DE102004036278B4

DE102004036278B4 - Halbleiterbauelement und Verfahren zum Betreiben des Halbleiterbauelements als elektronischer Schalter

Info

Publication number: DE102004036278B4
Application number: DE200410036278
Authority: DE
Inventors: Hans-Günter Dr. Eckel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-07-27
Filing date: 2004-07-27
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-07-28
Also published as: DE102004036278A1; WO2006010734A1

Abstract

Halbleiterbauelement mit
a) wenigstens einem ersten Halbleitergebiet (6),
b) wenigstens einem zweiten Halbleitergebiet (7), das in wenigstens einem Übergangsbereich (67) unmittelbar an das erste Halbleitergebiet (6) angrenzt,
c) wenigstens einem dritten Halbleitergebiet (8) eines vorgegebenen, zum Leitungstyp des zweiten Halbleitergebiets (7) entgegengesetzten Leitungstyps (p oder n),
d) wenigstens einer ersten Betriebselektrode (2), die mit dem ersten Halbleitergebiet (6) elektrisch kontaktiert ist, und wenigstens einer zweiten Betriebselektrode (3),
e) wobei das erste Halbleitergebiet (6), das zweite Halbleitergebiet (7) und das dritte Halbleitergebiet (8) elektrisch in Reihe zwischen die beiden Betriebselektroden (2 und 3) geschaltet sind,
f) wenigstens einer Halbleiteranordnung (10, 11, 12, 13, 81), die
f1) elektrisch isoliert von dem dritten Halbleitergebiet (8) zwischen dem zweiten Halbleitergebiet (7) und der zweiten Betriebselektrode (3) angeordnet ist und
f2) einen Stromfluss zwischen dem zweiten Halbleitergebiet (7) und der zweiten Betriebselektrode (3) in Sperrrichtung eines zwischen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zum Betreiben des Halbleiterbauelements als elektronischer Schalter, insbesondere in einem Umrichter, vorzugsweise in einem Zwischenkreisumrichter.
Umrichter werden zum Umformen eines Wechselstroms oder einer Wechselspannung einer bestimmten Amplitude, Frequenz und Phasenzahl in einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung anderer Amplitude und/oder anderer Frequenz und/oder anderer Phasenzahl eingesetzt. Zwischenkreisumrichter sind spezielle Umrichter, die eine Eingangswechselspannung oder einen Eingangswechselstrom einer bestimmten Amplitude und Frequenz zunächst in einem Gleichrichter gleichrichten, dann in einem Zwischenkreis die gleichgerichtete Spannung oder den gleichgerichteten Strom glätten und schließlich in einem nachgeschalteten Wechselrichter in eine Ausgangswechselspannung oder einen Ausgangswechselstrom einer bestimmten Amplitude und Frequenz umformen. Bei einem sogenannten Spannungszwischenkreisumrichter (oder: Gleichspannungszwischenkreisumrichter) arbeitet der Wechselrichter mit einer eingeprägten Spannung und der Zwischenkreis umfasst im Allgemeinen eine parallel geschaltete Kapazität. Bei einem sogenannten Stromzwischenkreisumrichter arbeitet der Wechselrichter mit einem eingeprägten Strom und der Zwischenkreis umfasst im Allgemeinen eine in Reihe geschaltete Induktivität.
Umrichter weisen in der Regel steuerbare Halbleiterschaltelemente auf. Gleichspannungszwischenkreisumrichter benötigen Halbleiterschalter, die in beiden Richtungen stromführend sein können und in einer Richtung eine Spannung aufnehmen oder sperren können. Dies können zwar grundsätzlich die unipolaren MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Tran sistor) bewerkstelligen. Jedoch sind bei höheren Betriebsspannungen bipolare Leistungsbauelemente, insbesondere Bipolartransistoren, IGBT (Insulated-Gate-Bipolar-Transistor), GTO (Gate-Turn-Off-Thyristor) oder auch IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor), in Gebrauch aufgrund ihrer niedrigeren Durchlassspannung und höheren Sperrfähigkeit gegenüber MOS-FETs.
Die genannten bekannten bipolaren Leistungshalbleiterbauelemente leiten den Strom nur in einer Richtung. Den bipolaren Halbleiterschaltelementen werden Freilaufdioden antiparallel, d.h. parallel in zur Durchlassrichtung des Halbleiterschaltelements entgegengesetzter Richtung, geschaltet, die den Strom in der anderen Richtung leiten können. Als Freilaufdioden werden bislang PIN-Dioden und – bei kleineren Spannungen – Schottky-Dioden auf Basis von Silicium (Si) und – für größere Spannungen – auch Schottky-Dioden auf Basis von Sicliciumcarbid (SiC) eingesetzt.
Das Reverse-Recovery-Verhalten der Freilaufdiode begrenzt jedoch die zulässige Einschaltgeschwindigkeit des Halbleiterschalters. Bevor die Diode Spannung aufnehmen kann, muss die Speicherladung ausgeräumt werden. Dies verursacht Verlustleistung sowohl in der Diode als auch in dem Halbleiterschalter. Durch eine hinreichend langsame Einschaltgeschwindigkeit des Halbleiterschalters kann der sichere Betrieb der Freilaufdiode gewährleistet werden. Jedoch begrenzt dies die Betriebsfrequenz des Umrichters und die entstehende Verlustleistung führt zu einem vergrößerten Kühlaufwand oder zu einer vergrößerten Chipfläche der Leistungshalbleiter.

Ergänzend zu den vorstehenden Ausführungen wird zur weiteren Darlegung des technischen Umfelds auf die nachveröffentlichte Druckschrift DE 103 08 313 A1 verwiesen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement anzugeben, das einen Strom in beiden Richtungen auch ohne eine antiparallele Freilaufdiode führen kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Das Halbleiterbauelement umfasst gemäß Anspruch 1 wenigstens ein erstes Halbleitergebiet, wenigstens ein in wenigstens einem Übergangsbereich unmittelbar an das erste Halbleitergebiet angrenzendes zweites Halbleitergebiet eines vorgegebenen Leitungstyps und wenigstens ein drittes Halbleitergebiet eines vorgegebenen, zum Leitungstyp des zweiten Halbleitergebiets entgegengesetzten Leitungstyps sowie wenigstens eine Halbleiteranordnung. Wenigstens eine erste Betriebselektrode des Halbleiterbauelements ist mit dem ersten Halbleitergebiet elektrisch kontaktiert. Das erste Halbleitergebiet, das zweite Halbleitergebiet und das dritte Halbleitergebiet sind elektrisch in Reihe zwischen die wenigstens eine erste Betriebselektrode und wenigstens eine zweite Betriebselektrode angeordnet. Die Halbleiteranordnung ist elektrisch isoliert von dem dritten Halbleitergebiet zwischen das zweite Halbleitergebiet und die zweite Betriebselektrode geschaltet.

