12 an die Oberfläche treten. Von besonderer Bedeutung ist, daß die N-leitenden Teilzonen 17 und 20 so angebracht sind, daß ein Teil von ihnen direkt gegenüber bzw. in den Figuren unter einem Teil der anderen äußeren N-leitenden Zone 14 liegt bzw. daß die senkrechte Projektion einer äußeren Zone oder Teilzone auf die gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers die an diese Oberfläche angrenzende äußere Zone und die an diese Oberfläche tretenden Teile der benachbarten inneren Zone mindestens teilweise überdeckt. Die so entstehenden Überdeckungszonen sind mit »Überdeckung Aa, »Überdeckung 5« und »Überdeckung C« bezeichnet. Weiterhin ist durch die Lage und Größe der N-leitenden Teilzonen 17 und 20 dafür gesorgt, daß der an die Oberfläche tretende Teil 21 der P-leitenden Zone 12 gegenüber einem Teil der an die gegenüberliegende Oberfläche angrenzenden N-leitenden Zone 14 liegt, so daß eine weitere Überdeckungszone (»Überdeckung Z)«) entsteht.

Ohmsche Hauptelektroden 15 und 16, die den Hauptstrom führen, bedecken den größten Teil je einer Oberfläche des Halbleiterkörpers 10. Die Hauptelektrode 15 bedeckt die äußeren N-leitenden Teilzonen 17 und 20 und den an die Oberfläche tretenden Teil 21 der angrenzenden P-leitenden Zone 12, wodurch die beiden Übergänge J₃ und 7₄ kurzgeschlossen werden. Die Hauptelektrode 16 bedeckt die N-leitende äußere Zone 14 und den an die Oberfläche tretenden Teil der P-leitenden Zone 13, der die Projektion der Teilzone 20 auf diese Oberfläche enthält, wodurch der Emitterübergang J₅ kurzgeschlossen ist. Die Hauptelektroden 15 und 16 sind elektrisch mit den Anschlüssen 1 und 2 verbunden. Zur Steuerung wird eine Steuerelektrode 18 an einem an die Oberfläche tretenden Teil der inneren P-leitenden Zone 13 nahe einer Stelle angebracht, wo die N-leitende Zone 14 in die P-leitende Zone 13 eingelassen ist, aber entfernt von demjenigen Teil der P-leitenden Zone 13, der von der Hauptelektrode 16

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bedeckt ist. Da der Abstand der Steuerelektrode 18 bei der hier betrachteten Polarität der Spannung zu-

von dem Teil der Hauptelektrode 16, der die P-leitende nächst gesperrt ist, langsam leitend wird, wächst die

Zone 13 bedeckt, ziemlich groß ist und durch einen Zahl der von der N-leitenden Zone 17 in die benach-

hohen Widerstand überbrückt ist, kann man diese barte P-leitende Zone 12 injizierten Elektronen und

beiden Elektroden als elektrisch weit voneinander 5 damit auch der Strom der gesammelten Elektronen an,

entfernt betrachten. Die Steuerelektrode 18 ist mit der zur N-leitenden Zone 11 fließt, wodurch die Span-

dem Steueranschluß 3 versehen, so daß von außen ge- nung zwischen dieser Zone und der P-leitenden Zone 13

steuert werden kann. weiter abfällt. Der Widerstand in Querrichtung in der

Zum Verständnis der Wirkungsweise des in den P-leitenden Zone 13 ist so hoch, daß im Bereich der

F i g. 1 bis 4 gezeigten Halbleiterbauelementes muß io »Überdeckung B« auch Löcher von dieser Zone in die

berücksichtigt werden, daß sich das Halbleiterbau- N-leitende Zone 11 (F i g. 3) injiziert werden, von wo

element bei positivem Potential an dem Hauptanschluß sie durch die Zone 11 diffundieren und am PN-Über-

1 der Hauptelektrode 16 im gesperrten Zustand befin- gang J₂ gesammelt werden. Dadurch wird das Poten-

det. Bei Anlegen einer positiven Spannung an den tial der P-leitenden Zone 12 gegenüber dem der

Steueranschluß 3 der Steuerelektrode 18 wird das 15 N-leitenden Teilzone 20 gehoben (im Bereich der

Potential der P-leitenden Zone 13 gegenüber dem- »Überdeckung 5«) und es werden Elektronen von der

jenigen Teil der N-leitenden Zone 14 angehoben, der Teilzone 20 in die benachbarte P-leitende Zone 12 in-

in der Nähe des neben der Steuerelektrode 18 liegenden jiziert, so daß jetzt der Teil des Halbleiterbauelementes,

Teils des Übergangs J₅ liegt (nach F i g. 1 der durch der im Bereich der »Überdeckung C« liegt, leitend wird,

»Überdeckung A« bezeichnete Teil). Folglich werden 20 was durch Leitfähigkeitsmodulation noch unterstützt

von der Zone 14 Elektronen in die benachbarte Zone 13 wird, durch die nämlich der Widerstand der N-leiten-

injiziert, die zum PN-Übergang J₁ diffundieren (siehe den Zone 11 sinkt.

die Pfeile für den Strom). Die im PN-Übergang J₁ Bisher ist beschrieben worden, wie das Halbleitergesammelten Elektronen erniedrigen das Potential bauelement nach den F i g. 1 bis 4 von einem Zustand der mittleren N-leitenden Zone 11 bezüglich dem der 25 mit hoher Impedanz zwischen den Hauptanschlüssen 1 benachbarten P-leitenden Zone 13, wodurch Löcher und 2 in einen Zustand mit geringer Impedanz umgein die N-leitende Zone 11 injiziert werden. Die Löcher schaltet wird, wenn der Anschluß 1 positiv gegenüber diffundieren zum nächsten PN-Übergang J₂, und die dem Anschluß 2 ist. Zum Verständnis des Durchdort gesammelten Löcher strömen bis zur unteren schaltvorgangs bei umgekehrter Polung (d. h. Anschluß Hauptelektrode 15. Der resultierende Löcherstrom 30 2 positiv gegenüber Anschluß 1) muß die F i g. 4 beidurchgezogene Pfeile in F i g. 1) verursacht einen trachtet werden. In diesem Fc.ll arbeitet das HaIb-Spannungsabfall, der wiederum bewirkt, daß die leiterbauelement ähnlich einsm Thyristor, und der N-leitende Teilzone 17 im Bereich der »Überdeckung Strom fließt hauptsächlich im Bereich der »Über- A« Elektronen in die benachbarte P-leitende Zone 12 deckung D«.

