DE1103389B

DE1103389B - Schaltanordnung mit einer Vierschichthalbleiteranordnung

Info

Publication number: DE1103389B
Application number: DES65422A
Authority: DE
Inventors: Hansjochen Benda; Dr-Ing Arnulf Hoffmann; Arnold Schmidt
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-10-14
Filing date: 1959-10-14
Publication date: 1961-03-30
Also published as: US3097335A; GB956286A; CH387163A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

kl. 21a¹ 36/18

INTERNAT. KL. H 03 Ic

S65422Vnia/21a^I

ANMELDETAG: 14. OKTOBER 1959

ß EKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DEK
AUSLEGESCHRIFT: 30.MÄRZ1961

Vierschichthalbleiteranordnungen bestehen aus vier Schichten von abwechselnd gegensätzlichem Leitfähigkeitstyp (p-n-p-n). Für gewöhnlich besitzen ihre beiden äußeren und eine der mittleren Schichten einen Stromanschluß. Der Laststrom tritt durch die beiden äußeren Stromanschlüsse ein und aus und durchquert alle vier Schichten der Anordnung. Zur Zündung der Anordnung wird eine Stromquelle an den Stromanschluß der mittleren Schicht und den Stromanschluß der dieser benachbarten äußeren Schicht so angelegt, daß sie durch den zwischen diesen beiden Schichten befindlichen pn-übergang einen Strom in Durchlaßrichtung treibt. Dieser Zündstrom ist für gewöhnlich um ein oder zwei Zehnerpotenzen kleiner als der Laststrom. Es genügt ein kurzzeitiger Impuls. Durch diesen Zündstrom werden einzelne Ladungsträger zu dem sperrenden pn-übergang zwischen den beiden mittleren Schichten der Vierschichtanordnung getrieben und bewirken dort mit Hilfe der anliegenden Lastspannung das Durchzünden.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß sich auf ähnliche Weise eine Löschung der Vierschichthalbleiteranordnung, d. h. eine Unterbrechung des diese durchfließenden Laststromes, vornehmen läßt, indem man nämlich durch die Zündstrecke einen Steuerstrom in entgegengesetzter Richtung wie bei der Zündung fließen läßt. Dieser Löschstrom braucht ebenfalls wie der Zündstrom nur aus einem Impuls zu bestehen, da die Vierschichtanordnung praktisch augenblicklich sperrt. Die treibende Spannung des Löschstromes braucht nicht sehr groß zu sein, denn der an sich in Sperrichtung beanspruchte pn-übergang zwischen der kontaktierten mittleren und der ihr benachbarten äußeren Schicht ist in dem Augenblick, in dem die Unterbrechung des Laststromes vorgenommen werden soll, so mit Ladungsträgern zugeschwemmt, daß er in beiden Richtungen gut leitend ist.

Die Erfindung betrifft dementsprechend eine Schaltanordnung, bei der eine Stromquelle, eine Last und alle vier Schichten einer Vierschichthalbleiteran-Ordnung in Reihe geschaltet sind und bei der eine zweite Stromquelle an eine der beiden mittleren Schichten und die dieser benachbarte äußere Schicht der Vierschichthalbleiteranordnung so anschließbar ist, daß sie durch den zwischen diesen beiden Schichten befindlichen pn-übergang einen Strom (Zündstrom) in Durchlaßrichtung treibt. Erfindungsgemäß ist eine Stromquelle vorgesehen, die so an diese beiden Schichten anschließbar ist, daß sie durch den zwischen ihnen befindlichen pn-Ubergang einen Strom (Löschstrom) in Sperrichtung treibt.

Die Zeichnung enthält mehrere Ausführungsbeispiele, aus denen weitere Einzelheiten der Erfindung hervorgehen. In den Fig. 1, 2 und 3 sind Vierschicht-Schaltanordnung mit einer Vierschichthalbleiteranordnung

Anmelder:

Siemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,

Berlin und Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Dr.-Ing. Arnulf Hoffmann, Pretzfeld,

Hansjochen Benda, Erlangen, und Arnold Schmidt, Wien-Eßling, sind als Erfinder genannt worden

halbleiteranordnungen dargestellt, wie sie für die erfindungsgemäße Stromkreisanordnung besonders gut geeignet sind. Die Fig. 4 bis 7 zeigen entsprechende Schaltzeichen zur Verwendung in den Fig. 8 bis 12, in denen Schaltungsbeispiele der erfindungsgemäßen Stromkreisanordnung dargestellt sind.

Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann auf folgende Weise hergestellt werden: In einen flachen n-leitenden Halbleiterkörper, beispielsweise aus hochohmigem η-Silizium (ρ = 100 Ohm cm), läßt man Aluminium eindiffundieren. Dies kann man so durchführen, daß man ein derartiges Scheibchen von z. B. 12 mm Durchmesser und 250 μ Stärke im Vakuum unter Anwesenheit von Aluminium erhitzt, beispielsweise in einem evakuierten und anschließend abgeschmolzenen Quarzgefäß bei 1200° C für etwa 40 Stunden. Es entsteht eine p-leitende Schicht mittlerer Dotierungskonzentration in der Größenordnung 10¹⁵/cm³, z. B. von höchstens 3 · 10^ll5/cm³, die den unveränderten n-leitenden Kern 2 umgibt. Durch das Einätzen eines entsprechend tiefen Grabens 3 in die eine Flachseite des Grundelementes wird die p-leitende Schicht in die Teile 4 und 5 aufgetrennt. Außerdem werden dünne Folien (etwa 30 μ) aus Goldlegierungen, die Dotierungsmaterial enthalten, auf dieses Grundelement aufgebracht. Eine Bor (etwa 0,05 ^fl/o B) enthaltende Goldfolie 6 wird auf die p-leitende Schicht 5 auflegiert. Auf die p-leitende Schicht 4 wird eine Kreisringscheibe 7, die einen inneren Durchmesser von 5 mm

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und einen äußeren Durchmesser von 7 mm aufweist, aus dem gleichen Gold-Bor-Material aufgebracht und einlegiert. Die Bezugszeichen der einlegierten Folien werden im folgenden der Kürze halber auch für die damit erzeugten Legierungsbereiche benutzt, welche auch metallisch leitende Stromanschlüsse der betreffenden Schichten bilden. Nach dem Legierungsvorgang ist den Legierungsbereichen, die mit den Folien 6 und 7 erzeugt wurden, ein hochdotierter p-leitender Bereich mit einer Dotierungskonzentration 10¹⁸/cm³ oder höher vorgelagert, der aber nicht besonders bezeichnet wurde, da er sich von dem angrenzenden Material des Grundelementes nach dem Leitfähigkeitstyp nicht unterscheidet und zwischen beiden kein pn-übergang vorhanden ist. Eine Scheibe 8 von etwa 4 mm Durchmesser ist ebenfalls auf dieser Flachseite des Grundelementes konzentrisch innerhalb der Kreisringscheibe 7 angebracht. Sie besteht aus einer Gold-Antimon-Folie (etwa 0,5 °/o Sb) und erzeugt beim Einlegieren außer dem Legierungsbereich einen hochdotierten η-leitenden Bereich 9, der dem Legierungsbereich in die p-dotierte Schicht 4 hinein vorgelagert ist. Alle Legierungsvorgänge werden zweckmäßigerweise gleichzeitig und mit einer etwas über der Schmelztemperatur des Gold-Silizium-Eutektikums liegenden Temperatur von beispielsweise 700° C durchgeführt.

Nach der Fertigstellung zeigt die gesamte Anordnung einen p-n-p-n-Aufbau. Die äußere p-Schicht ist durch den Stromanschluß 6 kontaktiert und die äußere η-Schicht durch den Stromanschluß 8. Die mittlere n-Schicht2 hat keinen Anschluß, während die mittlere p-leitende Schicht 4 durch den Stromanschluß 7 kontaktiert ist. Die metallisch leitenden Stromanschlüsse sind in der Fig. 1 schraffiert dargestellt.

In Fig. 2 wurde die Lage der Stromanschlüsse auf der Oberseite des Grundelementes verändert. Zur Kontaktierung des p-leitenden Gebietes 4 dient eine einlegierte Gold-Bor-Folie 7 a von etwa 2 mm Durchmesser. Mit Hilfe einer einlegierten Gold-Antimon-Folie 8 α von etwa 3 mm Innen- und 8 mm Außendurchmesser wird eine η-leitende Zone 9 α erzeugt.

