DE3011484A1

DE3011484A1 - Optisch steuerbarer, mit statischer induktion arbeitender thyristor

Info

Publication number: DE3011484A1
Application number: DE19803011484
Authority: DE
Inventors: Junichi Nishizawa
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-03-26
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1980-10-09
Also published as: JPS643069B2; JPS55128870A; CA1148275A; DE3011484C2; US4975755A; US4816891A

Description

HOFFMANN · EITLE & FÄRTNEß 3 0 1 H 8

PAT E N TAN WALTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DlPL-ING. W.EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · Dl PL.-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K. FOCHSlE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELIASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-8000 MD NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 . TELEX 05-29619 (PATH E)

_ 5 _ 33 236

Handotai Kenkyu Shinkokai, Sendai-shi, Miyagi / Japan

Optisch steuerbarer, mit statischer Induktion arbeitender Thyristor

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die zumindest einen mit statischer Induktion arbeitenden Thyristor enthält, der ein lichtempfindliches Steuerelement aufweist, das mit einer Steuerelektrode des Thyristors verbunden ist.

Ein üblicher Thyristor, der im wesentlichen aus einem Vierschichtaufbau pnpn besteht, weist den Nachteil auf, daß es schwierig ist, einen Äbschaltvorgang nur durch Steuerung der Gateelektrodenspannung durchzuführen und daß, selbst wenn der Abschaltvorgang nur durch die Steuerelektrodenspannung vorgenommen wird, seine Geschwindigkeit sehr niedrig ist. Im

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Gegensatz hierzu weist ein mit statischer Induktion arbeitender Thyristor (der anschließend mit SIT) bezeichnet wird, und der im wesentlichen aus einer mit Steuerelektrode versehenen Diodenanordnung besteht, das heißt, einem Anodenbereich, einem Kathodenbereich und einer entweder in den Anoden- oder Kathodenbereich eingefügten Steuerelektrode, die Merkmale auf, daß eine Abschaltung durch die Steuerelektrodenspannung leicht möglich und die Abschaltzeit kurz ist.

Typische bauliche Ausführungsbeispiele des üblichen,mit einer Oberflächen-Steuerelektrode ausgestatteten SIT sind in den Figuren 1A bis 1E dargestellt.

Die Figuren 1A und 1B zeigen Schnittansichten eines SIT mit einer Oberflächen-Gateanordnung und Figur 1C zeigt einen Schnitt eines SIT mit einer eingebetteten Gateanordnung. In diesen Figuren stellen die ρ Bereiche 11 und 14 jeweils einen Anodenbereich und einen Gatebereich dar. Ein η Bereich 13 bildet einen Kathodenbereich. Ein n~ Bereich 12 stellt einen Bereich zur Bildung eines Kanals dar. Ferner sind eine Anode 11', eine Kathode 13¹ und eine Gateelektrode 14' vorgesehen, die jeweils aus einer Schicht aus Al, Mo, W, Au oder anderen Metallen, oder aus niedrig ohmigem Polysilicium oder einer daraus zusammengesetzten Schichtung bestehen können. Eine Isolierschicht 15 besteht aus SiO₂, Si₃N₄, Al₃O₃ , AlN oder einem ähnlichen Material oder einem Gemisch dieser Stoffe bzw. einer daraus gebildeten zusammengesetzten Schichtung. Ein η Bereich 16 weist eine verhältnismäßig hohe Dotierungsdichte und geringe Dicke auf.

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Der π Bereich 16 soll die Iöcherinjektion gegenüber der Anode begrenzen.

In der Figur 1d stellen ein ρ Bereich 21 und ein i Bereich 22 jeweils einen Anodenbereich und einen Kanalbereich dar_T während die η Bereiche 23 und ein η Bereich 21 jeweils Kathodenbereiche und Bereiche zur Beschränkung der Löcherinjektion aus einem η Bereich 2 7 bilden, ρ Bereiche 2 8 erstrecken sich vertikal zur Zeichenebene und reichen in geeigneter Stellung -.an die Oberfläche des Halbleiterblättchens (wafer) heran, so daß sie über Elektroden,beispielsweise mit dem Kathodenbereich verbunden werden können. Die vorausgehend erwähnte Isolierschicht ist mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet. Die vorausgehend erwähnte Anode, Kathode und isolierende Gateelektrode sind jeweils mit 21', 23' und 24 bezeichnet.

Beispielsweise weist der ρ Gatebereich 14 in den Figuren 1A bis 1C im Grundriß Streifen- oder Gitterform auf.