injiziert, wenn der Löcherstrom so groß wird, daß da- 35 Bei der jetzt angenommenen Polung liegt die

durch der PN-Übergang /₄ durch einige Zehntel Volt P-leitende Zone 12 auf positivem und die N-leitende

in richtiger Weise vorgespannt wird. Die Größe der Zone 14 auf negativem Potential. Die beiden an diese

Vorspannung dieses PN-Übergangs J₄, ist proportional Zonen angrenzenden PN-Übergänge J₂ und J₅ werden

dem Widerstand in Querrichtung der benachbarten leitend, wenn das positive Potential der P-leitenden

P-leitenden Zone 12 und auch von der Größe der 40 Zone 12 so eingestellt ist, daß sich die positiven

Überdeckung im Bereich der »Überdeckung A« ab- Ladungsträger durch den PN-Übergang J₂ bewegen

hängig. und am PN-Übergang J₁ gesammelt werden, und wenn

Wenn der PN-Übergang J₄ vorgespannt ist, dann das negative Potential der N-leitenden Zone 14 die

injiziert die N-leitende Zone 17 Elektroden in die be- negativen Ladungsträger durch den PN-Übergang J₅

nachbarte P-leitende Zone 12 (s. »Überdeckung A« in 45 treibt," so daß sie ebenfalls am PN-Übergang J₁ ge-

F i g. 2), die zum PN-Übergang J₂ diffundieren. Die sammelt werden. Der zwischen den Zonen 11 und 13

dort gesammelten Elektronen erniedrigen das Poten- liegende PN-Übergang sperrt normalerweise den

tial der inneren N-leitenden Zone in bezug auf das der Strom durch das Halbleiterbauelement. Wie jedes

P-leitenden Zone 13 in der »Überdeckung A« und be- Vierzonenhalbleiterbauelement kann man es dadurch

wirken, daß weitere Löcher von der P-leitenden Zone 5° leitend machen, daß man die angelegte Spannung

13 in die N-leitende Zone 11 injiziert werden. So be- bis zur Durchbruchsspannung steigert und eine hohe

ginnt das Durchschalten des Halbleiterbauelementes Leitfähigkeit des PN-Übergangs J₁ erzwingt. Man

im Bereich der »Überdeckung A«. Wenn der Strom kann aber auch einen geeigneten Strom durch die

durch die Steuerelektrode 18 (Anschluß 3) zu fließen Steuerelektrode 18 leiten und dadurch die Ladungs-

beginnt, dann steigt die Spannung in dem äußeren 55 zustände längs des PN-Übergangs J₁ ändern. Eine

Steuerkreis (nicht gezeigt) an und bewirkt, daß ein an den Hauptanschluß 3 gelegte, gegenüber dem

Löcherstrom im Bereich der »Überdeckubg A« in der Hauptanschluß 1 positive Spannung bewirkt, daß die

P-leitenden Zone 12 quer in den Teil 21 fließt. Dadurch N-leitende Zone 14 Elektronen in die P-leitende Zone

steigt wiederum die Spannung, die am Übergang 7₄ 13 injiziert. Die Elektronen werden aber entlang des

liegt, so daß Elektronen in die Zone 12 injiziert werden, 60 PN-Übergangs J₅ nicht gleichmäßig injiziert, da sich

von wo sie zum Übergang J₂ strömen. Damit ist der im die Stromdichte der injizierten Elektronen exponentiell

Bereich der »Überdeckung A« liegende Teil eingeschal- mit der Spannung zwischen den Zonen 13 und 14 an

tet, der aus der P-leitenden Zone 13, der N-leitenden den gegenüberliegenden Seiten des PN-Übergangs J₅

Zone 11, der P-leitenden Zone 12 und der N-leitenden ändert. Da das Potential längs des PN-Übergangs J₅

Zone 17 besteht. Der PN-Übergang J₂ wirkt dabei als 65 von den von der Steuerelektrode 18 herkommenden

Kollektor für die Elektronen, die von der N-leitenden Majoritätsträgern (hier Löchern) herrührt, tritt ein

Zone 17 injiziert werden und die durch die P-leitende seitlicher Spannungsabfall längs des PN-Übergangs J₅

Zone 12 diffundieren. Da der PN-Übergang/₂, der der P-leitenden Zone'13 auf. Deshalb ist die Spannung

zwischen den benachbarten Zonen 13 und 14 in der Nähe der Steuerelektrode 18 am höchsten und nimmt mit zunehmendem Abstand davon in seitlicher Richtung ab.

Die injizierten Elektronen diffundieren zum PN-Übergang J₁ und die, die gesammelt werden, erniedrigen das Potential der N-leitenden Zone 11 bezüglich der P-leitenden Zone 12 in dem der Elektroneninjektion gegebüberliegenden Bereich. Folglich werden Löcher von der P-leitenden Zone 12 in die N-leitende Zone 11 injiziert, die dann zum PN-Übergang J₁ diffundieren. Die dort gesammelten Löcher heben das Potential der P-leitenden Zone 13 bezüglich dem der N-leitenden Zone 11 an und bewirken eine weitere Elektroneninjektion von der N-leitenden Zone 14 in die benachbarte P-leitende Zone 13. Beim Erscheinen der Löcher in der P-leitenden Zone 13 steigt die Spannung zwischen dieser und der N-leitenden Zone 14 an, und der seitliche Löcherstrom macht den größeren Teil der P-leitenden Zone 13 positiv, so daß der größere Teil der Zone 14 Elektronen injiziert. Ähnliche Bedingungen ergeben sich in der N-leitenden Zone 11.

Die Ansammlung von beweglichen Ladungsträgern in den beiden Zonen 11 und 13 hat zur Folge, daß der Raumladungsbereich im PN-Übergang J₁ sich auflöst und daß ein zusätzlicher Strom durch das Halbleiterbauelement fließt. Dieser Rückkopplungsprozeß setzt sich im Bereich der »Üoerdeckung Da fort, bis er sich über die ganze Zone ausdehnt.

Das Halbleiterbauelement wird also von einer angelegten Wechselspannung in beide Richtungen durchgeschaltet, wenn nur das Potential am Anschluß 3 positiv gegenüber dem am Hauptanschluß 2 ist. In der F i g. 5 ist die zugehörige Strom-Spannungs-Charakteristik des Halbleiterbauelementes nach den F i g. 1 bis 4 gezeigt. Dabei ist der Strom auf der Ordinate aufgetragen, und ein positiver Strom ist ein Strom vom Hauptanschluß 1 zum Hauptanschluß 2. Die Spannung ist längs der Abszisse aufgetragen, wobei rechts die Spannung aufgetragen ist, wenn der Hauptanschluß 1 positiv ist, während nach links die Spannung aufgetragen ist, wenn der Anschluß 2 positiv ist.