Die Halbleiteranordnung sperrt oder verhindert einen Stromfluss zwischen dem zweiten Halbleitergebiet und der zweiten Betriebselektrode in der Durchlassrichtung des p-n-Übergangs zwischen zweitem Halbleitergebiet und drittem Halbleitergebiet, d.h. wenn dieser p-n-Übergang in Durchlass ist oder in Durchlassrichtung gepolt ist, und lässt einen Stromfluss in Sperrrichtung dieses p-n-Übergangs zu, d.h. in derselben Richtung, in der dieser p-n-Übergang sperrt oder in Sperrrichtung gepolt ist. Mit anderen Worten lässt die Halbleiteranordnung einen Ladungsträgerstrom von Majoritätsladungsträgern des zweiten Halbleitergebietes (Elektronen bei n-Leitung und Löcher bei p-Leitung im zweiten Halbleitergebiet) in der Stromrichtung von der zweiten Betriebselektrode zum zweiten Halbleitergebiet durch, sperrt einen solchen Majoritätsladungsträgerstrom dagegen in der umgekehrten Stromrichtung vom zweiten Halbleitergebiet zur zweiten Betriebselektrode.

Das Halbleiterbauelement umfasst gemäß Anspruch 1 ferner wenigstens eine Steuerelektrode, an die ein veränderbares Steuerpotential (Steuerspannung) oder ein veränderbarer Steuer strom anlegbar oder angelegt ist, das oder der das erste Halbleitergebiet zumindest in wenigstens einem zwischen der ersten Betriebselektrode und dem zweiten Halbleitergebiet liegenden oder angeordneten oder auch diese verbindenden Kanalgebiet, in einem ersten Betriebszustand in einen zum Leitungstyp des zweiten Halbleitergebiets entgegengesetzten Leitungstyp bringt oder einstellt und in wenigstens einem weiteren, zweiten Betriebszustand, in den zum Leitungstyp des zweiten Halbleitergebiets gleichen Leitungstyp bringt oder einstellt.

Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen, Verwendungen sowie Betriebsverfahren des Halbleiterbauelements sind in den von Patentanspruch 1 abhängigen Patentansprüchen angegeben.

In einer ersten Ausführungsform ist das erste Halbleitergebiet von einem vorgegebenen Leitungstyp, vorzugsweise dem zum zweiten Halbleitergebiet entgegengesetzten Leitungstyp.

In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst das erste Halbleitergebiet wenigstens ein erstes Teilgebiet und wenigstens ein zweites Teilgebiet, wobei das erste Teilgebiet an das zweite Halbleitergebiet angrenzt und das zweite Teilgebiet nicht an das zweite Halbleitergebiet angrenzt, das erste Teilgebiet und das zweite Teilgebiet an die erste Betriebselektrode angrenzen oder von dieser kontaktiert sind und das erste Teilgebiet einen zum zweiten Halbleitergebiet entgegengesetzten Leitungstyp und das zweite Teilgebiet einen zum zweiten Halbleitergebiet gleichen Leitungstyp aufweisen. Diese Teilgebiete des ersten Halbleitergebiets sind nun so angeordnet, dass mittels des an der oder den Steuerelektrode(n) anliegenden Steuerpotentials oder Steuerstroms in dem ersten Teilgebiet ein Kanal des gleichen Leitungstyps wie das zweite Halbleitergebiet zwischen dem zweiten Teilgebiet des ersten Halbleitergebiets und dem zweiten Halbleitergebiet erzeugt werden kann, insbesondere im zweiten Betriebszustand.

Die Halbleiteranordnung umfasst vorzugsweise wenigstens einen Schottky-Übergang und/oder wenigstens eine Schottky-Diode und/oder wenigstens einen p-n-Übergang und/oder wenigstens eine p-n-Diode, der bzw. die jeweils elektrisch antiparallel (oder: parallel und in entgegengesetzter Durchlassrichtung oder Polung) zu dem zwischen dem zweiten Halbleitergebiet und dem dritten Halbleitergebiet gebildeten p-n-Übergang zwischen die erste(n) Betriebselektrode(n) und die zweite(n) Betriebselektrode(n) geschaltet ist.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Halbleiteranordnung wenigstens ein viertes Halbleitergebiet eines vorgegebenen, zum Leitungstyp des zweiten Halbleitergebiets gleichen Leitungstyps, wobei das vierte Halbleitergebiet elektrisch zwischen das zweite Halbleitergebiet und die wenigstens eine zweite Betriebselektrode geschaltet ist und an das zweite Halbleitergebiet angrenzt, und vorzugsweise wenigstens ein Leitergebiet und wenigstens ein fünftes Halbleitergebiet umfasst, wobei das Leitergebiet elektrisch zwischen dem vierten Halbleitergebiet und dem fünften Halbleitergebiet angeordnet ist, und vorzugsweise des weiteren wenigstens ein sechstes Halbleitergebiet, wobei das fünfte Halbleitergebiet elektrisch zwischen dem Leitergebiet und dem sechsten Halbleitergebiet angeordnet ist.

Es kann nun insbesondere zwischen dem Leitergebiet und dem fünften Halbleitergebiet ein oder der Schottky-Übergang gebildet sein und/oder zwischen dem fünften Halbleitergebiet und dem sechsten Halbleitergebiet der p-n-Übergang gebildet sein, wobei zur Einstellung der umgekehrten Polung zu dem parallel geschalteten p-n-Übergang das fünfte Halbleitergebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp wie das zweite Halbleitergebiet ist und das sechste Halbleitergebiet vom gleichen Leitungstyp wie das zweite Halbleitergebiet ist.

Bevorzugt bildet sich in dem ersten Betriebszustand in dem wenigstens einen Übergangsbereich zwischen erstem Halbleitergebiet und zweitem Halbleitergebiet ein p-n-Übergang aus, der abhängig von der Polarität der zwischen den beiden Betriebselektroden anliegenden Betriebsspannung in einem Sperrzustand oder einem Durchlasszustand ist.

Als Buffer kann in dem zweiten Halbleitergebiet die Ladungsträgerkonzentration oder die Dotierstoffkonzentration in einem vom ersten Halbleitergebiet abgewandten und/oder an das dritte Halbleitergebiet und an die Halbleiteranordnung, insbesondere deren viertes Halbleitergebiet, angrenzenden Teilgebiet, vorzugsweise um wenigstens einen Faktor 2, niedriger sein.

In einer besonderen Weiterbildung können auch wenigstens zwei Zustände mit unterschiedlichen Ladungsträgerkonzentrationen im ersten Halbleitergebiet einstellbar sein und in einem dieser Zustände ein niedrigerer Durchlasswiderstand und eine höhere Speicherladung in dem Übergangsbereich zwischen erstem Halbleitergebiet und zweitem Halbleitergebiet vorhanden sind als in einem anderen dieser Zustände.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung findet das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung als elektronischer Schalter, insbesondere in einem Stromrichter, Wechselrichter oder Zwischenkreisumrichter.