Die Vierschichtanordnung gemäß Fig. 3 zeigt einen ähnlichen Aufbau. Für gleiche Teile wurden wieder die gleichen Bezeichnungen gewählt. Die äußere n-leitende Schicht 9 b wird durch Einlegieren einer Gold-Antimon-Folie 8 b hergestellt, welche die Form einer Kreisringscheibe von 5 mm Innen- und 7 mm Außendurchmesser hat. Das p-leitende Gebiet 4 wird im Gegensatz zu den Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2 in diesem Falle durch zwei Stromanschlüsse kontaktiert, von denen der eine als innerhalb der Kreisringscheibe 8 & liegende einlegierte Kreisscheibe 7 b von etwa 4 mm Durchmesser und die andere als eine die Kreisringscheibe 8 b umgebende größere Kreisringscheibe 10 mit etwa 8 mm Innen- und 10 mm Außendurchmesser ausgebildet ist. Beide Teile werden zweckmäßigerweise ebenfalls aus dem obengenannten Gold-Bor-Material hergestellt.

Die Fig. 4 und 5 zeigen Schaltzeichen für die Anordnungen gemäß Fig. 1 und 2. Der Stromanschluß E₁, entspricht dem Stromanschluß 6, der Stromanschluß E_n dem Stromanschluß 8 bzw. 8σ· und der Stromanschluß B dem Stromanschluß 7 bzw. 7 a.

Die Fig. 6 und 7 zeigen entsprechende Schaltzeichen für die Anordnung gemäß Fig. 3. Die Anschlüsse B₁ und B._z entsprechen den beiden Stromanschlüssen 7 b und 10 der p-leitenden Schicht 4, der Anschluß E_n dem Stromanschluß 6 und der Anschluß E_n dem Stromanschluß 8 b.

Die Fig. 8 zeigt eine einfache Stromkreisanordnung gemäß der Erfindung. Der Laststromkreis besteht aus der Reihenschaltung einer Gleichspannungsquelle 11, der Last 12 und aller vier Schichten der Vierschichtanordnung 13, die beispielsweise entsprechend Fig. 1 aufgebaut sein kann. Mit Hilfe eines kurzen Stromstoßes durch den pn-übergang zwischen den Anschlüssen B und E_n wird die Vierschichtanordnung gezündet. Eine Stromquelle 14 kann mit Hilfe eines

ίο Schalters 15 in entsprechender Polung an diese Stromanschlüsse angelegt werden. Ein Strombegrenzungswiderstand 16 vervollständigt den Zündstromkreis. Zum Löschen der Vierschichtanordnung, d. h. zur Unterbrechung des Laststromes, wird der Schalter 15 in seine obere Einschaltstellung gebracht, wodurch eine Stromquelle 17 so an die beiden Stromanschlüsse B und E_n gelegt wird, daß sie durch den zwischen ihnen befindlichen pn-übergang einen Strom in Sperrichtung treibt. Auch im Löschstromkreis dient ein Widerstand 18 zur Strombegrenzung.

Die Vierschichtanordnung kann mit Hilfe eines Zündstromes von etwa 20 bis 30 mA gezündet werden. Der Löschstrom ist im Gegensatz zum Zündstrom von der Höhe des jeweils fließenden Laststromes abhängig. Er wächst mit größer werdendem Laststrom unter Umständen über den Zündstrom hinaus. Die Gesetzmäßigkeit des Zusammenhanges zwischen Laststrom und Löschstrom kann durch eine Versuchsreihe ermittelt werden. So mußte bei einem praktischen Versuch mit einem Baumuster gemäß Fig. 1 bei einem Laststrom von etwa 7 A ein Löschstrom von etwa 70 mA durch die Steuerstrecke zwischen den Anschlüssen B und E_n geschickt werden. Es zeigte sich, daß ein guter Verlauf der Gleichrichterkennlinie des zwischen den Anschlüssen B und E_n liegenden pn-Überganges, hauptsächlich im Sperrgebiet, besonders günstig für die Steuerungsmöglichkeit der Vierschichtanordnung ist.