Wenn der Hauptanschluß 1 gegenüber dem Hauptanschluß 2 positiv ist (in der einen Richtung gesperrt), dann nimmt der Strom bei steigender Spannung kaum zu, solange nicht die Durchbruchsspannung erreicht ist. Nach Erreichen dieser Spannung steigt der Strom durch das Halbleiterbauelement schnell stark an, bis das Halbleiterbauelement in einen hochleitenden Zustand übergeht. Bei umgekehrter Spannung zwischen den Hauptanschlüssen 1 und 2 ist die Strom-Spannungs-Charakteristik für alle praktischen Zwecke die gleiche wie oben, nur um 180° verdreht. Das bedeutet, daß einige Teile des Halbleiterkörpers in dem Fall leiten, daß der Hauptanschluß 1 gegenüber dem Hauptanschluß 2 positiv ist, während andere Teile bei umgekehrter Polarität leiten. Die Strom-Spannungs-Charakteristik des Halbleiterbauelementes stimmt daher im ersten und dritten Quadranten der F i g. 5 völlig überein, und sas Halbleiterbauelement leitet in beide Richtungen symmetrisch.

Bei steigenden Werten des Steuerstroms verengt sich das Gebiet zwischen der Durchbruchsspannung und dem Haltestrom, und die Durchbruchsspannung wird kleiner. Bei genügend hohen Steuerströmen verschwindet im ersten und dritten Quadranten der F i g. 5 der gesamte Sperrbereich, und das Halbleiterbauelement hat die gleiche Strom-Spannungs-Charakteristik wie ein Paar paralleler und entgegengesetzt gepolter PN-Gleichrichter.

Um den Halbleiterkörper 10 mit der auch bei der Produktion der Thyristoren angewandten Technik herstellen zu können, geht man am besten von N-leitendem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 1 bis 5 Ohm · cm (Konzentration der Fremdatome etwa 10¹⁵ Atome pro cm³) für die mittlere N-leitende Zone 11 aus. Der anfängliche Halbleiterkörper 10 der F i g. 1 hat eine Größe von etwa 7,65 mm² und eine Dicke von etwa 0,18 mm. Bis zu einer Tiefe von etwa 0,025 mm wird Gallium eindiffundiert, so daß auf beiden Seiten der N-leitenden Zone 11 die inneren P-leitenden Zonen 12 und 13 entstehen.

Anschließend werden an beiden Seiten z. B. SiIiciumdioxid-Masken angebracht. Ein Teil der Siliciumdioxid-Maske auf der einen Seite des Halbleiterkörpers wird entfernt, um die zwei Teile der P-leitenden Zone 12, in die die äußeren Zonen 17 und 20 eingelassen werden, freizulegen. Von der anderen Siliciumdioxid-Maske 10 wird ebenfalls ein Teil entfernt, um den Teil der P-leitenden Zone 13 freizulegen, der direkt über dem maskierten Teil 21 auf der gegenüberliegenden Oberfläche liegt. Dieser freiliegende Teil auf der oberen Oberfläche überdeckt teilweise die beiden freigelegten Teile auf der unteren Oberfläche, und in ihm wird die N-leitende äußere Zone 14 eingelassen. Der zur Bildung der Teilzone 17 freigelegte Teil des HaIbleiterkörpers 10 hat eine Größe von etwa 1,52 X 7,62 mm² und der zur Bildung der N-leitenden Zone 14 freigelegte Teil eine Größe von etwa 3,8 X 7,62 mm², wobei letzterer vom Rand des Halbleiterkörpers einen Abstand von etwa 1 mm hat, so daß er die Zone 17 um etwa 0,5 mm in der Papierebene bzw. um etwa 7,62 mm in der senkrecht zum Papier liegenden Ebene überdeckt. Der zur Bildung der N-leitenden Teilzone 20 freigelegte Teil hat eine Größe von etwa 3,04 X 7,62 mm², so daß er die N-leitende Zone 14 in der Papierebene um 0,5 mm und der dazu senkrechten Ebene um 7,62 mm überdeckt. In den Halbleiterkörper wird dann bis zu einer Tiefe von etwa 0,013 mm Phosphor eindiffundiert, wodurch die N-leitende Zone 14 und die beiden n-leitenden Zonen 17 und 20 ausgebildet werden.

Die Elektroden 15, 16, 18 werden anschließend auf bekannte Weise angebracht. Sie bestehen z. ti. aus nicht elektrolytisch niedergeschlagenem Nickel.
Die F i g. 6, 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausf ührungsbeispiel eines schaltbaren, in zwei Richtungen leitenden Halbleiterbauelementes. Die drei inneren Zonen des Halbleiterkörpers 25 sind die gleichen wie die entsprechenden Zonen des in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Halbleiterkörpers 10. Der Halbleiterkörper J.5 hat eine mittlere N-leitende Zone 26 und zwei benachbarte innere P-leitende Zonen 27 und 28. Wenn der Anschluß 2 gegenüber dem Anschluß 1 positiv ist, dann wirkt die P-leitende Zone 27 als Emitterzone, und der PN-Übergang J₂ zwischen der P-leitenden Zone 27 und der N-leitenden Zone 26 kann als Emitterübergang aufgefaßt werden. Unter diesen Umständen wirkt die P-leitende Zone 28 als Basiszone, die von der N-leitenden Zone 26 durch den PN-Üoergang J₁ getrennt ist. Bei umgekehrter Polung ist die f-leitende Zone 28 als Emitterzone und die P-leitende Zone 27 als Basiszone aufzufassen.

Eine N-leitende äußere Zone 29 ist in die P-leitende Zone 28 eingelassen und von dieser durch den PN-

Übergang /₄ getrennt. Wenn der Anschluß 2 gegenüber dem Anschluß 1 positiv ist, stellt die N-leitende Zone 29 eine Emitterzone und der angrenzende PN-Übergang J₁ einen Emitterübergang dar. Um eine entsprechende Emitterzone und einen entsprechenden Emitterübergang zu schaffen, wenn das Halbleiterbauelement in umgekehrter Richtung leitend ist (Hauptanschluß 1 gegenüber Hauptanschluß 2 positiv), ist eine N-leitende, äußere Zone 30 in einen Teil der P-leitenden Zone 27 eingelassen und von dieser durch den PN-Übergang J₃ (Emitterübergang bei dieser Polarität) getrennt. Die N-leitende Zone 30 ist so angebracht, daß ein Teil der P-leitenden Zone 27 an die Oberfläche tritt, der unterhalb der N-leitenden Zone 29 liegt. Dagegen überdeckt die untere N-leitende Zone 30 sowohl einen Teil der oberen N-leitenden Zone 29 (»Überdeckung F«) als auch einen an die Oberfläche tretenden Teil der oberen P-leitenden Zone 28 (»Überdeckung £«). Die N-leitende Zone 29 überdeckt den an die Oberfläche tretenden Teil der ao P-leitenden Zone 27 im Bereich der »Überdeckung C?«.