Ein vorteilhaftes Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung als elektronischer Schalter, insbesondere in einem Umrichter, vorzugsweise in einem Zwischenkreisumrichter, umfasst die Verfahrensschritte:

a) Anlegen einer Betriebsspannung an das Halbleiterbauelement zwischen der ersten Betriebselektrode und der zweiten Betriebselektrode,
b) zumindest zeitweises Ermitteln der Polarität der anliegenden Betriebsspannung oder des durch das Halbleiterbauelement fließenden Betriebsstromes,
c) Versetzen des Halbleiterbauelements in einen ausgeschalteten Zustand oder einen Zustand, in dem es die anliegende Betriebsspannung in einer Sperrrichtung aufnimmt, indem das Halbleiterbauelement durch Anlegen des entsprechenden Steuerpotentials oder Steuerstroms an die Steuerelektrode(n) in seinen ersten Betriebszustand gebracht wird und der p-n-Übergang zwischen dem oder jedem ersten Halbleitergebiet und dem zweitem Halbleitergebiet in Sperrrichtung gepolt ist bzw. wird,
d) Versetzen des Halbleiterbauelements in einen eingeschalteten Zustand zum Leiten eines Betriebsstromes zwischen den Betriebselektroden, indem
d1) bei einer ersten Polarität des Betriebsstromes oder der Betriebsspannung das Halbleiterbauelement in seinen ersten Betriebszustand gebracht wird durch Anlegen des entsprechenden Steuerpotentials oder Steuerstroms an die Steuerelektrode(n) und der p-n-Übergang zwischen dem oder jedem ersten Halbleitergebiet und dem zweitem Halbleitergebiet in Durchlassrichtung gepolt ist bzw. wird,
d2) bei einer zweiten, zur ersten entgegengesetzten Polarität des Betriebsstromes oder der Betriebsspannung das Halbleiterbauelement in seinen zweiten Betriebszustand gebracht wird durch Anlegen des entsprechenden Steuerpotentials oder Steuerstroms an die Steuerelektrode(n).

Die Erfindung wird im Folgenden unter anderem anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:

1 ein Halbleiterbauelement in einem Schnitt,

2 das Halbleiterbauelement gemäß 1 in einem ersten Betriebszustand,

3 das Halbleiterbauelement gemäß 1 in einem zweiten Betriebszustand,

4 eine Schaltung eines Spannungszwischenkreisumrichters gemäß dem Stand der Technik,

5 eine Schaltung eines Spannungszwischenkreisumrichters mit zwei Halbleiterbauelementen gemäß der Erfindung,

6 einen Steuerkopf eines Halbleiterbauelement in vertikaler Struktur und

7 einen Steuerkopf eines Halbleiterbauelement in planarer Struktur
jeweils in einer schematischen Darstellung. Einander entsprechende Teile und Größen sind in den 1 bis 5 mit denselben Bezugszeichen versehen.