Der Abstand zwischen den benachbarten ρ Gatebereichen 14 und die Störstellendichte, beispielsweise dem" Bereiche (in Nachbarschaft des ρ Gatebereichs) ist derart bemessen, daß bei Zuführung einer vorgegebenen negativen Spannung zumindest an den ρ Gatebereichen, der n~ Bereich zwischen dem ρ Gatebereich 14 völlig ladungsträgerfrei wird und sich eine hohe Potential-Sperrschicht in einer Vorderseite der Kathode bildet. Dabei ist die Anordnung derart ausgeführt, daß selbst beim Anlegen der maximalen Blockierspannung in Durchlaßrichtung die ladungsträgerfreie Schicht,die vom

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ρ Gatebereich 14 ausgeht, den Anodenbereich nicht erreicht, so daß ein neutraler Bereich vorgegebener Stärke in dem n~ Bereich oder η Bereich 16 vor dem Anodenbereich bleibt.

Die Betriebsweise eines derart aufgebauten SIT und die Abmessungen und Störstellendichten seiner jeweiligen Bereiche werden im einzelnen in der japanischen Patentanmeldung 54-8366 der Anmelderin beschrieben.

Da in dem SIT das Schalten zwischen leitendem und nichtleitendem Zustand durch Steuern der Potentialverteilung in der Nachbarschaft der Kathode mittels der Gatespannung erfolgt, macht es keine Schwierigkeiten, den Gleichstrom mit hoher Geschwindigkeit abzuschalten. In der Anordnung nach Figur 1A ist es möglich, einen SIT vorzusehen, dessen Blockierspannung in Vorwärtsrichtung im wesentlichen von der gleichen Größenordnung wie die Durchbruchspannung in Sperrrichtung ist Andererseits kann in der Anordnung gemäß den Figuren iB_r 1C oder 1D die gleiche Blockierspannung in Durchlaßrichtung wie beim SIT nach Fig. 1A erreicht werden, indem ein Halbleiterelement verwendet wird, dessen Stärke im wesentlichen die Hälfte der Stärke des Halbleiterelements nach Figur 1A aufweist. Ferner ist die Arbeitsgeschwindigkeit hoch und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung klein, was von Vorteil ist. Jedoch ist die Durchbruchspannung in Sperrichtung niedrig. Daher ist es bei der Verwendung eines SIT mit einem Aufbau nach Figur 1B, 1C oder 1D in einer Anordnung, die eine hohe Durchbruchspannung in Sperrichtung benötigt, üblich,eine Schottkydiode oder dergleichen in Reihe damit vorzusehen.

Zur Verbesserung des Temperaturverhaltens des SIT kann es angebracht sein, eine Anordnung mit entgegengesetztem

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Leitungstyp zu verwenden. Diese Anordnung kann erhalten werden, indem im wesentlichen regelmäßig und selektiv der ρ Anodenbereich 11 oder 21 in einen η Bereich geändert wird und diese Bereiche mittels Elektroden verbunden werden. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung ist in Figur 1E dargestellt. Gemäß 1E wird der Widerstand der Abschnitte des η Bereichs 16,die parallel zur Anodenoberfläche und benachbart den η Bereichen 20 verlaufen, derart gewählt, daß im wesentlichen kein Spannungsabfall vorhanden

ist, wenn thermische Elektronen im i Bereich 12 mit hohem Widerstand hineinfließen.

Figuren 2A und 2B zeigen jeweils die Schaltsymbole des Sperrschicht-SIT und des Isolierschicht-SIT. Wie ersichtlich, weist jeder SIT eine Diode in der Drainelektrodenseite auf.

Die Figuren 3A und 3B zeigen jeweils typische Anordnungen üblicher lichtempfindlicher Halbleiterelemente, wobei Figur 3A einen Fotoleiter und Figur 3B einen Fototransistor darstellt.

Gemäß Figur 3A wird ein i Bereich 32 mit sehr hohem Widerstand, der als Isolator angesehen werden kann, auf einem η Bereich 31 gebildet. An den beiden Seiten sind jeweils Ohmsche Elektroden 31" und 32' angeordnet. Die Elektroden bestehen bei diesem Ausführungsbeispiel aus In~ O₂ oder SnO wobei es sich um einen transparenten Werkstoff handelt. Ein niedrigohmiges Poiysiiicium kann ebenfalls für die Elektroden verwendet werden. Falls die Elektrode 32'nicht unmittelbar aufgebracht wird, kann es zweckmäßig sein, einen

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dünnen Oberflächenabschnitt des i Bereichs 32 in einen η Bereich umzuwandeln und die
kann darauf angeordnet werden.

η Bereich umzuwandeln und die transparente Elektrode 32'

Wird die Anordnung beleuchtet, so entstehen Elektronen-Iöcher-Paare im i Bereich 32 und ein elektrischer Strom fließt. Ist in Figur 3A die Elektrode 32' eine Schottky--Elektrode, so kann die Anordnung als Schottky-Diode arbeiten, die auf einfallendes Licht L anspricht, wobei die Spannungszufuhr derart ist, daß das Potential an der Schottky-Elektrodenseite geringer als an der Ohmschen Elektrode 31' ist.

Figur 3B, die den Fototransistor darstellt, zeigt jeweils einen η Bereich 44, einen ρ Bereich 43, einen η Bereich 42 und einen η Bereich 41, die jeweils einen Emitterbereich, einen Basisbereich, eine hochohmige Schicht und einen Kollektorbereich bilden. Der Fototransistor weist transparente Elektroden 41' und 44' auf, von denen die eine eine Kollektorelektrode und die andere eine Emitterelektrode bildet. Der η Bereich 44 und der ρ Bereich 43 sind so dünn wie bei einem gewöhnlichen bipolarem Transistor.

Der größte Teil des einfallenden Lichts wird durch den n~ Bereich 42 absorbiert. Wird eine positive Spannung der Kollektorelektrode 41' zugeführt, so strömen die durch das Licht angeregten Elektroden i;
werden von diesem absorbiert.

Licht angeregten Elektroden in den η Kollektorbereich und

Andererseits fließen Löcher in den ρ Basisbereich, der einen gleitenden Bereich bildet und sammeln sich dort an.

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Bei einer starken Ansammlung von Löchern wird der ρ Basisbereich 43 positiv aufgeladen und somit wird sein Sperrschichtpotential bezüglich Elektronen im Basisbereich erniedrigt, wodurch Elektronen vom Emitterbereich zum Basisbereich strömen, von dem sie in den Kollektorbereich übertreten. Anders ausgedrückt, der Fototransistor wird bei Lichteinfall leitend.

Figur 3B zeigt einen Thyristor, wobei ein η Bereich 55 und ein ρ Bereich 51 jeweils einen Kathodenbereich und einen Anodenbereich bilden. Eine transparente Elektrode 55" ist auf dem Kathodenbereich 55 angeordnet und eine Anodenelektrode 51' ist auf dem Anodenbereich 51 vorgesehen.

Wird .eine positive Spannung der Anode 51' zugeführt und wird letztere mit Licht L beleuchtet, so strömen die durch Licht angeregten Elektronen und Löcher in einem i Bereich jeweils in einen η Bereich 52 und in einen ρ Bereich 5 4 hinein. Der η Bereich 52 wird somit negativ aufgeladen und der ρ Bereich 54 wird positiv aufgeladen. Infolgedessen werden die Sperrschichtpotentiale gegenüber jeweils dem Kathodenbereich und dem Anodenbereich erniedrigt und die Elektronen und Löcher werden jeweils von den Kathoden- und Anodenbereich injiziert, wodurch der Thyristor leitend wird.

Da der Thyristor gemäß Fig. 3C einen Verstärkungsmechanismus für eine Ladungsträgerinjektion an seinen beiden Seiten aufweist, ist seine Lichtempfindlichkeit sehr hoch.

Figur 3D stellt eine ρ -j-n Fotodiode dar, die eine transparente Elektrode 63" und eine Elektrode 61' aufweist, welcher eine positive Spannung zugeführt wird.

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Bei jeder der Anordnungen gemäß den Figuren 1A bis 1D wird der größte Teil des Lichts im i Bereich oder n~ Bereich absorbiert, um darin Elektrorfen-Löcher-Paare zu erzeugen. Wird daher in einem derartigen Bereich die elektrische Feldstärke derart gewählt, daß sie geringfügig niedriger als die Durchbruchs feldstärke ist, so kann infolge des Durchbruchs-Multiplikationsvorgangs eine große Ladungsträgermenge erzeugt werden. Die Empfindlichkeit kann deshalb weiterhin verbessert werden. Wie ersichtlich, verschwindet der Durchbruchs-MultiplikationsVorgang bei Erniedrigung der Spannung zwischen der Elektrode, selbst wenn sich die Anordnung in einem leitenden Zustand befindet. Die Anordnungen gemäß den Figuren 3A bis 3D sind lediglich beispielsweise angegeben und stellen einfache Ausführungen dar, die viele Abänderungen erfahren können.

Die Stärke der hochohmigen Bereiche 32, 42, 53 und 62 in den fotoelektronischen Anordnungen gemäß den Figuren 3A bis 3D sollte im Hinblick auf den höchsten Wirkungsgrad im wesentlichen in der Größenordnung der Lichteindringtiefen liegen. Ein anderes Ausführungsbeispiel einer fotoelektronischen Anordnung kann aus einer Fotozellenanordnung bestehen.

Der SIT und die fotoelektronischen Halbleiteranordnungen wurden vorausgehend beschrieben. Obgleich der SIT eine große Betriebsspannung und einen großen Betriebsstrom, sowie eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweist, macht es Schwierigkeiten, einen einzigen SIT für die Beherrschung einer großen elektrischen Leistung, wie beispielsweise einer Gleichstromleistungsübertragung zu verwenden. Die Durchbruchspannung eines einzelnen SIT wird durch die Stärke des n~ Bereichs

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oder i Bereichs 12 in den Figuren 1A bis 1B bestimmt, da die elektrische Feldstärke zumindest in dünnen Bereichen schwächer als die Feldstärke.sein muß, bei welchem der Lawinendurchschlag beginnt. Diese Feldstärke kann etwa bei Si 200 kV/cm sein. Ferner soll die Stärke des Bereichs 12 gleichgroß wie oder kleiner als die Diffusionstiefe der Elektronen und/oder Löcher sein. Jedoch wird die maximale Blockierspannung in Durchlaßrichtung des SIT im wesentlichen von dem verwendeten Halbleiterwerkstoff bestimmt. Wird beispielsweise Si verwendet, so kann diese Spannung etwa 5000 bis 10.000 V betragen. Es ist deshalb notwendig, eine Mehrzahl von SITs miteinander zu verbinden, von denen jeder einen Strom von beispielsweise 1,000 Ampere in leitendem Zustand führen kann und der eine Blockierspannun^ in Durchlaßrichtung von beispielsweise'5,000 oder 10,000 V aufweist, und zwar in Reihenschaltung, um eine ausreichende Durchbruchsspannung zu erzielen, wobei eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten SITs parallel zueinander liegen, damit eine ausreichende Stromgröße erhalten wird. In diesem Falle wird es jedoch verhältnismäßig schwierig, die Thyristorreihenanordnung zwischen Leitung und Nichtleitung unter Verwendung eines elektrischen Signals zu steuern. Deshalb wird eine optische Steuerung vorgeschlagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optisch steuerbaren, mit statischer Induktion arbeitenden Thyristor zu schaffen, der leicht in Reihe oder parallel geschaltet werden kann, um seine Anwendung bei hohen Leistungen zu erleichtern.

Die Erfindung wird anschließend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungebeispielen erläutert.

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Es zeigen:

Fig. 1A bis 1E Querschnitte eines mit statischer Induktion

arbeitenden Thyristors,

Fig. 2A und 2B Schaltsymbole der mit statischer Induktion

arbeitenden Thyristoren,

Fig. 3A bis 3D Querschnitte eines fotoleitenden Elements,

eines Fototransistors, eines Fotothyristors und einer Fotodiode,

Fig. 4A bis 4E SIT-Schaltungen,von denen jede eine Gateelektrode aufweist, die mit einem fotoelektronischen Halbleiter verbunden ist und die jeweils ein Ausführungsbeispiel bilden,

Fig. 5A bis 5B weitere Ausführungsformen von SIT-Schal-

tungen nach den Figuren 4A bis 4E und

Fig. 6 bis 8 jeweils weitere Jiusführungs formen.

In den Figuren 4A und 4B ist jeweils ein fotoelektronisches Halbleiterelement B vorgesehen, welches ein beliebiger fotoempfindlicher Halbleiter gemäß den Figuren 3A und 3D ist und welches mit einer Steuerelektrode eines mit statischer Induktion arbeitenden Thyristors Q verbunden ist, der einer der SITs gemäß den Figuren 1A bis 1E sein kann.

Eine Vorspannungsquelle Vg liegt in Reihe mit dem Halbleiterelement D und die Spannung von Vg sollte im Einklang mit dem

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zugeordnetem SIT gewählt werden. Ist beispielsweise der gewählte SIT zur Blockierung einer Durchlaßspannung von 5,000 V bei einer Sperrvorspannung von - 30 V geeignet, so sollte die Spannung von Vg in der Größenordnung von - 30 V sein.

Da das fotoelektronische Element D bei Beleuchtung mit dem Licht L leitet, wird der Gateelektrode des SITQ eine Spannung - Vg zugeführt, wodurch letzterer nichtleitend wird. Bei Ende der Beleuchtung wird das fotoelektronische Element D nichtleitend. Wird dabei eine statische Kapazität des Elements D ausreichend kleiner als die Kapazität zwischen Gateelektrode und Sourceelektorde des SIT gewählt, so wird im wesentlichen keine Spannung der Gateelektrode des SIT zugeführt. Der SIT schaltet somit in seinen leitenden Zustand um. Gewöhnlich ist die Größe des Elements D klein im Vergleich zum SIT und die statische Kapazität des Elements D im nichtleitenden Zustand ist sehr gering verglichen mit jener der Gateelektrode des SIT.

Gemäß Figur 4B ist das fotoelektronische Element D parallel zur Gate-Source-Strecke des SIT geschaltet.

Ohne Lichteinfall liegt eine Spannung - V an der Gateelektrode des SIT und letzter ist in seinem nichtleitendem Zustand. Andererseits wird bei Lichteinfall das Element D leitend und das Potential an der Gateelektrode wird daher im wesentlichen gleich groß wie jenes an der Sourceelektrode des SIT _; daher gelangt letzterer in den leitenden Zustand. Der Widerstand des Elements D im leitenden Zustand wird ausreichend klein gewählt im Vergleich zu einem Widerstand R , der parallel zur Vorspannungsquelle Vg liegt.

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Gemäß Figur 4c ist ein Paar fotoelektronischer Elemente D.. und D vorhanden, wovon eines in Reihe und das andere parallel zur Gateelektrode des SIT liegt. Die Lichteinfälle an den Elementen D. und D^ werden komplementär vorgenommen, das heißt, wird das Element D₁ beleuchtet, so ist das Element D_ nicht beleuchtet und umgekehrt. Daher wird das Element D₁ eingeschaltet, während das Element D„ ausgeschaltet ist, oder umgekehrt. Infolgedessen wird der Thyristor Q abgeschaltet, wenn das Element D₁ leitet und er wird eingeschaltet, wenn das Element D„ leitet. Gemäß Figur 4B ist eine zusätzliche Spannungsquelle Vg' in Reihe mit dem Element D₂ gemäß Figur 4C vorgesehen. Diese Schaltung ist wirkungsvoll, wenn der leitende Zustand des SIT deutlicher festgelegt ist, oder der SIT ein MOS-Bauelement ist. Ist der SIT ein Sperrschicht-Bauelement, so kann Vg¹ in der Größenordnung von 1 V sein. Ist SIT ein MOS-Bauelement, so kann die Spannungsquelle Vg¹ eine Spannung aufweisen, die sehr viel höher als 1 V ist.

Falls die Durchbruch -Sperrspannung des SIT nicht hoch wie bei einem SIT gemäß einer der Figuren 1A bis IB ist und die Durchbruchssperrspannung während der Betrieb der Schaltung vorhanden sein muß , so genügt es, eine Schottky-Diode oder Pin-Diode gemäß Figur 4E, die die gewünschte Durchbruch sperr spannung aufweist, in Reihe mit dem SIT zu schalten. Wird beispielsweise ein Umrichter für eine Gleichstromleistungsübertragung bei 1 MV unter Verwendung von SITs eingesetzt, wovon jeder eine maximale Blockierspannung in Durchlaßrichtung von 5,000 V aufweist, so ergibt sich eine Anzahl von mindestens 200 in Reihe geschalteter SITs. Die Figuren 5A und 5B zeigen Ausführungsbeispiele einer Reihenschaltung einer Anzahl von SITs, die entweder Sperrschichtoder MOS-Bauelernente sein können.

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Da die Gateelektroden dieser SITs optisch gesteuert werden, ist es einfach, alle SITs gleichzeitig synchron zu steuern. In diesem Fall kann die Beleuchtung unter Verwendung von Glasfaserkabeln erfolgen, so daß Licht gleichmäßig den jeweiligea fotoelektronischen Elementen der SIT-Schaltüngen zugeführt wird. Auf jeden Fall kann es möglich sein, da die Betriebsvorgänge der SITs nicht extrem hoch sind, eine ··' optisch ummantelte Faser zu verwenden, durch welche das Licht im Querschnitt derselben vergleichmäßigt werden kann, an Stelle einer bündeiförmigen Glasfaser, obgleich diese geeignet ist, um ein optisches Steuersignal den jeweiligen fotoelektronischen Elementen zuzuführen.

In Fig. 5B ist ferner ein Widerstand Ri parallel zu jedem SIT angeordnet. Die Widerstände Rn haben den gleichen Widerstand, das heißt, R₁ = R₂ ... = R = R ₊ ... Der Zweck einer Anordnung paralleler Widerstände R liegt darin, die den SITs zugeführte Spannung gleich grcß zu machen, wenn sich die SITs in nichtleitendem Zustand befinden. Der Widerstandswert des Widerstands Ri sollte so groß wie möglich sein, solange er kleiner als der Widerstand zwischen der Anode und der Kathode des im nichtleitenden Zustand befindlichen SITs ist. Beispielsweise kann ein Widerstand von einem M Sl verwendet werden, obgleich dieser Wert nicht kritisch ist.

Derartige Serienschaltungen von SITs sind in den Figuren 5A und 5B dargestellt, bei denen eine SIT-Schaltung nach Figur 4C verwendet wird und die ebenfalls für eine andere SIT-Schaltung gemäß Figur 4A, 4B, 4D oder 4E eingesetzt werden kann.

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Für Anwendungen mit stärkeren Strömen wird eine Mehrzahl von Reihenschaltungen von SITs gemäß Figur 5A - 5B parallel geschaltet.

Die SIT-Schaltung gemäß irgendeiner der Figuren 4A bis 4B kann ausgeführt werden, indem eine der Elektroden des SITs gemäß irgendeiner der Figuren 1A bis 1E transparent gemacht wird, so daß das auf die eine Oberfläche auffallende Licht den hochohmigen Bereich des SITs erreicht. Wird Si als ITaIbleiterwerkstoff für den SIT verwendet, so kann die erforderliche Lichteindringtiefe in der Größenordnung von 10 bis 30 um sein.Wird daher die in einer der Figuren 1A bis 1E dargestellte SIT-Anordnung in Verbindung mit einer transparenten Anode verwendet, so sollte die Dicke der ρ Bereiche 11 oder eine Summe der Dicke des p+ Bereichs 11 und des η Bereichs 16 (oder des ρ Bereichs 21 und des η Bereichs 27) so klein wie möglich und mindestens ausreichend kleiner als die Lichteindringtiefe sein. Beispielsweise kann es ratsam sein, die Dicke des ρ Bereichs etwa 5 um oder kleiner vorzusehen, die Störstellendichte etwa 1 χ 1019 cm oder größer, die Dicke des η Bereichs 16 etwa 1 um oder kleiner und die Storstellendichte etwa 1 χ 10'^b cm oder größer. Die Tiefe des Gatebereichs hängt von der Entfernung zwischen benachbarten Gatebereichen und der Störstellendichte des hochohmigen Bereichs"ab und beträgt gewöhnlich von mehreren um bis 20 um. Daher wird bei Verwendung einer transparenten Elektrode der SIT mit Licht steuerbar.

Ist es nicht möglich, den Widerstand der transparenten Elektrode aus In₂ O₃, SnO₂ oder niedrigohmigen Polysilicium zu verringern, so empfiehlt es sich, eine Metallelektrode, beispielsweise aus Aluminium in Form von Gittern oder Streifen

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in den gewünschten Positionen am SIT vorzusehen.

Die Betriebsweise des optisch steuerbaren SITs wird nun unter Verwendung der Anordnung nach Figur 1B beschrieben.

Wird die Anordnung nach Figur 1B mit Licht aus der transparenten Anode beleuchtet, so werden im i Bereich 12 Elektronen-Löcher-Paare erzeugt. Wird nun eine positive Spannung an die Anode angelegt, so können Elektronen in den η Bereich fließen und diesen Bereich negativ aufladen. Nach einem gewissen Anstieg der negativen Ladungsmenge im Bereich kann eine Lochinjektion aus dem Anodenbereich erfolgen. Somit strömen die durch optische Anregung erzeugten Löcher und die injizierten Löcher gegen die Gateelektrode und Kathodenseite. Ein großer Anteil der Löcher kann in den ρ Gatebereich fließen und ein Teil in den Kathodenbereich.

Bei Ansammlung von Löchern im ρ Gatebereich wird dieser negativ geladen, wodurch sich eine Erniedrigung der Sperrschicht für Elektronen ergibt, die an der Vorderseite der Kathode gebildet wird. Infolgedessen werden Elektronen aus der Kathode in diese Sperrschicht injiziert und sammeln sich an der Vorderseite der Anode, wodurch die Löcherinjektion von der Anode erhöht wird. Infolgedessen wird der SIT leitend.

Um den Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung des SIT im leitenden Zustand zu erniedrigen, reicht es aus, einen Widerstand gewünschter Größe Rgi zwischen die Gate-Source-Anordnung einzufügen. Der Wert des Widerstands Rgi wird derart bemessen, daß Rgi χ Ig etwa gleich der an der Gateelektrode

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angelegten Sperrvorspannung wird, wenn Ig den Gatestrom darstellt. Der Widerstand Rgi kann unter Verwendung von Polysilicium leicht vorgesehen werden.

Die obigen Ausführungen treffen ebenfalls für die Anordnungen der Figuren 1A und 1B bis 1E zu. Es ist jedoch ersichtlich, daß im Falle der Anordnung nach Figur 1C der Widerstand zwischen dem ρ Bereich und dem Kathodenbereich eingesetzt ist.

Figur 6A stellt eine weitere Ausführungsform des optisch steuerbaren SITs dar, durch welche der Gatestrom verringert werden kann, während der Hauptstrom erhöht werden kann, wobei Figur 6B eine equivalente Schaltung desselben angibt.

Gemäß Figur 6A ist eine Isolierschicht 17, beispielsweise aus SiO₂ oder Si₃N₄,unterhalb des ρ Gatebereichs 14 vorgesehen und ein Polysiliciumwiderst'and Rgi (der nicht dargestellt ist), wird in einer geeigneten Lage am Gate 14 vorgesehen und erstreckt sich vertikal zur Zeichenebene. Der mit dem Gatebereich zu verbindende Widerstand Rgi kann extern vorgesehen werden.

Figur 7 zeigt eine Abänderung der Ausführungsform nach Figur 6A,gemäß welcher die Sperrschicht in der Kathodenseite durch die Ansammlung von Ladungsträgern an Stelle der Verwendung des Widerstands Rgi verringert wird.

Die der Gateelektrode 14' zugeführte negative Spannung wird vollständig durch Löcher verdeckt, die in die Nachbarschaft des Gatebereichs fließen, womit die Sperrschicht an der

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Vorderseite der Kathode verschwindet, was zu einer abrupten Elektroneninjektion aus der Kathode führt. Der Mechanismus der Löcherinjektion aus der Anode ist der gleiche wie bei der Ausführungsform gemäß Figur 6A.

Gemäß den Figuren 6A und 7 sind die Elektroden 13' und 14' aus einem Werkstoff, wie beispielsweise niedrigohmigem Polysilicium, In₂ O₃, oder SnO₂/ so daß die Kathode mit Licht bestrahlt wird. Mit dieser Anordnung kann die Wärmesenke in der Anodenseite vorgesehen werden. Falls das Wärmesenkenproblem nicht bedeutungsvoll ist, kann die Anode, welcher Licht zugeführt wird, transparent gemacht werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es ferner möglich, beide Elektroden transparent zu machen, so daß Licht auf beide Seiten gerichtet werden kann.

Figur 8 zeigt eine weitere Abänderung der Anordnung nach Figur 6A oder 7, bei welcher die Gateanordnung nur in der Kathodenseite vorgesehen ist.

Gemäß Figur 8 ist die Gateanordnung auch in der Anodenseite vorhanden. Bei dieser Anordnung können die im η Bereich 16 angesammelten Elektronen nicht infolge von Rekombination und dergleichen verschwinden.

In Figur 8 sind ferner η Gatebereiche neben den ρ Anodenbereichen 11 vorhanden und es sind innerhalb der η Gatebereiche 18 jeweils Isolierbereiche 19 vorgesehen. Wird eine Vorspannung in Sperrichtung zwischen dem Anodenbereich 11 und dem η Bereich 18 ähnlich wie an der Anodenseite angewandt, so kann der Bereich 12 ein hochohmiger i Bereich

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an Stelle des n~ Bereichs sein. In der Anordnung nach Figur 8 wird ein (nicht dargestellter) Polysiliciuinwiderstand zwischen dem ρ Bereich 11 und dem η Bereich 18 ausgebildet. Es kann jedoch möglich sein, den ρ Anodenbereich 11 unter Verwendung einer Elektrode direkt mit den η Bereich 18 zu verbinden.

Der SIT und das fotoelektronische Halbleiterelement, das mit dem Gatebereich des SIT zur Steuerung desselben zwischen Leitung und Nichtleitung verbunden werden muß, können zusammen auf dem gleichen Siliciumwafer vorgesehen werden oder sie können als getrennte Chips hergestellt und dann elektrisch mittels Leitungen verbunden werden.

Die Störstellendichten und die Dicken der Bereiche 12 und 16 können im Einklang mit den Ausführungen der japanischen Patentanmeldung 54 83 66 und 54 15 757 ausgewählt werden.

Obgleich der erfindungsgemäße,optisch steuerbare SIT unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellte,bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, kann er in anderer Weise realisiert werden. Beispielsweise können die Leitungstypen der in Frage stehenden Bereiche umgekehrt werden. In diesem Falle können die Polaritäten der zugeführten Spannungen ebenfalls umgekehrt werden. Ist der verwendete SIT ferner ein Sperrschicht-Typrso ist es empfehlenswerte im Hinblick auf die Verringerung der Kapazität und die Erhöhung der Durchbruch spannung eine Isolierschicht, beispielsweise aus zwischen Kathode und Anode vorzusehen.

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Obgleich der ρ Gatebereich 14 nach Figur 1A oder 1B vertikal zur Zeichenebene verläuft, kann ein Gatebereich mit einem Abschnitt vorgesehen werden, der sich allmählich im Querschnitt mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche erweitert. Mit einer derartigen Anordnung des ρ Gatebereichs kann die Spannungsverstärkung verbessert werden.

Bei Verwendung eines SIT mit Sperrschicht-Gatebereichen kann es möglich sein, Ausnehmungen an einer Oberfläche eines Wafers herzustellen und in diesen ρ Bereiche vorzusehen, wobei ein Schottky-Gatebereich an Stelle einer pn Sperrschicht verwendet werden kann.

Die Lichtquelle zur Steuerung des SIT ist frei wählbar, vorausgesetzt, daß im Halbleiter durch das von der Lichtquelle abgegebene Licht Elektronen-Löcher-Paare erzeugt werden können und daß die Lichtquelle mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden kann. Beispielsweise kann ein Festkörperlaser, Gaslaser, Halbleiterlaser oder eine Leuchtdiode wie etwa aus BaAlAs, InGaP, GaAsP,GaAsP,GaG,ZnSe oder ZnS zu diesem Zweck verwendet werden.

Der erfindungsgemäße,optisch steuerbare SIT kann unter Verwendung bekannter fotografischer Verfahren, Diffusionsverfahren, Ioneninjektionsverfahren, Kristallisationsverfahren, .epitaxialer Wachstumsverfahren , Ätzverfahren, Oxidations verfahren, chemischer Aufdampfverfahren und/oder Kurvenverfahren leicht hergestellt werden.

Die vorliegende Erfindung, durch welche ein SIT zur Schaltung einer hohen Spannung und eines großen Stroms mit hoher Geschwindigkeit betrieben werden kann, liefert eine sehr

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wirkungsvolle Technik durch die Verbindung einer Anzahl von SITs in Reihen- und/oder in Parallelschaltung und die industriellen Vorteile der Erfindung sind bemerkenswert.

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-IS-

Leerseite

Claims

HOFFMANN ♦ ÜüiTJLE <& !PARTNER 3011484 PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1576) . DIPL.-I NG. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · Dl PL.-1N G. V/. LEHN DI PL.-1 N G. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) . D-8000 MO NCH EN 81 . TELEFON (089) 911087 ■ TELEX 05-2M? (PATHE) 4— 33 236 Handotai Kenkyu Shinkokai, Sendai-shi, Miyagi / Japan Optisch steuerbarer, mit statischer Induktion arbeitender Thyristor Patentansprüche :

1. Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch einen mit statischer Induktion arbeitenden Thyristor (Q), mindestens ein fotoelektronisches Halbleiterelement (D), das mit einer Gateelektrode des Thyristors verbunden ist und eine Einrichtung zur Beleuchtung des fotoelektronischen Halbleiterelements zwecks Steuerung des Schaltvorgangs des mit statischer Induktion arbeitenden Thyristors.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor eine Sperrschicht-Gateanordnung aufweist.

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3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Thyristor eine Isolierschicht-Gateanordnung aufweist.

4. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß das fotoelektronische Halbleiterelement (D₁) in Reihe mit der Gateelektrode des Thyristors (Q) verbunden ist.

5. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,dadurch gekennzeichnet , daß das fotoelektronische Halbleiterelement (D-) parallel zwischen der Gateelektrode und einer Kathode des Thyristors (Q) liegt.

6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Anzahl fotoelektronischer Elemente, von denen eines in Reihe mit der Gateelektrode des mit statischer Induktion arbeitenden Thyristors verbunden ist, während die übrigen fotoelektronischen Elemente parallel zur Gate-Kathodenanordnung des Thyristors liegen·.

7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeic hn e t , daß die Gateschaltung, die das genannte, mindestens eine fotoelektronische Element in Reihe mit der Gateelektrode des Thyristors verbindet, mindestens eine Leistungsquelle aufweist.

8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche

1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens ein fotoelektronisches Element mit der Gateelektrode des

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Thyristors verbunden ist und daß der Thyristor mit einer Einrichtung zur Beleuchtung des fotoelektronischen Elements versehen ist und eine Diode in Reihe zum Thyristor liegt.

9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch geke. nnzeichnet , daß ein Abschnitt mindestens ein paar der Thyristoren aufweist, wovon jeder eine Gateelektrode zur Verbindung mit mindestens einem der fotoelektronischen Halbleiterelemente aufweist, wobei das Paar Transistoren in Reihe miteinander verbunden ist.

10. Halbleitervorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Abschnitt, der mindestens ein Paar der Thyristoren aufweist, wovon jeder eine Gateelektrode zur Verbindung mit mindestens einem der fotoelektronischen Halbleiterelemente aufweist, wobei das Paar Transistoren in Reihe miteinander verbunden ist.

11. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß zumindestens ein Paar der genannten Abschnitte parallel zueinander liegen.

12. Optisch steuerbarer, mit statischer Induktion arbeitender Thyristor, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat, ein Paar Hauptelektrodenbereiche, die jeweils zumindest in Abschnitten gegenüberliegender Hauptflächen des Substrats angeordnet sind, wobei die Hauptelektrodenbereiche entgegengesetzten Leitungstyp mit hoher Störstellendichte aufweisen, mindestens ein Abschnitt der Elektrode an zumindest einer der Hauptober-

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flächen eine transparente Gateelektrode darstellt, die zwischen den Hauptelektrodenbereichen liegt, und eine Einrichtung zur Bestrahlung der transparenten Elektrode mit Licht.

13. Optisch steuerbarer, mit statischer Induktion arbeitender Thyristor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß die Gateelektrode eine Sperrschichtgateanordnung aufweist.

14. Optisch steuerbarer, mit statischer Induktion arbeitender Thyristor nach Anspruch 12, dadurch g ekennzeichnet , daß die Gateelektrode eine Is-Olierschicht-Gateanordnung aufweist.

15. Optisch steuerbarer, mit statischer Induktion arbeitender Thyristor nach den Ansprüchen 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet , daß die Gateelektroden an den beiden Hauptoberflächen vorgesehen sind.

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