Den Hauptstrom durch das Halbleiterbauelement ^* leiten die ohmschen Hauptelektroden 31 und 32 auf der oberen und unteren Oberfläche der Halbleiterkörper 25. Die Hauptelektrode 31 ist der äußeren N-leitenden Zone 30 und dem an die Oberfläche tretenden Teil der inneren P-leitenden Zone 27 gemeinsam und schließt den Übergang J₃ kurz. Die endere Hauptelektrode 32 erstreckt sich über die N-leitende Zone 29 und den an die Oberfläche tretenden Teil der P-leitenden Zone 28 und schließt den PN-Übergang J₄ kurz. Die Hauptelektroden 31 und 32 sind elektrisch mit den Hauptanschlüssen 1 und 2 verbunden.

Zur Steuerung ist eine N-leitende Steuerzone 33 vorgesehen, die in cbr Nähe der Elektrode 32 in die P-leitende Zone 28 eingelassen ist. Auf der Steuerzone 33 ist eine ohmsche Steuerelektrode 34 angebracht, die mit dem Steueranschluß 3 elektrisch verbunden ist. Die Steuerzone 33 bewirkt einen PN-Übergang J₅ und bildet mit der P-leitenden Zone 28, der N-leitenden Zone 26 und den dazwischen liegenden PN-Übergängen J₅ und J₁ einen Transistor.

Zum Verständnis der Wirkungsweise des. Halbleiter-- ) bauelements sei zunächst angenommen, daß zwischen den Hauptanschlüssen 1 und 2 eine Spannung liegt, die den Hauptanschluß 1 gegenüber dem Hauptanschluß 2 positiv macht. Dieser Zustand bewirkt ein positives Potential an der P-leitenden Zone 28 und ein negatives Potential an der N-leitenden Zone 30. Es wird nun zuerst der Bereich der »Überdeckung £« betrachtet. Die PN-Übergänge J₁ und J₃ sind leitend, da das positive Potential an der P-leitenden Zone 28 die Ladungsträger des P-Typs über den Emitterübergang J₁ treibt, die dann am PN-Übergang J₂ gesammelt werden, während das negative Potential an der N-leitenden Zone 30 die negativen Ladungsträger durch den Emitterübergang J₃ treibt, so daß diese ebenfalls am PN-Übergang J₂ gesammelt werden. Der PN-Übergang J₂ zwischen der N-leitenden Zone 26 und der P-leitenden Zone 17 sperrt dagegen den Stromfluß durch das Halbleiterbauelement. Das Element kann dadurch durchgeschaltet werden, daß man die Spannung so stark erhöht, daß die Leitung durch den PN-Übergang J₂ erzwungen wird. Die hohe Leitfähigkeit kann aber auch dadurch hergestellt werden, daß man dem Steueranschluß 3 der N-leitenden Steuerzone 33 einen geeigneten Strom zuführt, so daß eine Veränderung der Ladungszustände entlang des sperrenden PN-Übergangs J₂ auftritt. Eine an den Steueranschluß 3 angelegte, bezüglich des Hauptanschlusses 1 negative Spannung bewirkt', daß von der N-leitenden Steuerzone 33 Elektronen in die P-leitende Zone 28 injiziert werden. Die injizierten Elektronen diffundieren und werden am PN-Übergang J₁ gesammelt, wodurch das Potential der N-leitenden Zone 26 gegenüber dem der P-leitenden Zone 28 gesenkt wird, so daß Löcher von der Zone 28 in die Zone 26 injiziert werden. Diese Löcher diffundieren durch die N-leitende Zone 26 und werden am sperrenden PN-Übergang J₂ gesammelt. Dadurch wird das Potential der P-leitenden Zone 27 gegenüber dem der N-leitenden Zone 30 gehoben, und Elektronen werden von der Zone 30 in die P-leitende Zone 27 injiziert. Diese Elektronen diffundieren wiederum zum PN-Übergang Jo, wo diejenigen, die gesammelt werden, das Potential der N-leitenden Zone 26 gegenüber dem der P-leitenden Zone 28 verringern, so daß weitere Löcher von der P-leitenden Zone 28 in die N-leitende Zone 26 injiziert werden. Dieser Prozeß wiederholt sich immer wieder, bis das Halbleiterbauelement durchgeschaltet ist.

Bei anderer Polung an den Hauptanschlüssen 1 und 2, wenn also der Anschluß 2 positiv gegenüber dem Anschluß 1 ist, dann wird das Halbleiterbauelement auf Grund von physikalischen Vorgängen betrieben, diejnun mit Hilfe der F i g. 7 beschrieben werden. Bei negativer Vorspannung am Steueranschluß 3 (und damit auch an der Steuerelektrode 34) werden Elektronen von der Steuerzone 33 injiziert, wie in F i g. 7 durch die gestrichelten Pfeile angedeutet ist. Der unmittelbar unter der Steuerzone 33 liegende Bereich des Halbleiterkörpers 25 (Bereich der »Überdeckung Hd) wird mit dem Ergebnis durchgeschaltet, daß in der P-leitenden Zone 27 direkt oberhalb der N-leitenden Zone 30 ein seitlicher Spannungsabfall auftritt, der einen Löcherstrom in dieser Zone bewirkt (s. durchgezogene Pfeile in Fig. 7). Der seitliche Spannungsabfall hat die Injektion von Löchern aus der P-leitenden Zone 27 in die N-leitende Zone 26 über der gesamten N-leitenden Zone 30 zur Folge (s. durchgezogene Pfeile im Bereich der »Überdeckungen F, £ und H« der F i g. 8). Diese Löcher diffundieren unmittelbar durch die N-leitende Zone 26 zum PN-Übergang J₁ und zwischen die N-leitende Zone 26 und die P-leitende Zone 28. Die im Bereich der »Überdeckung En und der »Überdeckung F« gesammelten Löcher tragen zum Laststrom bei. Die Löcher jedoch, die beim PN-Übergang J₁ im Bereich der »Überdeckung F« gesammelt werden, bewirken eine seitliche Vorspannung in der P-leitenden Zone 28, die den PN-Übergang J₄ vorspannt, so daß Elektronen in die benachbarte P-leitende Zone 28 injiziert werden (F i g. 8), von denen diejenigen, die am PN-Übergang J₁ gesammelt werden, das Potential der N-leitenden Zone 26 bezüglich dem der P-leitenden Zone 27 senken, wodurch Löcher von der P-Ieitenden Zone 27 zurück in die N-leitende Zone 26 injiziert werden. Diese sich steigernde Rückkopplung für den Durchschaltvorgang beginnt im Bereich der »Überdeckung F« und dehnt sich auf den Bereich der »Überdeckung G« aus.

Auf diese Art wird das Halbleiterbauelement nach den F i g. 6, 7 und 8 durchgeschaltet, wenn der Steueranschluß 3 negativ vorgespannt ist, unabhängig davon, ob der Hauptanschluß 1 positiv oder negativ gegen-

über dem Hauptanschluß 2 ist. Die resultierende Strom-Spannungs-Charakteristik des Halbleiterbauelementes beim Anlegen einer Wechselspannung zwischen die Hauptanschlüsse 1 und 2 ist die gleiche wie die in der F i g. 5 beschriebene Strom-Spannungs-Charakteristik.

Die Halbleiterbauelemente nach den F i g. 6, 7 und 8 werden im wesentlichen auf die gleiche Art wie die Halbleiterbauelemente nach den F i g. 1, 2 und 3 hergestellt.

Das Halbleiterbauelement nach der F i g. 9 kann entweder durch eine negative oder durch eine positive Vorspannung an dem Steueranschluß 3 des Hauptanschlusses 1 eingeschaltet werden. Daher bringt entweder ein positiver oder ein negativer Steuerstrom das Halbleiterbauelement in den leitenden Zustand, wenn der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 positiv oder negativ ist.

In dem in der F i g. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält der Halbleiterkörper 35 einen Fünfzonenaufbau aus einer N-leitenden Zone 36, zwei benachbarten P-leitenden inneren Zonen 37 und 38 und zwei äußeren Zonen 39 und 40", 41. Wenn der Hauptanschluß 2 positiv gegenüber dem Anschluß 1 ist, dann wirkt die P-leitende Zone 37 als Emitter und d:r PN-Übergf ng J₂ zwischen der P-leitenden Zone 37 und der N leitenden Zone 36 als Emitterübergang, während die P-leitende Zone 38 eine von cer N-leitenden Zone 36 durch den PN-Übergang J₁ getrennte Basiszone darstellt. Bei umgekehrter Polung zwischen den Hauptanschlüssen 1 und 2 stellt die P-leitende Zone 38 eine Emitterzone und die P-leitende Zone 37 eine Basiszone dar.

In einen Teil der P-leitenden Zone 38 ist eine durch den PN-Üt ergang J₄ getrennte N-leitende äußere Zone 39 eingelassen, die von den beiden seitlichen Rändern des Halbleiterkörpers 35 einen Abstand aufweist. Wenn der untere Hauptanschluß 2 positiv gegenüber dem oberen Hauptanschluß 1 ist, dann stellt die N-leitende Zone 39 eine Emitterzone und der PN-Übergang J₄ einen Emitterübergang dar. Um bei umgekehrter Polung (d. h. Hauptanschluß 1 positiv geg^nübeΓ Hauptanschluß 2) eine entsprechende Emitterzone und einen entsprechenden Emitterübergang zu erhalten, werden zwei N-leitende Teilzonen 40 und 41 in einen Teil der P-leitenden Zone 37 eingelassen, wobei die PN-Übergänge J₃ und J₆ entstehen. Die beiden N-leitenden Teilzonen 40 und 41 weisen einen Abstand voneinander auf, so daß ein Teil der P-leitenden Zone 37 an die Oberfläche tritt, welcher unterhalb der N-leitenden Zone 39 liegt. Daher überdeckt die N-leitende Zone 39 diesen an die Oberfläche tretenden Teil der P-leitenden Zone 37. Außerdem überdecken sich Teile der N-leitenden Teilzonen 40 und 41 mit der Projektion der N-leitenden Zone 39 auf diese Oberfläche und andere Teile mit der Projektion der an die Oberfläche tretenden Teile der P-leitenden Zone 38 auf diese Oberfläche, so daß Überdeckungen entstehen.

Ohmsche Hauptehktroden 42 und 43, durch die der Hauptstrom durch das Halbleiterbauelement geführt wird, sind auf den größeren Hauptflächen des Halbleiterbauelements 35 angebracht. Die untere Hauptelektrode 42 kontaktiert die N-leitende Zone 40 und 41 und den dazwischenliegenden, an die Oberfläche tretenden Teil der P-leitenden Zone 37 und schließt damit die PN-Übergänge J₃ und J_e kurz. Die Hauptelektrode 43 erstreckt sich über die äußere N-leitende Zone 39 und den an die Oberfläche tretenden Teil der P-leitenden Zone 38 und schließt damit den PN-Übergang J₄ kurz. Die Hauptelektroden 42 und 43 sind elektrisch mit den Hauptanschlüssen 1 und 2 verbunden.

Zur Steuerung des Halbleiterbauelementes ist eine N-leitende Steuerzone 44 vorgesehen, die in denjenigen Teil der P-leitenden Zone 38 eingelassen ist, welcher in der Nähe der äußeren N-leitenden Zone 39, aber entfernt von dem Teil der P-leitenden Zone 38

ίο liegt, der von der Hauptelektrode 43 bedeckt wird. Auf der Steuerzone 44 ist eine ohmsche Steuerelektrode 45 angebracht, die elektrisch mit dem Steueranschluß 3 verbunden ist.

Wenn der Steueranschluß 3 negativ gegenüber dem Hauptanschluß 1 (negativer Steuerstrom) und der Hauptanschluß 1 positiv oder negativ gegenüber dem Hauptanschluß 2 ist, dann verhält sich das Halbleiterbauelement 35 wie das an Hand der F i g. 6, 7 und 8 beschriebene Halbleiterbauelement 25. Bei positiver Spannung zwischen dem Steueranschluß 3 und dem Hauptanschluß 1 wird das Element durchgeschaltet, wenn die. Durchbruchsspannung des PN-Übergangs J₅ überschritten wird. Wenn der Zusammenbruch des Steuerübergangs J₅ stattgefunden hat, dann ist der Durchschaltvorgang der gleiche wie beim Halbleiterbauelement 10 nach der F i g. 1.

Das Halbleiterbauelement 85 nach der F i g. 10 unterscheidet sich von dem nach der F i g. 9 dadurch, daß die Steuerelektrode 45 teilweise mit einem an die Oberfläche tretenden Teil der P-leitenden Zone 38 in Berührung ist und dort den Steuerübergang J₅ kurzschließt. Der Kurzschluß des Steuerübergangs ist jedoch fern der Stelle, an der die P-leitende Zone 38 durch die Hauptelektrode 43 bedeckt ist. Dadurch erhält man einen relativ hohen Widerstand zwischen der Hauptelektrode 43 und der Steuerelektrode 45 bzw. zwischen dem Hauptanschluß 1 und dem Steueranschluß 3, wodurch ein elektrischer Kurzschluß zwischen diesen beiden verhindert wird.

Das Halbleiterbauelement nach der F i g. 10 arbeitet wie das Halbleiterbauelement nach der F i g. 9, außer wenn eine positive Spannung zwischen dem Hauptanschluß 3 und dem Hauptanschluß 1 liegt. In diesem Zustand ist der Durchschaltvorgang des HaIbleiterbauelementes nach der F i g. 10 wie bei einem konventionellen Thyristor, wobei die Spannungen kleiner als die Durchbruchsspannungen des Steuerübergangs J₅ sein können. Das liegt an der Steuerelektrode 45, die den Steuerübergang J₅ teilweise kurzschließt.

Die bisher beschriebenen Halbleiterbauelemente besitzen eine Zonenfolge, wobei drei mittlere Zonen eine PNP-Folge bilden, an die sich nach außen je eine N-leitende Zone anschließt. Die entsprechenden dualen Halbleiterbauelemente, die in jeder Beziehung identisch zu einem der gezeigten Halbleiterbauelemente sind, bei denen aber alle Zonen vom entgegengesetzten Leitungstyp sind, können in ähnlicher Weise betrieben werden, doch erscheinen die Strom-Spannungs-Charakteristiken (F i g. 5) um 180° verdreht. Das gilt auch für die im folgenden beschriebenen Halbleiterbauelemente.

Die dualen Halbleiterbauelemente könne auf ähnliche Art hergestellt werden, wobei jedoch von einem P-leitenden Material ausgegangen wird, welches dann die mittlere P-leitende Zone darstellt. Die inneren N-leitenden Zonen werden dann unter Verwendung von Fremdatomen des N-Typs, z. B. Phosphor, an den

beiden benachbarten Seiten der P-leitenden Zone so angebracht, wie es oben bezüglich der Zonen 12 und 13 des Halbleiterbauelementes 10 nach den F i g. 1, 2 und 3 beschrieben ist. Schließlich werden die P-Ieitenden äußeren Zonen und eine geeignete P-leitende Steuerzone, z. B. mit Hilfe von Bor, eindiffundiert und die Elektroden in bekannter Weise angebracht.

Ein Beispiel für ein duales Halbleiterbauelement wird nun an Hand der F i g. 11 beschrieben. Hier besteht der ursprüngliche Halbleiterkörper 46 aus P-leitendem Material, das die mittlere P-leitende Zone 47 bildet. Die N-leitenden Zonen 48 und 49 werden unter Verwendung von z. B. phosphorhaltigen Fremdatomen eindiffundiert. Die P-leitende Steuerzone 50, die P-leitende äußere Zone 51, die hier ringförmig ist, und die P-leitende äußere Zone 52 können z. B. unter Verwendung von Bor eindiffundiert werden. Die P-leitende Zone 51 umgibt die Steuerzone 50 ringförmig. Dadurch überdeckt je ein Teil der P-leitenden Zone 51 und der Steuerzone 50 sowohl einen Teil des an die Oberfläche tretenden Teils der N-leitenden Zone 48 als auch einen Teil der P-leitenden Zone 52. Die Elektroden weiden in bekannter Weise angebracht. In diesem Ausführungsbeispiel ist die eine gemeinsame Elektrode 53 mit der P-leitendert Zone 52 und der N-leitenden Zone 48 und die andere gemeinsame Elektrode 54 mit der P-leitenden Zone 51 und der N-leitenden Zone 49 verbunden. Außerdem ist die Hauptelektrode 54 ringförmig und erstreckt sich an dem der Steuerzore 50 entfernten Ende über einen an die Oberfläche üetenden Teil der N-leitenden Zone 49. Zur Steuerung dient die an die Steuerzone 50 angebrachte Steuerelektrode 55. Die Hauptanschlüsse 1 und 2 sind an den Elektroden 54 und 53 und der Steueranschluß 3 an der Steuerelektrode 50, 55 angeschlossen.

Auch bei diesem Halbleiterbauelement 46 sind Überdeckungen und Strompfade ausgebildet, die denen des Halbleiterbauelementes 35 nach der F i g. 9 entsprechen. Der Betriebsmechanismus dieser beiden Halbleiterbauelemente ist ähnlich, wenn man sich vorstellt, daß die N- und P-leitenden Zonen des Halbleiterbauelementes nach der F i g. 9 durch Zonen entgegengesetzten Leitungstyps ersetzt sind. Beide Halbleiterbauelemente können mit einem positiven oder negativen Steuerstrom durchgeschaltet werden, wobei der Anschluß 1 gegenüber dem Anschluß 2 positiv oder negativ sein kann.

Zur Vergrößerung der Leistung in bezug auf den Stromfluß muß bei dem beschriebenen Halbleiterbauelement entweder der Halbleiterkörper vergrößert werden, oder es müssen zusätzliche, geeignet angebrachte, äußere Zonen eingelassen werden, wie es bei dem Halbleiterbauelement 56 nach der F i g. 12 der Fall ist, das eine Weiterbildung des an Hand der F i g. 10 beschriebenen Halbleiterbauelementes 46 ist und auch in gleicher Weise arbeitet. Dieses Ausführungsbeispiel kann mit einer negativen oder positiven Steuerspannung bezüglich dem Hauptanschluß 1 durchgeschaltet werden, wobei der Hauptanschluß 1 negativ oder positiv gegenüber dem Hauptanschluß 2 sein kann.

In dem in der F i g. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel enthält der Halbleiterkörper 56 eine mittlere N-leitende Zone 57 und an deren Seiten zwei P-leitende innere Zonen 58 und 59.

Äußere, N-leitende Teilzonen 60 sind in einen Teil der P-leitenden Zone 59 eingelassen und von dieser durch gleichrichtende Übergänge getrennt. Für einen Stromfluß in entgegengesetzter Richtung sind drei N-leitende Teilzonen 61 in einen Teil der P-leitenden Zone 58 eingelassen, so daß gleichrichtende Übergänge entstehen. Die N-leitenden Teilzonen 61 weisen einen Abstand voneinander auf, so daß Teile der P-leitenden Zone 58 an die Oberfläche treten. Die Teilzonen 60 und 61 sind so angebracht, daß jede Teilzone 60 über je einem Teil von zwei Teilzonen 61 und über einem

ίο an die Oberfläche tretenden Teil der P-leitenden Zone

58 liegt. Diese Anordnung erleichtert das Durchschalten des Halbleiterbauelementes über den gesamten Halbleiterkörper 56.

Auf den Oberflächen des Halbleiterkörpers 56 sind ohmsche Hauptelektroden 62 und 63 angebracht. Die Hauptelektrode 62 bedeckt alle äußeren N-leitenden Teilzonen 61 und die an die Oberfläche tretenden Teile der benachbarten P-leitenden Zone 58 und schließt damit die Übergänge zwischen diesen Zonen kurz.

Die Hauptelektrode 63 erstreckt sich über beide äußere N-leitende Zonen 60, den dazwischenliegenden, an die Oberfläche tretenden, Teile der P-leitenden Zone

59 und einen weiteren an die Oberfläche tretenden Teil der Zone 59 (F i g. 12). Die Hauptelektroden 62 und 63 sind mit den Hauptanschlüssen 2 und 1 versehen. .

Zur Steuerung dient die N-leitende Steuerzone 64, die zwischen einer N-leitenden Zone 60 und dem Rand des Halbleiterkörpers 56 in die P-leitende Zone 59 eingelassen ist. Sie ist mit einer ohmschen Steuerelektrode 65 kontaktiert, die elektrisch mit dem Steueranschluß 3 verbunden ist. Die Steuerelektrode 65 bedeckt auch einen Teil der P-leitenden Zone 59, und zwar an derjenigen Seite der Steuerzone 64, welche von dem die P-leitende Zone 59 berührenden Teil der Elektrode 63 abgewandt ist. Der Zweck des großen Abstandes zwischen diesen beiden Kontaktierungen an der P-leitenden Zone 59 ist der, das dadurch ein relativ hoher Widerstand zwischen den Anschlüssen 1 und 3 besteht, der einen elektrischen Kurzschluß zwischen ihnen verhindert. Der Pfad von der Steuerelektrode 65 durch die P-leitende Zone 59 unterhalb der äußeren, N-leitenden Steuerzone 64 und unterhalb der äußeren N-leitenden Teilzonen 60 bis zur Hauptelektrode 63 ist weit genug, um einen hohen Widerstand zu garantieren.

Der rechts von der Schnittlinie 10-10 liegende Teil des Halbleiterbauelements (F i g. 12) ist für alle praktischen Zwecke identisch mit dem Halbleiterbauelement nach der F i g. 10 und auch der Einschaltmechanismus ist bei beiden Halbleiterbauelementen gleich.

Eine Weiterbildung des Halbleiterbauelementes nach der F i g. 12, welche eine kleinere Steuerzone ermöglicht, ist in der F i g. 13 als Halbleiterbauelement 86 gezeigt. Der einzige Unterschied besteht in der Ausbildung der Steuerzone und der Steuerelektrode. Die Steuerzone 66 ist hier eine sehr stark N-leitende Zone. Ein Teil des Übergangs zwischen der Steuerzone 66 und einem Teil 67 der P-leitenden Zone 59 aus sehr stark leitendem Material ist als Tunnelübergang ausgebildet. Diese Teile der Zone brauchen nicht entartet zu sein, sondern können die gleichen Eigenschaften wie bei einer Rückwärts-Diode (backward diode) aufweisen. Die Steuenon2 66 ist mit einer ohmschen Elektrode 68 versehen. Die Betriebsweise des Halbleiterbauelementes ist die gleiche wie beim Halbleiterbauelement nach der F i g. 12.

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Weitere nützliche Ausführungsbeispiele erhält man, wenn man auf die Steuerzone eines der beschriebenen Halbleiterbauelemente eine Diode oder ein anderes Element mit negativem Widerstand aufsetzt. Das kann dadurch geschehen, daß man die Diode zu einem Teil des Halbleiterkörpers macht oder daß man einen getrennten Halbleiterkörper für die Diode anfertigt und diese dann mit der Steuerzone kontaktiert. Beispiele für solche Halbleiterbauelemente sind in den F i g. 14, 15, 16 und 17 gezeigt.

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

Die in zwei Richtungen leitfähige Diode 69 ist aus der obenerwähnten DT-AS 11 54 872 bekannt. Sie besteht aus einem Halbleiterkörper mit fünf Zonen, und zwar aus einer mittleren N-leitenden Zone 70, zwei benachbarten inneren P-leitenden Zonen 71 und 72 und zwei N-leitenden äußeren Zonen 73 und 74, die in die P-leitenden Zonen 71 und 72 eingelassen und von diesen durch PN-Übergänge getrennt sind. Beide N-leitenden Zonen 73 und 74 lassen je einen Teil der P-leitenden Zonen 71 bzw. 72 an die Oberfläche des Halbleiterkörpers 69 treten und haben mit diesem die Steuerelektrode 65 bzw. eine am Steueranschluß 3 befestigte Elektrode 75 gemeinsam.

Durch Anschluß der in zwei Richtungen leitenden Diode 69 an die Steuerzone des Halbleiterbauelementes der F i g. 9 wird ein Halbleiterbauelement geschaffen, welches in zwei Richtungen durchgeschaltet werden kann, wenn die Steuer spannung gleich oder etwas größer als die Durchbruchspannung der Diode 69 ist (F i g. 15).

Eine andersartige Diode 76 ist in der F i g. 16 in Verbindung mit dem Halbleiterbauelement 35 nach der F i g. 9 gezeigt. Die Diode 76 ist auf die Steuerelektrode 45 bzw. ohmisch auf die Steuerzone 44 aufgesetzt und besteht aus einer bekannten Vierzonendiode, die eine P-leitende Zone 77, die N-leitende Zone 78, eine P-leitende Zone 79 und eine N-leitende Zone 80 enthält, die elektrisch mit einer Elektrode 81 verbunden ist. Bei negativen Steuerspannungen bezüglich der Elektrode 1 ergibt sich ein Verhalten, wie es beim Durchschalten derartiger PNPN-Dioden üblich ist.

Eine weitere Möglichkeit, ein Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand in den Steuerkreis eines in zwei Richtungen Steuer- und schaltbaren Halbleiterbauelementes mit drei Anschlüssen einzufügen, zeigt die F i g. 17. Ausgehend von dem Halbleiterbauelement nach der F i g. 9 ohne die Steuerelektrode 45 wird ein Steueranschluß 82 aus Aluminium in die Steuerzone 44 eingeschmolzen. Dadurch entsteht in der N-leitenden Steuerzone 44 eine P-leitende Zone 83 und dazwischen ein PN-Übergang J₆. Man erhält also im Steuerkreis einen PNP-Lawinentransistor, der die P-leitende Zone 83, die N-leitende Steuerzone 44 und die P-leitende Zone 38 enthält. Bei positiver Spannung der Steuerzone wird der PN-Übergang J₅ beim Erreichen der Durchbruchsspannung leitend. Es werden dann Löcher durch dsn PN-Übergang J₆ injiziert und am PN-Übergang J₅ gesammelt. Das gleiche würde man erhalten, wenn man beim Halbleiterbauelement nach der F i g. 1 einen Lawinentransistor im Steuerkreis einfügen würde. Bei negativer Spannung am Steueranschluß ist J₅ in Vorwärtsrichtung und /₆ in Sperr-Richtung vorgespannt. Wenn die Durchbruchspannung von J_e erreicht ist, dann wird J₅ noch mehr vorgespannt, und das Element verhält sich wie eine Zener-Diode, die mit der Steuerzone nach der F i g. 9 in Serie liegt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. In zwei Richtungen schaltbares Halbleiterbauelement mit einem aus mindestens fünf Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps bestehenden Halbleiterkörper und mit je einer gemeinsamen ohmschen Hauptelektrode an einer äußeren und einem an die Oberfläche tretenden Teil der benachbarten inneren Zone an zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers und mit einer Steuerelektrode, dadurch gekennzei c h net, daß die einzige Steuerelektrode (18) an einer einer äußeren Zone (14) benachbarten inneren Zone (13) angebracht ist, daß die senkrechte Projektion jeder äußeren Zone (14; 17, 20) auf die gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers (10) die an diese Oberfläche angrenzende Zone (17, 20; 14) und. die an diese Oberfläche tretenden Teile (21) der benachbarten inneren Zone (12; 13) mindestens teilweise überdeckt und daß die Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode und einer der Hauptelektroden zugeführt wird.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine äußere Zone aus zwei Teilzonen (17, 20) vom gleichen Leitungstyp gebildet ist und daß die diese kontaktierende Hauptelektrode (15) den zwischen den zwei Teilzonen (17, 20) an die Oberfläche tretenden Teil (21) der angrenzenden inneren Zone (12) bedeckt (F i g. 1 bis 4).

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine äußere Zone (51) ringförmig ist (F i g. 11).

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die andere äußere Zone aus mindestens drei Teilzonen (61) vom gleichen Leitungstyp gebildet ist und daß die diese kontaktierende Hauptelektrode (62) die zwischen den Teilzonen (61) an die Oberfläche tretenden Teile der angrenzenden inneren Zone (58) bedeckt (F i g. 12 bis 14).

5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Projektion einer äußeren Zone (30) oder einer äußeren Teilzone (17; 40) auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers (10, 25) die Steuerelektrode (18; 33, 34; 44, 45) überdeckt (F i g. 1 bis 4, 6 bis 10).

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (18; 64, 65) entfernt von derjenigen Stelle angebracht ist, an der die von ihr kontaktierte innere Zone (13; 59) mit der ihr benachbarten äußeren Zone (14) oder mit den ihr benachbarten äußeren . Teilzonen (60) durch die Hauptelektrode (16; 63) kurzgeschlossen ist (F i g. 1 bis 4, 12).

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (33, 34) nahe derjenigen Stelle angebracht ist, an der die von ihr kontaktierte innere Zone (28) mit der ihr benachbarten äußeren Zone (29) durch die Hauptelektrode (32) kurzgeschlossen ist (F i g. 6 bis 8).

8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 2, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (18) als ohmsche Kontaktelektrode an derjenigen inneren Zone (13) angebracht ist, der die aus nur einer Teilzone bestehende äußere Zone (14) benachbart ist (F i g. 1 bis 4).

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit dem Steuerkontakt (34) ohmisch verbundene Steuerzone (33) vom entgegengesetzten Leitungstyp in die innere Zone (28) eingelassen ist, so daß die Steuerelektrode (33, 34) mit der inneren Zone (28) einen PN-Übergang bildet (F i g. 6).

10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein an die Oberfläche des Halbleiterkörpers (35) tretender Teil des PN-Übergangs (J₅) zwischen der inneren Zone (38) und der Steuerzone (44) durch den diesen beiden Zonen (38, 44) gemeinsamen Steuerkontakt (45) an einer Stelle kurzgeschlossen ist, die von der Stelle, an der ein Teil des PN-Übergangs (J₄) zwischen der inneren Zone (38) und der ihr benachbarten äußeren Zone (39) durch die Hauptelektrode (43) kurzgeschlossen ist, einen Abstand besitzt (F i g. 10).

11. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (64, 65) an derjenigen inneren Zone (59) des Halbleiterkörpers (56) angebracht ist, die der aus zwei Teilzonen bestehenden äußeren Zone (60) benachbart ist (F ig. 12).

12. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 2, 5, 6, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (44, 45) an derjenigen inneren Zone (38) angebracht ist, die aus nur einer Teilzone bestehende äußere Zone (39) benachbart ist (F i g. 9,10).

13. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Steuerelektrode (65; 45) der Halbleiterkörper (69; 76) eines weiteren Halbleiterbauelementes angebracht ist, wobei die Steuerelektrode (65; 45) die eine Elektrode dieses weiteren Halbleiterbauelementes bildet und die andere Elektrode (75, 81) dieses weiteren Halbleiterbauelementes mit dem Steueranschluß (3) verbunden ist (F i g. 14 bis 16).

14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Halbleiterbauelement eine Mehrzonendiode ist (F i g. 14 bis 16).

15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Halbleiterbauelement eine Vierzonendiode ist, deren Zonen (77 bis 80) abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen (F i g. 16).

16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (69) des weiteren Halbleiterbauelements fünf Zonen (70 bis 74) von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp aufweist, wobei die beiden äußeren Zonen (73,74) in die angrenzenden inneren Zonen (72, 71) eingelassen sind und mit diesen ohmsche Kontaktelektroden (65, 75 bzw. 45, 75) gemeinsam haben (F i g. 14 bis 15).

17. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß in die innere Zone (38) des einen Leitungstyps die Steuerzone (44) des entgegengesetzten Leitungs-

typs unter Bildung eines ersten PN-Üb;rrangs (J₆) eingelassen ist und die Steuerelektrode (82) unter Bildung eines zweiten PN-Übergangs (J₆) in die Steuerzone (44) einlegiert ist (F i g. 17).

18. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzone (66) einen Tunnel-PN-Übergang (67) zur benachbarten inneren Zone (51) aufweist (F i g. 13).

19. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 3, 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (50, 55) an derjenigen inneren Zone (49) angebracht ist, die der ringförmigen äußeren Zone (51) benachbart ist (F i g. 11).

20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (50, 55) in dem durch die ringförmige äußere Zone (51) an die Oberfläche des Halbleiterkörpers (46) tretenden Teil der inneren Zone (49) angebracht ist (F i g. 11).