Das in den 1 bis 3 zumindest in einem Ausschnitt gezeigte Halbleiterbauelement H umfasst eine erste Betriebselektrode 2, eine zweite Betriebselektrode 3, ein Isolatorgebiet 4, eine oder mehrere Steuerelektroden 5, ein erstes Halbleitergebiet 6, ein zweites Halbleitergebiet 7, ein drittes Halbleitergebiet 8, ein weiteres Isolatorgebiet 9, ein viertes Halbleitergebiet 10, ein Leitergebiet 11, ein fünftes Halbleitergebiet 12 und ein sechstes Halbleitergebiet 13.
An die beiden Betriebselektroden 2 und 3 wird eine Betriebsspannung U_B angelegt, die z.B. in einem Zwischenkreisumrichter typischerweise zwischen 100 V und 1000 V liegt.
An die Steuerelektrode(n) 5 ist ein Steuerpotential angelegt, das einer Steuerspannung U_S als Potentialdifferenz zwischen dem Potential an der Steuerelektrode 5 und der ersten Betriebselektrode 2 entspricht.
Die erste Betriebselektrode 2 grenzt unmittelbar an eine Oberfläche 62 des ersten Halbleitergebiets 6 an und kontaktiert dieses als Ohmschen Kontakt. An benachbarten Oberflächen 64 ist das erste Halbleitergebiet 6 von dem wenigstens einen Isolatorgebiet 4 bedeckt, das an die erste Betriebselektrode 2 reicht und darüber hinaus auch das zweite Halb leitergebiet 7 an dessen freier Oberfläche 74 überdeckt. An der oder den Grenzfläche(n) zwischen dem ersten Halbleitergebiet 6 und dem zweiten Halbleitergebiet 7 ist ein Übergangsbereich 67 gebildet. Die Steuerelektrode(n) 5 ist bzw. sind auf dem Isolatorgebiet 4 an dessen von dem ersten Halbleitergebiet 6 abgewandten äußeren Oberfläche angeordnet und überdeckt bzw. überdecken zumindest das erste Halbleitergebiet 6. Zwischen der oder jeder Steuerelektrode 5 und der ersten Betriebselektrode 2 ist über das Isolatorgebiet 4 ein hinreichender Abstand zur elektrischen Isolation gehalten.
Das zweite Halbleitergebiet (oder: Basis) 7 grenzt an der vom ersten Halbleitergebiet 6 abgewandten Seite einerseits an das dritte Halbleitergebiet 8 in einem Übergangsbereich 78 sowie an das vierte Halbleitergebiet 10 in einem Übergangsbereich 80 an. Das dritte Halbleitergebiet 8 verbindet das zweite Halbleitergebiet 7 mit der zweiten Betriebselektrode 3.
Das vierte Halbleitergebiet 10, das Leitergebiet 11, das fünfte Halbleitergebiet 12 und das sechste Halbleitergebiet 13 sind in dieser Reihenfolge zwischen den Übergangsbereich 80 an dem zweiten Halbleitergebiet 7 und die zweite Betriebselektrode 3 elektrisch in Reihe geschaltet.
Das Leitergebiet 11 bildet mit dem darunter liegenden, fünften Halbleitergebiet 12 einen Schottky-Kontakt oder eine Schottky-Diode.
Die Reihenschaltung aus dem vierten Halbleitergebiet 10, dem Leitergebiet 11, dem Schottky-Kontakt 81, dem fünften Halbleitergebiet 12 und dem sechsten Halbleitergebiet 13 bildet eine Halbleiteranordnung, die über das Isolatorgebiet 9 von dem dritten Halbleitergebiet 8 elektrisch isoliert ist. Die Betriebselektrode 3 ist elektrisch mit dem dritten Halbleitergebiet 8 an dessen vom Übergangsbereich 78 abgewandten Seite und mit dem sechsten Halbleitergebiet 13 elektrisch als Ohmscher Kontakt kontaktiert.
Das zweite Halbleitergebiet 7, das vierte Halbleitergebiet 10, das fünfte Halbleitergebiet 12 und das sechste Halbleitergebiet 13 sind von demselben Leitungstyp, im dargestellten Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 vom n-Leitungstyp. Das dritte Halbleitergebiet 8 ist vom entgegengesetzten Leitungstyp, im Ausführungsbeispiel also vom p-Leitungstyp. Die Ladungsträgerkonzentrationen können unterschiedlich eingestellt sein, im Allgemeinen durch Zugabe unterschiedlicher Dotierstoffkonzentrationen oder Dotierungen. Das dritte Halbleitergebiet 8 ist p⁺ dotiert, weist also eine höhere Löcherkonzentration auf, das vierte Halbleitergebiet 10 ist n⁺ dotiert und das sechste Halbleitergebiet 13 ebenfalls n⁺ dotiert, während das fünfte Halbleitergebiet 12 n^–, also niedriger n, dotiert ist.
Ferner ist das zweite Halbleitergebiet 7 im dargestellten Ausführungsbeispiel in zwei Teilgebiete 7A und 7B unterteilt, wobei das zwischen dem zweiten Teilgebiet 7B und dem ersten Halbleitergebiet 6 liegende erste Teilgebiet 7A n^– dotiert ist und die deutlich größeren Abmessungen in der Stromrichtung aufweist als das zweite Teilgebiet 7B, das zweite Teilgebiet 7B jedoch höher dotiert ist (n⁺) in dem Übergangsgebiet 78 an das dritte Halbleitergebiet 8 und in dem Übergangsbereich 79 an das Isolatorgebiet 9 sowie in dem Übergangsgebiet 80 an das vierte Halbleitergebiet 10 angrenzt. Das höher dotierte zweite Teilgebiet 7B dient als Feldstop oder Pufferschicht (Buffer), kann aber auch entfallen.
Im Grundzustand oder generischen Zustand, also ohne Steuerspannung U_S und ohne Betriebsspannung U_B kann das erste Halbleitergebiet 6 sowohl vom n-Leitungstyp, als auch vom p-Leitungstyp als auch eigenleitend, also ohne Fremdstoffdotierung, ausgebildet sein, beispielsweise p^– dotiert sein. Gemäß der Erfindung kann der Leitungstyp des ersten Halbleitergebiets 6 nun mittels der Steuerspannung U_S an der oder den Steuerelektrode(n) 5 durch Ladungsträgerverarmung oder -anreicherung zumindest in einem durchgehenden Kanalgebiet zwi schen erster Betriebselektrode 2 und zweitem Halbleitergebiet 7 verändert oder invertiert werden.
Ebenso ist grundsätzlich auch die Ladungsträgerkonzentration, also die Konzentration der Majoritätsladungsträger, also bei n-Leitungstyp der Elektronen und bei p-Leitungstyp der Löcher, über die Steuerspannung U_S an der oder den Steuerelektrode(n) 5 einstellbar, falls dies gewünscht ist.
In 2 befindet sich die Halbleiterbauelement H gemäß 1 in einem ersten Betriebszustand, in dem an der oder den Steuerelektrode(n) 5 eine, hier negative, Steuerspannung U_S = U₁ anliegt und dadurch das erste Halbleitergebiet 6 den p-Leitungstyp annimmt („p-Steuerkopf"). Infolgedessen ist im Übergangsbereich 67 zwischen dem ersten Halbleitergebiet 6 und dem zweiten Halbleitergebiet 7 bzw. dessen erstem Teilgebiet 7A ein p-n-Übergang gebildet.
Wenn nun in diesem ersten Betriebszustand die Betriebsspannung U_B positiv ist, das heißt an der ersten Betriebselektrode 2 ein gegenüber der zweiten Betriebselektrode 3 positives Potential anliegt oder die Potentialdifferenz zwischen erster Betriebselektrode 2 und der zweiten Betriebselektrode 3 positiv ist, so befindet sich der p-n-Übergang 67 zwischen erstem Halbleitergebiet 6 und zweitem Halbleitergebiet 7 in seiner Durchlassrichtung. Die Verarmungszone oder Sperrschicht des p-n-Übergangs ist also mit Ladungsträgern überschwemmt und der p-n-Übergang weist einen geringen elektrischen Widerstand auf. Der entgegengesetzt gepolte oder geschaltete p-n-Übergang zwischen dem dritten Halbleitergebiet 8 und dem zweiten Halbleitergebiet 7 ist dagegen in Sperrrichtung gepolt und weist eine durch Ladungsträgerverarmung vergrößerte Sperrschicht oder Verarmungszone auf mit einem großen elektrischen Widerstand.
Ein schematisch angedeuteter Strompfad für einen Betriebsstrom I_B zwischen der ersten Betriebselektrode 2 und der zweiten Betriebselektrode 3 verläuft zunächst als Strompfad 20 durch das erste Halbleitergebiet 6 und das zweite Halbleitergebiet 7 und teilt sich dann auf oder verzweigt sich in zwei Strompfade 21 und 22, wobei der erste Strompfad 21 über den p-n-Übergang 78 von dem zweiten Halbleitergebiet 7 durch das dritte Halbleitergebiet 8 zur zweiten Betriebselektrode 9 führt und der zweite Strompfad 22 über die Reihenschaltung aus viertem Halbleitergebiet 10, Leitergebiet 11, fünftem Halbleitergebiet 12 und sechstem Halbleitergebiet 13 zur zweiten Betriebselektrode 9 führt.
Im ersten Betriebszustand gemäß 2, bei dem das erste Halbleitergebiet 6 p-leitend ist, ist somit der erste Strompfad 21 durch den p-n-Übergang 78 gesperrt und führt praktisch keinen elektrischen Strom. Im zweiten Strompfad 22 kann dagegen durch den in Durchlassrichtung arbeitenden Schottky-Kontakt 81 und die Halbleitergebiete durch Elektronenleitung ein Stromfluss stattfinden, so dass ein Strom über die Strompfad 20 und 22 zwischen der ersten Betriebselektrode 2 und der zweiten Betriebselektrode 3 fließt. Durch den in Durchlassrichtung betriebenen p-n-Übergang 67 handelt es sich um bipolaren Ladungsträgertransport, wodurch eine niedrige Durchlassspannung möglich ist.
Bei entgegengesetzter Polarität der Betriebsspannung U_B, das heißt einer gegenüber dem Potential an der zweiten Betriebselektrode 3 negativen Potential an der ersten Betriebselektrode 2, ist nun umgekehrt der p-n-Übergang 67 zwischen dem ersten Halbleitergebiet 6 und dem zweiten Halbleitergebiet 7 in Sperrrichtung geschaltet. Die Verarmungszone des p-n-Übergangs 67 sperrt nun einen Stromfluss über den Strompfad 20 und nimmt die anliegende Betriebsspannung U_B als Sperrspannung auf.
Das Halbleiterbauelement H verhält sich im ersten Betriebszustand gemäß 2 wie eine klassische Diode (PN-Diode oder PIN-Diode) und arbeitet also bei positiver Polarität der Be triebsspannung U_B in Durchlass, lässt also einen Stromfluss von der ersten Betriebselektrode 2 zur zweiten Betriebselektrode 3 zu, und sperrt bei negativer Polarität der Betriebsspannung U_B, lässt also von der zweiten Betriebselektrode 3 zur ersten Betriebselektrode 2 keinen Stromfluss zu.
3 zeigt nun einen zweiten Betriebszustand des Halbleiterbauelements H, bei dem an die Steuerelektrode(n) 5 eine Steuerspannung U_S = U₂ angelegt wird, die positiv ist und bewirkt, dass das erste Halbleitergebiet 6 in den n-leitenden Zustand übergeht („n-Steuerkopf"). Die Steuerspannungen U₁ und U₂ betragen typischerweise zwischen 5 V und 15 V.
Das erste Halbleitergebiet 6 ist somit im zweiten Betriebszustand des Halbleiterbauelements H gemäß 3 vom gleichen Leitungstyp, also hier vom n-Leitungstyp, wie das zweite Halbleitergebiet 7. Damit ist der Übergangsbereich 67 zwischen dem ersten Halbleitergebiet 6 und dem zweiten Halbleitergebiet 7 kein p-n-Übergang mehr, sondern ein Übergang zwischen gleich leitenden Halbleitergebieten, der elektrisch für den Strompfad 20 keinen wesentliche elektrischen Widerstand darstellt.
Im zweiten Betriebszustand des Halbleiterbauelements gemäß 3 ist nun bei positiver Betriebsspannung U_B der p-n-Übergang 78 zwischen zweitem Halbleitergebiet 7 und drittem Halbleitergebiet 8 in seinem Sperrzustand. Damit ist der Strompfad 21 stromlos und ein Stromfluss geschieht über den Strompfad 20 und den Strompfad 22.
Im umgekehrten Falle, das heißt bei negativer Betriebsspannung U_B im zweiten Betriebszustand, ist der p-n-Übergang 78 zwischen dem zweiten Halbleitergebiet 7 und dem dritten Halbleitergebiet 8 in Durchlassrichtung gepolt und es steht der Strompfad 21 zur Stromführung zur Verfügung, wobei der Ladungsträgertransport durch den p-n-Übergang 78 bipolar ist.
Der zweite Strompfad 22 ist dagegen nicht stromführend, da der Schottky-Kontakt 81 sperrt.
Im zweiten Betriebszustand kann das Halbleiterbauelement H also in beiden Stromrichtungen, das heißt bei positiver wie negativer Betriebsspannung U_B, Strom führen, allerdings aufgrund des geringen Durchlasswiderstandes im Wesentlichen keine Spannung aufnehmen. Beim Stromfluss von der Kathode 3 zur Anode 2 ist das Halbleiterbauelement H bipolar, d.h. Löcher und Elektronen tragen zum Ladungstransport bei, und hat also eine relativ niedrige Durchlassspannung. Das p-leitende dritte Halbleitergebiet 8 emittiert dabei im zweiten Betriebszustand Löcher, um einen bipolaren Ladungsträgertransport beim Stromfluss von der Kathode 3 zur Anode 2, also bei negativer Betriebsspannung, zu ermöglichen. Beim Stromfluss von der Anode 2 zur Kathode 3 ist das Halbleiterbauelement im Bereich des zweiten Halbleitergebiets 7 (n-Basis) unipolar, hat also eine relativ hohe Durchlassspannung.
Anstelle des Schottky-Kontakts 81 im Strompfad 22 kann auch eine p-n-Diode integriert werden, beispielsweise, indem das fünfte Halbleitergebiet 12 vom entgegengesetzten Leitungstyp wie das sechste Halbleitergebiet 13 ausgebildet wird, also hier p⁺-dotiert wird, und dadurch zusammen mit dem hier n-dotierten sechsten Halbleitergebiet 12 einen im Strompfad 22 liegenden p-n-Übergang bildet, der antiparallel zum p-n-Übergang 67 geschaltet ist und das analoge Durchlass- und Sperrverhalten wie der Schottky-Kontakt 81 aufweist, also insbesondere im zweiten Betriebszustand bei negativer Betriebsspannung U_B sperrt.
Ferner kann anstelle einer vollständigen Inversion des Leitungstyps des gesamten ersten Halbleitergebietes 6 mit der Steuerspannung U_S auch nur ein Teilgebiet oder Kanalgebiet des gewünschten Leitungstyps entlang der Steuerelektrode(n) 5, das die erste Betriebselektrode 2 mit dem zweiten Halblei tergebiet 7 verbindet, erzeugt werden, wie dies bei MOS-Strukturen meist der Fall ist.
Zur Realisierung des Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung sind unterschiedliche Herstelltechnologien verwendbar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das zweite Halbleitergebiet mit einem Substrat oder Wafer oder Chip gebildet. Das erste Halbleitergebiet 6 ist als Schicht, im Allgemeinen epitaktisch, auf das Substrat aufgewachsen, und anschließend strukturiert, so dass die dargestellte Mesa-Struktur entsteht, die als Steuerkopf bezeichnet werden kann und das erste Halbleitergebiet 6, die Isolatorschicht 4 und die Steuerelektrode(n) 5 umfasst.
Im Normalfall sind mehrere oder eine Vielzahl, beispielsweise hunderte bis zehntausende solcher Steuerköpfe auf einem Substrat vorhanden.
Auf der Rückseite des Substrates werden die weiteren Halbleitergebiete 8 und 10 bis 10, 12 und 13 ebenfalls als Schichten aufgebracht, wobei das dritte Halbleitergebiet 8 als durchgehende Schicht ausgebildet ist und die durch das Isolatorgebiet 9 getrennten Reihenschaltungen aus viertem Halbleitergebiet 10, Leitergebiet 11, fünftem Halbleitergebiet 12 und sechstem Halbleitergebiet 13 in Form von n-leitenden Inseln innerhalb der p-Schicht für das dritte Halbleitergebiet 8 ausgebildet sind.
Die Halbleitergebiete können alle aus demselben Halbleiter oder auch aus unterschiedlichen Halbleitern bestehen. Als Halbleiter kommen hauptsächlich Silicium (Si), aber auch Siliciumcarbid (SiC) oder Galliumarsenid (GaAs) oder auch (andere) IV–IV-Halbleiter, III-V-Halbleiter oder II–VI-Halbleiter oder auch Diamant in Betracht. Die Dotierung der einzelnen Halbleitergebiete kann während des Erzeugens der jeweiligen Schichten oder des Wafers erfolgen, aber auch nachträglich durch Diffusion oder Ionenimplantation. Typische Dotier stoffe sind z.B. für die P-Dotierung bei Silicium oder Siliciumcarbid Bor (B) und Aluminium (Al) und für die n-Dotierung bei Silicium Arsen (As), Phosphor (P) oder Antimon (Sb) und bei anderen Halbleitern entsprechende bekannte Dotierungselemente. Für die Elektroden kommen in erster Linie Metalle in Betracht, beispielsweise Aluminium, aber auch andere elektrische Leiter, beispielsweise Polysilicium. Die Isolatorgebiete bestehen in der Regel aus einem Oxid, insbesondere einem Siliciumoxid, so dass die Steuerköpfe in der Regel als MOS-Strukturen ausgebildet sind.
Neben der gezeigten Mesa-Topologie der Steuerköpfe ist auch in an sich bekannter Weise eine planare Topologie oder eine Trench-Topologie, insbesondere eine MOS-Struktur, möglich. Ebenso kann anstelle der vertikalen Anordnung der Gebiete 10, 11, 12 und 13 der Halbleiteranordnung auch eine planare Anordnung gewählt werden.
In 6 und 7 sind Ausführungsformen von Steuerköpfen des Halbleiterbauelements dargestellt, bei denen das erste Halbleitergebiet 6 in ein erstes p-leitendes Teilgebiet 6A und ein oder zwei zweite n-leitende Teilgebiete 6B aufgeteilt ist. Das erste Teilgebiet 6A bildet mit dem zweiten Halbleitergebiet 7 den p-n-Übergang 67 und reicht zwischen den beiden zweiten Teilgebieten 6B bis zur ersten Betriebselektrode 2. Das oder die zweite(n) Teilgebiete 6B grenzt bzw. grenzen dagegen einerseits an das Isolatorgebiet 4 und andererseits an die erste Betriebselektrode 2 an und ist bzw. sind durch das erste Teilgebiet 6A jeweils von dem zweiten Halbleitergebiet 7 getrennt. Mittels eines an der oder den Steuerelektrode(n) 5 angelegten Steuerpotentials oder Steuerstroms kann nun durch Ladungsträgerinversion entlang des Isolatorgebiets 4 und der Steuerelektrode(n) 5 in dem ersten Teilgebiet 6A ein n-Kanal zwischen jedem zweiten Teilgebiet 6B und dem zweiten Halbleitergebiet 7 erzeugt werden, im Allgemeinen im zweiten Betriebszustand, so dass eine durchgehend n-leitende Verbindung zwischen erster Betriebselektrode 2 und zweitem Halbleitergebiet 7 geschaffen wird und der p-n-Übergang 67 „überbrückt" wird.
In 6 ist eine vertikale Topologie gezeigt, bei der der oder die Kanäle zwischen dem oder den zweiten Teilgebieten) 6B und dem zweiten Halbleitergebiet 7 im Wesentlichen vertikal verläuft. Der Steuerkopf ist auch nach Art einer Mesa-Struktur gebildet.
In 7 ist eine planare Topologie dargestellt, bei der die Teilgebiete 6A und 6B in dem zweiten Halbleitergebiet 7 eine gemeinsame ebene Oberfläche bilden und durch Diffusion, z.B. nach Art eines DD-MOS, oder Ionenimplantation entsprechender Dotierstoffe in das zweite Halbleitergebiet 7 erzeugt werden können.
Das Halbleiterbauelement H ist in allen Ausführungsformen bevorzugt als elektronischer Schalter einsetzbar. Wenn der Schalter sperren soll und Spannung aufnehmen soll, wird er in den ersten Betriebszustand gesetzt. Wenn der Schalter Strom von der ersten Betriebselektrode 2 zur zweiten Betriebselektrode 3 führen soll, wird er ebenfalls in den ersten Betriebszustand gesetzt. Wenn der Schalter Strom von der zweiten Betriebselektrode 3 zur ersten Betriebselektrode 2 führen soll, wird er in den zweiten Betriebszustand gesetzt. Aufgrund seiner Funktionalität kann dieser bidirektionale elektronische Schalter, der durch das Halbleiterbauelement H realisiert ist, anstelle der üblichen Antiparallelschaltung eines abschaltbaren Leistungshalbleiters und einer Freilaufdiode verwendet werden. Dabei wird im Allgemeinen die Stromrichtung oder Polarität berücksichtigt.
Erfindungsgemäß wird der mit dem Halbleiterbauelement H gebildete Schalter deshalb wie folgt angesteuert oder betrieben:

1. Schalter soll Spannung aufnehmen: Es wird der erste Betriebszustand durch Einstellen der Steuerspannung U₁ eingestellt.
2. Schalter soll leiten und der Strom ist positiv (I_B > 0 A): Es wird der erste Betriebszustand durch Einstellen der Steuerspannung U₁ eingestellt.
3. Schalter soll leiten und der Strom ist negativ (I_B < 0 A): Es wird der zweite Betriebszustand durch Einstellen der Steuerspannung U₂ eingestellt.

Hierzu wird der Strom gemessen und überprüft, wann ein Nulldurchgang oder eine Änderung der Polarität auftritt, um zwischen den beiden Betriebszuständen und damit zwischen den Schaltzuständen Nr. 2 und Nr. 3 hin- und herschalten zu können.
Wenn eine Strommessung vermieden werden soll, kann auch alternativ die Spannung am Schalter, also das Halbleiterbauelement H, im leitenden Zustand ausgewertet werden. Die Spannung ist zwar im Durchlassfall sehr viel kleiner als im Sperrzustand, jedoch nicht genau Null. Die Ansteuerung des Schalters ist dann vorzugsweise wie folgt:

1. Der Schalter soll Spannung aufnehmen: Es wird der erste Betriebszustand eingestellt, also die Steuerspannung U₁ angelegt.
2. Der Schalter soll leiten und die Spannung ist positiv (U_B > 0 V): Es wird der erste Betriebszustand eingestellt durch Anlegen der Steuerspannung U₁.
3. Der Schalter soll leiten und die Spannung ist negativ (U_B < 0 V): Es wird der zweite Betriebszustand eingestellt durch Anlegen der Steuerspannung U₂.

Um für beide Stromrichtungen niedrige Durchlassspannungen zu erreichen, wird vorzugsweise im Stromnulldurchgang zwischen den beiden Betriebszuständen umgeschaltet. Dies ist in der Praxis nicht immer einfach zu realisieren, weil aufgrund einer begrenzten Messgenauigkeit der genaue Stromnulldurchgang oft nur schlecht zu erfassen ist.
Daher kann in einer nicht dargestellten Weiterbildung der Steueranschluss für die Steuerelektrode(n) in zwei getrennte Steueranschlüsse geteilt werden. Ein Teil der Steuerköpfe oder Steuerelektroden wird mit dem ersten Steueranschluss und der weitere Teil mit dem zweiten Steueranschluss verbunden. In der Nähe des Stromnulldurchgangs wird dann einer der beiden Steueranschlüsse so geschaltet oder belegt, dass die zugehörigen Steuerköpfe den ersten Betriebszustand, also den Zustand „p-Steuerkopf" einnehmen, und der andere Steueranschluss so, dass die Steuerköpfe den zweiten Betriebszustand, also „n-Steuerkopf" annehmen. Außerdem ist es möglich, einen Teil der Steuerköpfe nicht mit dem Steueranschluss zu verbinden, sondern durch die gewählte Dotierung immer im Zustand „p-Steuerkopf" oder im ersten Betriebszustand zu belassen, um auf diese Weise unabhängig von der anliegenden Steuerspannung immer die bipolare Diodenfunktion realisieren zu können.
Die Ansteuerung über die Steuerelektrode(n) 5 kann auch genutzt werden, um neben den Zuständen „p-Steuerkopf" und „n-Steuerkopf" noch die Höhe der Ladungsträgerkonzentration im ersten Halbleitergebiet 6 einzustellen. Auf diese Weise kann zusätzlich ein Zustand mit geringer Durchlassspannung, aber hoher Speicherladung einerseits und ein weiterer Zustand hoher Durchlassspannung, aber geringer Speicherladung andererseits eingestellt werden. Im stationär eingeschalteten Zustand werden dann der Zustand mit geringer Durchlassspannung und kurz vor dem Übergang in den Sperrzustand der Zustand mit geringer Speicherladung gewählt, um das Erholungsverhalten (reverse recovery) positiv zu beeinflussen.
Der mit dem Halbleiterbauelement H realisierte elektronische Schalter wird bevorzugt in einem Spannungszwischenkreisumrichter eingesetzt.
4 zeigt einen Spannungszwischenkreisumrichter nach dem Stand der Technik. Der Spannungszwischenkreisumrichter umfasst einen Gleichrichter 30, der eine Eingangsspannung U_E mit einer Frequenz f_E in eine Gleichspannung umwandelt, einen Gleichspannungszwischenkreis 31 für die umgewandelte Gleichspannung, der zur Glättung einen Kondensator 33 umfasst und einen Wechselrichter 32, der die Gleichspannung des Zwischenkreises 31 mittels zweier Thyristoren T1 und T2 und zweier den Thyristoren T1 und T2 jeweils antiparallel geschalteter Dioden D1 und D2 durch eine entsprechende Steuerung in eine Ausgangswechselspannung U_A mit einer Frequenz f_A umformt. Durch Ansteuerung der Thyristoren T1 und T2 kann die Frequenz f_A der Ausgangswechselspannung U_A gesteuert oder eingestellt werden.
5 zeigt nun einen Spannungszwischenkreisumrichter gemäß der Erfindung, bei dem an Stelle der Antiparallelschaltung aus jeweils einem Thyristor T1 und einer Diode D1 bzw. T2 und D2 wie beim bekannten Umrichter gemäß 4 nun jeweils ein Halbleiterbauelement H bzw. H' in dem Wechselrichter 32 vorgesehen sind. Die beiden Halbleiterbauelemente H und H' arbeiten als bidirektionale Schalter wie vorstehend beschrieben und sind antiseriell geschaltet. Die erste Betriebselektrode des Halbleiterbauelements H' ist mit 2', die zweite Betriebselektrode mit 3' und die Steuerelektrode(n) mit 5' bezeichnet. Die Halbleiterbauelemente H und H' werden als Schalter über ein zugehöriges Steuerpotential U_S bzw. U_S' an den jeweiligen Steuerelektroden 5 bzw. 5' geschaltet.
Bei dem erfindungsgemäßen Spannungszwischenkreisumrichter kann es sich um einen Zweipunktumrichter oder um einen Dreipunktumrichter oder um einen anderen Mehrpunktumrichter handeln. Die Anzahl der Phasen ist jeweils beliebig.

Claims

Halbleiterbauelement mit a) wenigstens einem ersten Halbleitergebiet (6), b) wenigstens einem zweiten Halbleitergebiet (7), das in wenigstens einem Übergangsbereich (67) unmittelbar an das erste Halbleitergebiet (6) angrenzt, c) wenigstens einem dritten Halbleitergebiet (8) eines vorgegebenen, zum Leitungstyp des zweiten Halbleitergebiets (7) entgegengesetzten Leitungstyps (p oder n), d) wenigstens einer ersten Betriebselektrode (2), die mit dem ersten Halbleitergebiet (6) elektrisch kontaktiert ist, und wenigstens einer zweiten Betriebselektrode (3), e) wobei das erste Halbleitergebiet (6), das zweite Halbleitergebiet (7) und das dritte Halbleitergebiet (8) elektrisch in Reihe zwischen die beiden Betriebselektroden (2 und 3) geschaltet sind, f) wenigstens einer Halbleiteranordnung (10, 11, 12, 13, 81), die f1) elektrisch isoliert von dem dritten Halbleitergebiet (8) zwischen dem zweiten Halbleitergebiet (7) und der zweiten Betriebselektrode (3) angeordnet ist und f2) einen Stromfluss zwischen dem zweiten Halbleitergebiet (7) und der zweiten Betriebselektrode (3) in Sperrrichtung eines zwischen dem zweiten Halbleitergebiet (7) und dem dritten Halbleitergebiet (8) gebildeten p-n-Übergangs (78) ermöglicht, in der Durchlassrichtung dieses p-n-Übergangs (78) jedoch im Wesentlichen verhindert, g) wenigstens einer Steuerelektrode (5), h) wobei das erste Halbleitergebiet (6), zumindest in wenigstens einem zwischen der ersten Betriebselektrode (2) und dem zweiten Halbleitergebiet (7) angeordneten Kanalgebiet, abhängig von einem an der oder den Steuerelektrode(n) (5) anliegenden Steuerpotential (U_S) oder Steuerstrom in einem ersten Betriebszustand einen zum Leitungstyp (n oder p) des zweiten Halbleitergebiets (7) entgegengesetzten Leitungstyp (p oder n) einnimmt und in wenigstens einem weiteren, zweiten Betriebszustand den zum Leitungstyp des zweiten Halbleitergebiets (7) gleichen Leitungstyp (n oder p) einnimmt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, bei dem die wenigstens eine zweite Betriebselektrode (3) mit dem dritten Halbleitergebiet (8) und der Halbleiteranordnung jeweils elektrisch kontaktiert ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem die Halbleiteranordnung elektrisch antiparallel zu dem zwischen dem zweiten Halbleitergebiet (7) und dem dritten Halbleitergebiet (8) gebildeten p-n-Übergang (67) zwischen die beiden Betriebselektroden (2, 3) geschaltet ist.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiteranordnung a) wenigstens ein viertes Halbleitergebiet (10) eines vorgegebenen, zum Leitungstyp des zweiten Halbleitergebiets (7) gleichen Leitungstyps (n oder p) umfasst, b) wobei das vierte Halbleitergebiet (10) elektrisch zwischen das zweite Halbleitergebiet (7) und die wenigstens eine zweite Betriebselektrode (3) geschaltet ist und an das zweite Halbleitergebiet (7) angrenzt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, bei dem die Halbleiteranordnung wenigstens ein Leitergebiet (11) aus einem elektrisch leitenden Material und wenigstens ein fünftes Halbleitergebiet (12) umfasst, wobei das Leitergebiet elektrisch zwischen dem vierten Halbleitergebiet (10) und dem fünften Halbleitergebiet (12) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, bei dem das fünfte Halbleitergebiet (12) eine niedrigere Ladungsträgerkonzentration oder Dotierung aufweist als das vierte Halb leitergebiet (10) und/oder denselben Leitungstyp aufweist wie das zweite Halbleitergebiet (7).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, bei dem die Halbleiteranordnung wenigstens ein sechstes Halbleitergebiet (13) umfasst, wobei das fünfte Halbleitergebiet (12) elektrisch zwischen dem Leitergebiet (11) und dem sechsten Halbleitergebiet (13) angeordnet ist.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiteranordnung wenigstens einen Schottky-Übergang (81) und/oder wenigstens eine Schottky-Diode umfasst, der bzw. die elektrisch zwischen das zweite Halbleitergebiet (7) und die wenigstens eine zweite Betriebselektrode (3) geschaltet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, bei dem die Halbleiteranordnung wenigstens ein Leitergebiet (11) aus einem elektrisch leitenden Material und wenigstens ein Halbleitergebiet (12, 13) umfasst, wobei zwischen dem Leitergebiet (11) und dem Halbleitergebiet (12) ein oder der Schottky-Übergang (81) gebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 9 und Anspruch 5, bei dem das Halbleitergebiet (12), das mit dem Leitergebiet (11) den Schottky-Übergang (81) bildet, das fünfte Halbleitergebiet (12) ist.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Halbleiteranordnung wenigstens einen p-n-Übergang und/oder wenigstens eine p-n-Diode umfasst, der bzw. die elektrisch zwischen das zweite Halbleitergebiet (7) und die wenigstens eine zweite Betriebselektrode (3) geschaltet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, bei dem die Halbleiteranordnung wenigstens zwei Halbleitergebiete (12, 13) umfasst, zwischen denen ein oder der p-n-Übergang gebildet ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 12 und Anspruch 7, bei dem a) ein Halbleitergebiet, das mit dem anderen Halbleitergebiet den p-n-Übergang bildet, das fünfte Halbleitergebiet (12) ist und das andere Halbleitergebiet das sechstes Halbleitergebiet (13) ist und bei dem b) das fünfte Halbleitergebiet (12) vom entgegengesetzten Leitungstyp (p oder n) wie das zweite Halbleitergebiet (7) ist und das sechste Halbleitergebiet (13) vom gleichen Leitungstyp (n oder p) wie das zweite Halbleitergebiet (7) ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 5, bei dem die wenigstens eine zweite Betriebselektrode mit dem fünften Halbleitergebiet (12) der Halbleiteranordnung elektrisch kontaktiert ist.
Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche und nach Anspruch 7, bei dem die wenigsten eine zweite Betriebselektrode mit dem sechsten Halbleitergebiet (13) der Halbleiteranordnung elektrisch kontaktiert ist.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das sechste Halbleitergebiet (13) eine niedrigere Ladungsträgerkonzentration oder Dotierung aufweist als das fünfte Halbleitergebiet (12).
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem sich in dem ersten Betriebszustand in dem wenigstens einen Übergangsbereich (67), in dem das erste Halbleitergebiet (6) und an das zweite Halbleitergebiet (7) aneinander angrenzen, ein p-n-Übergang ausbildet, der abhängig von der Polarität der zwischen den beiden Betriebselektroden anliegenden Betriebsspannung (U_B) in einem Sperrzustand oder einem Durchlasszustand ist.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zwischen der oder jeder Steuerelektrode (5) und dem ersten Halbleitergebiet (6) ein Isolatorgebiet (4) angeordnet ist, insbesondere aus einem Oxid, und zum Steuern des Leitungstyps des ersten Halbleitergebietes wenigstens ein Steuerpotential oder wenigstens eine Steuerspannung (U_S) an der oder den Steuerelektrode (5) anlegbar oder angelegt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, bei dem sich das Isolatorgebiet (4) über die Oberfläche (64) des ersten Halbleitergebietes (6) von der ersten Betriebselektrode (2) bis zum Übergangsbereich (67) zum zweiten Halbleitergebiet (7) erstreckt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, bei dem sich das Isolatorgebiet (4), ausgehend von dem Übergangsbereich (67) zum ersten Halbleitergebiet (6), über wenigstens einen Teilbereich der Oberfläche (74) des zweiten Halbleitergebietes (7) erstreckt.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die Steuerelektrode(n) (5) elektrisch mit dem ersten Halbleitergebiet (6) kontaktiert ist bzw. sind und zum Steuern des Leitungstyps (n oder p) des ersten Halbleitergebietes (6) ein Steuerstrom an der Steuerelektrode anlegbar oder angelegt ist zum Injizieren von Ladungsträgern in das erste Halbleitergebiet.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die oder jede Steuerelektrode (5) den Übergangsbereich (67) zwischen erstem Halbleitergebiet (6) und zweitem Halbleitergebiet (7) überdeckt und sich über einen Teilbereich des ersten Halbleitergebietes (6) in Richtung zur ersten Betriebselektrode (2) hin erstreckt und von der ersten Betriebselektrode (2) beabstandet ist.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Halbleitergebiet (7) ein erstes Teilgebiet (7A), das in dem Übergangsbereich (67) an das erste Halbleitergebiet (6) angrenzt, und ein zweites Teilgebiet (7B) umfasst, wobei die Ladungsträgerkonzentration oder die Dotierstoffkonzentration im ersten Teilgebiet (7A), vorzugsweise um wenigstens einen Faktor 2, niedriger ist als im zweiten Teilgebiet (7B).
Halbleiterbauelement nach Anspruch 23, bei dem das zweite Teilgebiet (7B) des zweiten Halbleitergebiets (7) an das dritte Halbleitergebiet (8) und an die Halbleiteranordnung, insbesondere deren viertes Halbleitergebiet (10), angrenzt.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem durch Einstellen des an der wenigstens einen Steuerelektrode (5) anliegenden elektrischen Steuerpotentials (U_S) oder elektrischen Steuerstroms die Ladungsträgerkonzentration in dem wenigstens einen ersten Halbleitergebiet (6) einstellbar oder eingestellt ist.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 25, bei dem wenigstens zwei Zustände mit unterschiedlichen Ladungsträgerkonzentrationen im ersten Halbleitergebiet (6) einstellbar sind und in einem dieser Zustände ein niedrigerer Durchlasswiderstand und eine höhere Speicherladung in dem Übergangsbereich (67) zwischen erstem Halbleitergebiet (6) und zweitem Halbleitergebiet (7) vorhanden sind als in einem anderen dieser Zustände.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das erste Halbleitergebiet (6) einen vorgegebenen Leitungstyp aufweist, vorzugsweise den zum zweiten Halbleitergebiet (7) entgegengesetzten Leitungstyp.
Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 26, bei dem a) das erste Halbleitergebiet (7) wenigstens ein erstes Teilgebiet (6A) und wenigstens ein zweites Teilgebiet (6B) umfasst, wobei b) das erste Teilgebiet (6A) an das zweite Halbleitergebiet (7) angrenzt und das zweite Teilgebiet (6B) nicht an das zweite Halbleitergebiet (7) angrenzt, c) das erste Teilgebiet (6A) und das zweite Teilgebiet (6B) an die erste Betriebselektrode (2) angrenzen oder von dieser kontaktiert sind, d) das erste Teilgebiet (6A) einen zum zweiten Halbleitergebiet (7) entgegengesetzten Leitungstyp (p oder n) aufweist, e) das zweite Teilgebiet (6B) einen zum zweiten Halbleitergebiet (7) gleichen Leitungstyp (n oder p) aufweist f) und wobei die Teilgebiete (6A, 6B) des ersten Halbleitergebiets (6) so angeordnet sind, dass mittels des an der oder den Steuerelektrode(n) (5) anliegenden Steuerpotentials (U_S) oder Steuerstroms in dem ersten Teilgebiet (6A) ein Kanal des gleichen Leitungstyps wie das zweite Halbleitergebiet (7) zwischen dem zweiten Teilgebiet (6B) des ersten Halbleitergebiets (6) und dem zweiten Halbleitergebiet (7) erzeugbar ist, insbesondere im zweiten Betriebszustand.
Verfahren zum Betreiben eines Halbleiterbauelements nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche als elektronischer Schalter, insbesondere in einem Umrichter, vorzugsweise in einem Zwischenkreisumrichter, bei dem a) zwischen der wenigstens einen ersten Betriebselektrode und der wenigstens einen zweiten Betriebselektrode eine Betriebsspannung an das Halbleiterbauelement angelegt wird oder ist, b) zumindest zeitweise die Polarität der anliegenden Betriebsspannung oder des durch das Halbleiterbauelement fließenden Betriebsstromes ermittelt wird, c) das Halbleiterbauelement in einen ausgeschalteten Zustand gebracht wird und/oder die anliegende Betriebsspannung in einer Sperrrichtung aufnimmt, indem das Halbleiterbauelement durch Anlegen des entsprechenden Steuerpotentials oder Steuerstroms an die Steuerelektrode(n) in seinen ersten Betriebszustand gebracht wird und der p-n-Übergang zwischen dem oder jedem ersten Halbleitergebiet und dem zweitem Halbleitergebiet in Sperrrichtung gepolt ist bzw. wird, d) das Halbleiterbauelement zum Leiten eines Betriebsstromes in einen eingeschalteten Zustand gebracht wird, indem d1) bei einer ersten Polarität des Betriebsstromes oder der Betriebsspannung das Halbleiterbauelement in seinen ersten Betriebszustand gebracht wird durch Anlegen des entsprechenden Steuerpotentials oder Steuerstroms an die Steuerelektrode(n) und der p-n-Übergang zwischen dem oder jedem ersten Halbleitergebiet und dem zweitem Halbleitergebiet in Durchlassrichtung gepolt ist bzw. wird, d2) bei einer zweiten, zur ersten entgegengesetzten Polarität des Betriebsstromes oder der Betriebsspannung das Halbleiterbauelement in seinen zweiten Betriebszustand gebracht wird durch Anlegen des entsprechenden Steuerpotentials oder Steuerstroms an die Steuerelektrode(n).
Verwendung eines Halbleiterbauelements nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 28 als elektronischer Schalter, insbesondere in einem Stromrichter, Wechselrichter oder Zwischenkreisumrichter.
Zwischenkreisumrichter mit wenigstens einem Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 28 als elektronischer Schalter und wenigstens einer Ansteuerung zum Ansteuern des oder jedes Halbleiterbauelementes.