Es wurde beobachtet, daß eine Löschung erreicht werden kann unter der Voraussetzung, daß die Spannung zwischen den Anschlüssen B und E_n, welche erforderlich ist, um den einem gegebenen Laststrom zugeordneten Löschstrom über die genannte Strecke zu treiben, kleiner ist als die Durchbruchsspannung des betreffenden pn-Überganges, bei welcher der Steilanstieg des Rückstromes beginnt, wenn der pn-übergang in Sperrichtung beansprucht wird. Zur Erzielung einer hohen Durchbruchsspannung ist es beispielsweise förderlich, daß die Dotierungskonzentration der p-leitenden Mittelschicht in unmittelbarer Nachbarschaft des fraglichen pn-Überganges, wie oben angegeben, niedriger ist als etwa 10¹⁶/cm³ und daß die Dotierungskonzentration der äußeren η-leitenden Schicht auf der anderen Seite des fraglichen pn-Überganges in dessen unmittelbarer Nachbarschaft um mindestens zwei Zehnerpotenzen höher ist, so daß der pn-übergang einen abrupten Sprung von hoher Überschußleitfähigkeit zu wesentlich geringerer Mangelleitfähigkeit darstellt.

Fig. 9 zeigt in etwa den gleichen Aufbau wie Fig. 8. Es wurde nur die Vierschichtanordnung 13 durch eine Vierschichtanordnung 13 α entsprechend Fig. 3 ersetzt. Es besteht kein grundsätzlicher Unterschied, ob zur Zündung und Löschung der Stromanschluß B₁ oder der Stromanschluß B₂ verwendet wird. In einigen Fällen kann es günstig sein, den Stromanschluß B₁ zur Zündung und den Stromanschluß B₂ zur Löschung zu verwenden.

In Fig. 10 sind beide Stromanschlüsse B₁ und B₂ der mittleren p-Schicht der Vier Schichtanordnung an

den Schalter 15 angeschlossen. In der Wirkung zeigen sich nur unwesentliche Unterschiede gegenüber dem Aufbau gemäß Fig. 9.

Die Fig. 11 entspricht im großen und ganzen der Fig. 8. Als weiteres Merkmal kommt eine Kapazität 19 hinzu, die der gesamten Vierschichtanordnung parallel geschaltet wird. Diese Kapazität 19 verhindert ein schnelles Ansteigen der Spannung an der Vierschichtanordnung im Augenblick der Unterbrechung des Laststromes. Da sie diese Wirkung nur für sehr kurze Zeit auszuüben braucht, kann sie verhältnismäßig klein bemessen werden. Besonders bei höheren Spannungen der Stromquelle 11 ist die Parallelschaltung eines Kondensators zu der Vierschichtanordnung zu empfehlen. Bei zu steilem Spannungsanstieg im Zeitpunkt des Löschens kann es sonst leicht zu einem Durchzünden der Anordnung kommen, die dann eventuell noch nicht wieder die volle Sperrfähigkeit aufweist.

Die Fig. 12 zeigt die Parallelschaltung einer Kapa- 20, zität 19 α zur Last mit einer ähnlichen Wirkung.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltanordnung, bei der eine Stromquelle, eine Last und alle vier Schichten einer Vierschichthalbleiteranordnung in Reihe geschaltet sind und bei der eine zweite Stromquelle an eine der beiden mittleren Schichten und die dieser benachbarte äußere Schicht der Vierschichthalbleiteranordnung so anschließbar ist, daß sie durch den zwischen diesen beiden Schichten befindlichen pn-Übergang einen Strom (Zündstrom) in Durchlaßrichtung treibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle vorgesehen ist, die so an diese beiden Schichten anschließbar ist, daß sie durch den zwischen ihnen befindlichen pn-übergang einen Strom (Löschstrom) in Sperrichtung treibt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltmittel vorgesehen sind, die den Löschstrom auf einen Bruchteil des Laststromes begrenzen.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazität der gesamten Vierschichthalbleiteranordnung parallel geschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den an die Löschstromquelle angeschlossenen beiden Schichten der Vierschichthalbleiteranordnung die mittlere am pn-übergang eine Dotierungskonzentration von höchstens 3-10¹⁵/cm^s aufweist, und daß die Dotierungskonzentration der äußeren dieser beiden Schichten am pn-übergang um mindestens zwei Zehnerpotenzen höher ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen