DE1154872B - Halbleiterbauelement mit einem mindestens drei pn-UEbergaenge aufweisenden Halbleiterkoerper - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einem mindestens drei pn-UEbergaenge aufweisenden Halbleiterkoerper

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DE1154872B
DE1154872B DEG30447A DEG0030447A DE1154872B DE 1154872 B DE1154872 B DE 1154872B DE G30447 A DEG30447 A DE G30447A DE G0030447 A DEG0030447 A DE G0030447A DE 1154872 B DE1154872 B DE 1154872B
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Richard Wayland Aldrich
Nick Holonyak Jun
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Original Assignee
General Electric Co
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
G 30447 VIII c /21g
ANMELDETAG: 7. SEPTEMBER 1960
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 26. SEPTEMBER 1963
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mindestens drei pn-Übergängen zwischen Schichten von abwechselndem und entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp.
Ein bereits vorgeschlagenes Halbleiterbauelement dieser Art enthält vier hintereinanderliegende Schichten, deren Leitfähigkeitstyp bzw. Polarität sich voneinander unterscheidet; die beiden äußeren Schichten tragen je eine Elektrode, mit der das Halbleiterbauelement an eine Schaltung angeschlossen wird. Wenn zwischen den beiden Elektroden eine Vorspannung angelegt wird, werden die beiden pn-Übergänge, die den Elektroden am nächsten liegen, z.B. in Sperrrichtung und der in der Mitte befindliche pn-übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt. Bei kleinen Vorspannungen dieser Polung weist das Halbleiterbauelement eine große Impedanz auf. Sobald die Vorspannung einen gewissen, ziemlich großen Wert überschreitet, schlagen die beiden den Elektroden benachbarten pn-Übergänge durch, so daß oberhalb dieser ziemlich großen Vorspannung ein Strom in Sperrichtung der beiden äußeren pn-Ubergänge durch das Halbleiterbauelement fließt.
Wenn eine Vorspannung von entgegengesetzter Polung zwischen den Elektroden angelegt wird, werden die den Elektroden benachbarten pn-Übergänge in Durchlaßrichtung vorgespannt, während der mittlere pn-übergang in Sperrichtung vorgespannt wird. Das Halbleiterbauelement arbeitet in diesem Fall wie ein sperrender Gleichrichter, der eine große Impedanz zwischen seinen Elektroden aufweist. Wenn die Vorspannung in diesem Fall gesteigert wird, schlägt der mittlere pn-übergang schließlich nicht durch, sondern kehrt nur seine Polung um, so daß das Halbleiterbauelement eine geringe Impedanz zwischen seinen beiden Elektroden aufweist.
Diese Erscheinung kann zur Schaltung von Strömen ausgenutzt werden, die erst dann einsetzt, wenn die am Halbleiterbauelement liegende Spannung vorgegebener Polung einen gewissen Wert überschreitet. Zwei Bedingungen müssen jedoch erfüllt sein, damit der mittlere pn-übergang diese Erscheinung der Polungsumkehr und die damit verbundene Leitung des Stromes zeigt.
Die eine Bedingung besteht darin, daß einer der beiden Transistorteile, in die das Bauelement zerlegbar ist und die einen gemeinsamen Kollektorübergang aufweisen, nämlich der npn- oder pnp-Transistorteil, einen Stromverstärkungsfaktor aufweist, der mit zunehmendem Strom anwächst. Die andere Bedingung ist diejenige, daß die Summe der Stromverstärkung beider Transistorteile bei einem mittleren Strom Halbleiterbauelement
mit einem mindestens drei pn-Übergänge
aufweisenden Halbleiterkörper
Anmelder:
General Electric Company, Schenectady, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt, Frankfurt/M., Parkstr. 13
Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 8. September 1959 (Nr. 838 504)
Richard Wayland Aldrich, Liverpool, N. Y.,
und Nick Holonyak jun., Syracuse, N. Y. (V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden
gleich oder größer als Eins ist. Zur Erfüllung der zweiten Bedingung wird infolge von Leitungseffekten in Sperrichtung und Durchschlagswirkungen ein ausreichender Strom durch den mittleren pn-übergang, der der Kollektorübergang beider Transistorteile ist, hindurchgelassen, während die erste Bedingung einer veränderlichen Stromverstärkung in erster Linie von Siliziumbauelementen erfüllt wird.
Andererseits ist es bereits bekannt, bei Halbleiterbauelementen mit zwei pn-Übergängen, die also z. B.
aus zwei η-Bereichen mit einem schmalen, zwischen diesen liegenden p-Bereich bestehen, den einen pnübergang dadurch zu vergrößern, daß auf die Außenfläche ein zusätzliches Metallstück aufgeschmolzen wird, dem ein Aktivator zugesetzt ist. Die Auf schmelzstelle wird dabei so gewählt, daß sie den einen pnübergang überbrückt. Beim Aufschmelzen bildet die Berührungsstelle zwischen dem mit einem Aktivator versehenen Metallstück und dem Bereich der einen Leitfähigkeit einen pn-übergang, während die Berührungsstelle zwischen dem Metallstück und dem Bereich mit der anderen Leitfähigkeit einen ohmschen Kontakt darstellt. Praktisch wird dadurch der zwischen den beiden Bereichen bestehende pn-übergang durch diesen entstehenden pn-Ubergang vergrößert oder erweitert.
Ferner ist ein Halbleiterbauelement bekannt, das z. B. als Stab vorliegt und an beiden Enden je einen
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p-Bereich aufweist; in der Mitte befindet sich ein η-Bereich, dessen Breite ziemlich groß gewählt ist. Dieser η-Bereich dient als Verzögerungsraum, durch den die Minoritätsträger in einer Zeitspanne hindurchgehen, die etwa einer halben Periode der anliegenden hochfrequenten Wechselspannung entspricht. Ferner ist das Halbleiterbauelement so aufgebaut, daß die Übergangszeit in dem dem Kollektor zugeordneten Raumladungsbereich viel kürzer als die Zeit
Schalters gemäß der Erfindung mit zwei Elektroden;
Fig. 2 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik des Halbleiterbauelementes in Fig. 1.
Fig. 3 zeigt graphische Darstellungen des Schaltstroms und des Haltestroms als Funktion der Emitterkontaktbreite für ein spezielles Bauelement der in Fig. 1 gezeigten Art;
Fig. 4 zeigt eine graphische Darstellung des Halte-
Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mindestens drei pn-Übergängen zwischen Schichten von abwechselndem und entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp.
Ein solches Halbleiterbauelement ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß eine flächenhafte Elektrode mit niedrigem ohmschen Widerstand an der Oberfläche mindestens einer äußeren Schicht und an
ist, die die Minoritätsträger für den Durchgang durch io einer frei liegenden Oberfläche der angrenzenden den Verzögerungsbereich benötigen. Insbesondere Schicht des Halbleiterkörpers mit ohmschem Kontakt kann die Übergangszeit der Minoritätsträger von dem so angebracht ist, daß der pn-übergang dieser beiden einen, eine Ladungsträgerquelle darstellenden p-Be- Schichten teilweise überbrückt ist. reich zum anderen, den Kollektor darstellenden Zum besseren Verständnis des Erfindungsgegen-
p-Bereich so auf die Freqenz der aufgeprägten 15 Standes seien die Figuren näher erläutert. Wechselspannung bezogen sein, daß eine Phasenver- Fig. 1 zeigt einen Schnitt eines vierschichtigen
Schiebung zwischen 90 und 270° für die Wechselspannung und den Wechselstrom eingeführt wird.
Ein derartiges Halbleiterbauelement kann z.B. gemeinsam mit einer Impedanz in einem Oszillator ver- 20
wendet werden. Wenn das Produkt der Konzentration
von freien Elektronen und Löchern am Emitterübergang z. B. in Germanium zu gering ist, so sind Hilfsmittel anwendbar, die in dem den -Kollektor darstellenden p-Bereich Majoritätsträger, also Elek- 25 Stroms und des Einschaltstroms als Funktion der tronen, frei machen, die in den Zwischenbereich ein- Basiskontaktbreite für ein bestimmtes Bauelement der treten und am Emitterübergang eine zusätzliche Vor- in Fig. 1 gezeigten Art;
spannung in Durchlaßrichtung bewirken. Als der- Fig. 5 zeigt die Änderung der Umbruchsspannung
artiges Hilfsmittel kann in an sich bekannter Weise des Einschaltstroms und des Haltestroms als Funkein weiterer pn-übergang in dem den Kollektor dar- 30 tion der Temperatur für ein spezielles Bauelement der stellenden p-Bereich benutzt werden, der in Durch- in Fig. 1 gezeigten Art; laßrichtung von einer zusätzlichen Gleichspannungsquelle vorgespannt ist. Die an diesem Übergang in
den den Kollektor darstellenden p-Bereich injizierten
Elektronen diffundieren durch den Kollektorüber- 35
gang in den Zwischenbereich hinein, in dem die
Minoritätsträger bzw. Defektelektronen verlangsamt
hindurchwandern.
Bei einem bekannten Verfahren zum Herstellen von Halbleiteranordnungen mit doppelten pn-Übergangen werden in die Oberfläche eines n-Siliziumkörpers nacheinander zwei Aktivatoren eindiffundiert, derart, daß der mittlere η-Bereich von einem schichtförmigen p-Bereich und dieser wiederum von einem schichtförmigen η-Bereich umgeben wird, der auch die Außenfläche des Transistors bildet. Durch die äußere η-Schicht und die p-Schicht wird bis zum inneren η-Bereich Aluminium in Form einer Ringzone einlegiert, an der ein Basisanschluß hergestellt wird. Innerhalb dieser aluminiumreichen Ringzone, die sich von der äußeren Oberfläche bis in den inneren η-Bereich erstreckt, wird an der äußeren η-Schicht ein Emitteranschluß hergestellt. Durch diese Verfahrensschritte wird die Emitterfläche auf
denjenigen Teil der Oberflächenzone wirksam be- 55 schalters gemäß der Erfindung besitzt; schränkt, der durch die Aluminiumzone begrenzt ist, Fig. 15 zeigt eine idealisierte graphische Darstel-
während der übrige Teil der Oberfläche für die Tran- lung der Strom-Spannnungs-Charakteristik des Bausistorwirkung unwirksam bleibt. Der Kollektoran- elementes gemäß Fig. 14;
schluß wird auf der der aluminiumreichen Ringzone Fig. 16 zeigt einen Schnitt eines weiteren Ausfüh-
gegenüberliegenden Seite des Siliziumkörpers dadurch 60 rungsbeispiels eines vierschichtigen Bauelementes hergestellt, daß ein Metallstreifen durch die n- und mit drei Elektroden, das die Eigenschaften eines Kippp-Oberflächenschicht der einen Seitenfläche hindurch schalters besitzt;
einlegiert wird. Fig. 17 zeigt eine idealisierte graphische Darstel-
Ein Ziel der Erfindung ist es, durch einen kurzge- lung der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauschlossenen pn-übergang die Schalt- und sonstigen 65 elementes gemäß Fig. 16;
Charakteristiken eines Halbleiterbauelementes mit Fig. 18 zeigt einen Schnitt eines vierschichtigen
mehreren pn-Übergängen in der gewünschten Weise Kippbauelementes gemäß der Erfindung mit mehzu verändern. reren Elektroden;
Fig. 6 zeigt einen Schnitt eines anderen Ausführungsbeispiels eines vierschichtigen Kippschalters gemäß der Erfindung;
Fig. 7 zeigt eine graphische Darstellung des Stroms in Abhängigkeit von der Spannung des Bauelementes gemäß Fig. 6;
Fig. 8 zeigt einen Schnitt eines fünf schichtigen Bauelementes mit zwei Elektroden gemäß der Erfindung;
Fig. 9 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelementes gemäß Fig. 8;
Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch ein vierschichtiges Bauelement mit drei Elektroden, das gemäß der Erfindung schalterartige Eigenschaften besitzt.
Fig. 11 ist eine idealisierte graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelementes gemäß Fig. 10;
Fig. 12 zeigt eine perspektivische Ansicht als Beispiel für den Aufbau eines Bauelementes gemäß Fig. 10;
Fig. 13 ist ein Schnitt entlang 13-13 des Bauelementes in Fig. 12;
Fig. 14 zeigt einen Schnitt eines anderen Ausführungsbeispieles eines vierschichtigen Bauelementes mit drei Elektroden, das Eigenschaften eines Kipp-
Fig. 19 zeigt eine idealisierte graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelementes gemäß Fig. 18;
Fig. 20 zeigt einen Schnitt eines fünfschichtigen Bauelementes gemäß der Erfindung, bei dem mehr als zwei Elektroden Verwendung finden;
Fig. 21 zeigt eine idealisierte graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelementes in Fig. 20.
Die Fig. 1 zeigt die Ansicht eines Querschnittes eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung. Ein Halbleiterbauelement 1 enthält einen Halbleiterkörper 2, der aus vier Schichten oder Bereichen besteht, und zwar aus einer mittleren Schicht 3 mit η-Leitfähigkeit, einer äußeren, dazu benachbarten Schicht 4 mit p-Leitfähigkeit, einer ebenfalls angrenzenden Schicht 5 mit p-Leitfähigkeit und einer äußeren Schcht 6 mit η-Leitfähigkeit, die an die Schicht 5 angrenzt. Diese Schichten bilden drei im wesentlichen parallele pn-Übergänge, Jc, JEl und Jε 2· Jc wird als Kollektor- oder mittlerer Übergang bezeichnet und ist zwischen dem n-leitenden und p-leitenden Bereich 3 bzw. 5 gebildet. JEl wird als der erste Emitterübergang bezeichnet und ist zwischen der p-leitenden Schicht 5 und der n-leitenden Schichtö gebildet. JE2 wird als der zweite Emitter-Übergang bezeichnet und ist zwischen der n-leitenden Schicht 3 und der p-leitenden Schicht 4 gebildet. Die dazwischenliegende p-leitende Schicht 5 umgibt die η-leitende Schicht 6 an zwei Seiten und besitzt eine Oberfläche 7, die in einer Ebene mit der äußeren Oberfläche 8 der Schicht 6 verläuft. Der Übergang JE1 besitzt einen Teil 9, der parallel zu einer Oberfläche 8 verläuft, und einen Teil geringerer Abmessung 10, der senkrecht zu den äußeren Oberflächen 7 und 8 von den Schichten 6 bzw. 5 verläuft und diese trifft.
Der Körper 2 besitzt zwei gegenüberliegende Oberflächen, die parallel zu dem Kollektorübergang Jc verlaufen. Die eine Oberfläche 18 umfaßt die äußere Oberfläche der p-leitenden Schicht 4, und die andere umfaßt die äußere Oberfläche 8 der n-leitenden Schicht 6 und die äußere Oberfläche 7 der koplanaren dazwischenliegenden p-leitenden Schicht 5. Eine Elektrode 12 ist gut leitend an den äußeren Oberflächen 7 und 8 befestigt, und eine andere Elektrode 13 ist gut leitend an der äußeren Oberfläche 18 befestigt. Die Elektrode 12 überbrückt und schließt den Übergang Jε ι kurz, entlang einer Linie, deren Projektion senkrecht zur Zeichenebene der Punkt 11 ist. Die Leiter 12 und 13 sind mit äußeren Anschlußklemmen 14 und 15 über Leitungen 16 und 17 verbunden.
Die Arbeitsweise des Bauelementes gemäß Fig. 1 soll unter Bezugahme auf Fig. 2 erläutert werden, die eine graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelementes nach Fig. 1 zeigt. In der graphischen Darstellung ist der Stromdurchgang zwischen den Leitern 14 und 15 als Ordinate und die an die Leiter angelegte Spannung ist auf der Abszisse aufgetragen. Es sei angenommen, daß eine anwachsende Spannung angelegt wird, so daß die Elektrode 12 ständig positiver gegenüber der Elektrode 13 wird. Der Übergang JEl und der Übergang/£2 werden in Sperrichtung vorgespannt und sperren somit den Stromdurchgang. Der Kollektorübergang Jc wird in Flußrichtung vorgespannt. Dadurch ergibt sich eine hohe Impedanz zwischen den Elektroden 12 und 13, bis die Sperrspannung des Emitterübergangs JE.2 erreicht wird, bei der Ladungsträger in lawinenartig steigender Anzahl erzeugt werden. Diese Spannung 20 ist in der graphischen Darstellung der Fig. 2 auf der Abszisse angegeben.
Es sei angenommen, daß eine wachsende Spannung zwischen den Elektroden 12 und 13 angelegt wird, um die Elektrode 12 steigend negativer in bezug auf die Elektrode 13 zu halten. Durch eine derartige Spannung werden die Übergänge JEl und JE2 in Fluß-
richtung vorgespannt, während der Übergang /c in umgekehrter Sperrichtung vorgespannt wird. Bei kleinen Strömen ist der Emitterübergang JE ± praktisch nicht als Emitter wirksam wegen des Überbrückens der Schichten 5 und 6 durch die Elektrode
12. Wenn die Spannung über dem Halbleiterbauelement anwächst, fließt nur ein kleiner Sättigungsstrom, der den Sperrstrom über den Übergang Jc darstellt und als Ordinate 21 in der graphischen Darstellung in der Fig. 2 zu erkennen ist. Wenn die Spannung die Lawinenspannung V130 des Kollektorübergangs Jc erreicht, ist der Strom durch den Übergang Jc, der durch Pfeile 22 in Fig. 1 dargestellt ist, parallel zu dem Emitterübergang JE x in Richtung auf die Oberfläche? und wächst sehr schnell. Der durch diesen Strom resultierende Spanungsabfall erzeugt in der Schicht 5 entlang des Übergangs JE ± eine Vorspannung für JEl in Durchlaßrichtung, wobei die größte Vorspannung an der rechten Kante des Übergangs auftritt, der am weitesten entfernt von dem Kurzschlußpunkt 11 ist. Der Emitterwirkungsgrad und damit α steigt schnell mit dem erhöhten Strom. Wenn der Strom ein Niveau/s erreicht, der als Einschaltstrom bezeichnet wird, bei dem die α-Summe für niedrige Spannung der npn- und pnp-Transistorabschnitte der Vorrichtung größer als Eins wird, kippt die Vorrichtung in den Zustand geringer Spannung und zu einer Spannung, die der Abszisse 23 in der graphischen Darstellung in der Fig. 2 entspricht. Der Übergang ist sehr abrupt, weil dann, wenn die Spannung über dem Kollektorübergang Jc fällt, der Strom, der ursprünglich über den ganzen Bereichs verteilt war, nun hauptsächlich zu dem Rand des Bereichs 6 überwechselt, der entfernt von dem Teil 10 liegt, und die Stromdichte wird sehr hoch. Wenn die Summe der α-Werte für niedrige Spannung geringer als Eins ist, selbst wenn der Strom zu dem Rand der Emitterschicht 6 verschoben wurde, tritt ein teilweises Kippen auf. Die Spannung über der Vorrichtung fällt auf einen Zwischenwert, bei dem die Summe der α-Werte einschließlich der Multiplikation gleich Eins wird. Die Vorrichtung kippt in den Zustand geringer Spannung bei einer noch höheren Stromstärke, bei der das Erfordernis der Summe der α-Werte erreicht wird. Wenn der Schalter eingeschaltet ist, muß immer noch eine hinreichende Vorspannung des Basisbereichs 5 aufrechterhalten werden, um den Emitter auf einer starken Vorspannung in Durchlaßrichtung zu halten. Da/C nun in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, sind Lawineneffekte an Jc nicht langer bedeutungsvoH, die Leitfähigkeit der Vorrichtung aufrechtzuerhalten.
Nimmt man an, daß nur der Rand des Emitters auf der rechten Seite aktiv ist, d. h. bei einer Arbeitsweise in der Nähe des Schaltpunkts, so ergibt sich ein minimaler Wert für den Haltestrom IH, wie in Fig. 2 gezeigt ist, durch Division der Emittervorspannung Vwe, die für ein wirkungsvolles Übertreten erforderlich ist wegen des totalen Widerstandes des Basis-
bereichs von dem Emitterrand bis zur kurzgeschlossenen Verbindung, so daß
Ih^ Vm L [Rs We)-K
Um eine Leitfähigkeit in Durchlaßrichtung bei Vorrichtungen mit pn-Übergängen 2x1 erreichen, ist es notwendig, eine kleine zusätzliche Spannung in Durchlaßrichtung anzulegen, bevor die Leitfähigkeit über den Übergang erreicht wird. Dieser Parameter, der durch Vwe repräsentiert wird, ändert sich für verschiedene Materialien und liegt im Falle von Silizium in der Größe von etwa 0,5 bis 0,8VoIt. L ist die Länge des Kontakts parallel zu der kurzgeschlossenen Verbindung,
Rs =
ist der Flächenwiderstand der p-leitenden Basis, PB ist der durchschnittliche spezifische Widerstand der Basis, t die Basisbreite, und We ist die Breite des Emitterkontakts. Es wird angenommen, daß die Modulation der Leitfähigkeit auf Grund der in einer Minderheit vorhandenen Träger vernachlässigt werden kann.
Wenn die äußeren Anforderungen der Schaltung so sind, daß der Strom IH in Fig. 2 kleiner ist als der minimale Betrag, der notwendig ist, um die Vorrichtung leitfähig zu erhalten, wie durch die Ordinate 24 gezeigt wird, hört die Vorrichtung auf zu leiten und kehrt wieder zu ihrem nichtleitenden· Zustand zurück. Im Bereich der starken Leitung in Durchlaßrichtung ist der größte Teil des Emitters bis zur Leitfähigkeit vorgespannt, und die Vorrichtung zeigt die niedrige Wechselspannungs-Impedanz-Charakteristik der üblichen pnpn-Kippvorrichtungen. Im Hinblick auf die in Fig. 2 gezeigten Charakteristiken wurde es als durchaus möglich festgestellt, den Wert des Einschaltstroms/s so zu ändern, daß er größer, gleich oder kleiner als der Haltestrom I11 wird.
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung kann in verschiedenartiger Weise aufgebaut sein. Zum Beispiel kann ein Diffusionsvorgang benutzt werden, um die verschiedenen Bereiche der Vorrichtung zu bilden. Ein Halbleiterkörper aus Silizium mit n-Leitfähigkeit, der einen spezifischen Widerstand von 3 Ω · cm besitzt und dessen Abmessungen etwa 2,5 mm Kantenlänge und 0,4 mm Dicke betragen, ist das Ausgangsmaterial. Die der Oberfläche? in Fig. 1 entsprechende Oberfläche des Körpers wird bei hohen Temperaturen oxydiert, indem sie einem Dampfstrom ausgesetzt wird. Die Oberfläche 8 kann vor einer Oxydation geschützt werden oder nach der Oxydation abgeschliffen und poliert oder geätzt werden, um die Oxydschicht zu entfernen. Der sich ergebende Körper wird dann in ein evakuiertes, abgedichtetes Quarzrohr zusammen mit einem Legierungsmittel, das aus Silizium, Gallium und Phosphor besteht, eingeschlossen. Die Temperatur des Körpers wird auf etwa 1150 bis 1250° C erhöht und die Temperatur des Legierungsmittels auf 1000 bis 1200° C. Gallium diffundiert von der Quelle durch die Oxydschichten und durch die exponierten Oberflächen des Körpers, um den p-leitenden Bereich 4 und den p-leitenden Bereich 5 zu bilden. Der Phosphor, der nicht in der Lage ist, durch die Oxydschicht hindurch zu diffundieren, diffundiert nur durch die ungeschützte Oberfläche 8 des Siliziumkörpers und wandelt das p-leitende Silizium in η-leitendes um. Da Gallium schneller als Phosphor eindifEundiert, werden in dem Körper zwei Bereiche erzeugt, und zwar ein p-leitender Bereich vor einem η-leitenden Bereich. Die Konzentration des Galliums und Phosphors in dem Legierungsmittel werden so gewählt, daß der Phosphor in der Lage ist, η-Leitfähigkeit in vorher umgewandeltem Material von p-Leitfähigkeit zu erzeugen. Die Diffusion wird für eine Zeit durchgeführt, die ausreicht, um die gewünschten Eindringtiefen zu erreichen. Die Oberflächen 12 und 18 und die Seiten des Körpers 2 werden dann abgeschliffen und geätzt oder nur geätzt, um die Oxydschichten zu entfernen. Eine leitende Schicht aus Gold wird auf die Flächen 7 und 8 aufgedampft, um eine Elektrode 12 zu bilden. Eine leitende Schicht aus Aluminium wird auf die äußere Oberfläche 18 aufgedampft, um eine Elektrode 13 zu bilden. Leitende Schichten aus anderen Metallen, wie z. B. Nickel und Blei, können an Stelle der erwähnten mit Hilfe bekanner Verfahren verwendet werden. Mit diesen Kontakten werden Leiter 16 und 17 geeignet verbunden. Obwohl in diesen Beispielen Materialien mit gewissen spezifischen Widerständen und gewissen Abmessungen eras wähnt wurden, wurden Vorrichtungen, bei denen Halbleitermaterialien von beträchtlich höheren und niedrigeren spezifischen Widerständen oder mit verschiedenen Abmessungen mit Erfolg hergestellt. Es wurden ferner Vorrichtungen hergestellt, die für Stromstärken von wenigen Milliampere bis zu vielen Ampere in der Durchlaßrichtung geeignet sind.
In den Fig. 3, 4 und 5 sind graphische Darstellungen verschiedener Charakteristiken spezieller Vorrichtungen der in Fig. 1 gezeigten Art dargestellt.
Die Vorrichtungen gemäß dieser Figuren wurden in der beschriebenen Weise hergestellt. Die Vorrichtung, mit der die Daten gemäß Fig. 3 erreicht werden, besaß ursprünglich die folgenden Abmessungen: L=0,5mm, W=WE+WB—1 mm, wobei L die Länge des Körpers 2 senkrecht zu der Zeichenebene und W die Breite des Körpers in der Zeichenebene bedeutet, bestehend aus einer Komponente We, die auf der Oberfläche 8 liegt, und einer Komponente Wb, die auf der Oberfläche 7 liegt. Der Bereich 3 besaß einen spezifischen Widerstand von 0,1 Ohm· cm. Die Vorrichtung für die Fig. 4 besaß die AbmessungenL=0,7mm, WE+WB=lmm. Die Vorrichtung, mit der die Daten gemäß Fig. 5 erreicht wurden, besaß einen kreisförmigen Kontakt 12 von 0,45 mm Durchmesser, wobei ein Teil ihres Durchmessers Wb und ein größerer Teil ihres Durchmessers We entspricht.
Fig. 3 zeigt die Änderung des Schalt- oder Einschaltstromes/s (27) und des Haltestromes In (28) als Funktion der Emitterkontaktbreite We für eine Vorrichtung, die eine Basiskontaktbreite Wb von 0,2 mm und 0,5 tnm besitzt.
Kurve 27 zeigt die Änderung des Einschaltstroms, Kurve 28 die Änderung des Haltestroms.
Die Kurve 29 in Fig, 4 zeigt die Änderung des Einschaltstroms mit der Kontaktbreite WB der Basis. Der Haltestrom IH (vgl. Kurve 30) wird im allgemeinen durch die Änderung der Basiskontaktbreite nicht beeinflußt. Der Einschaltstrom wächst angenähert linear mit der Kontaktbreite der Basis.
Abweichend von üblichen pnpn-Schaltern, sind kurzgeschlossene Emitterschalter in der Lage, innerhalb eines großen Temperaturbereichs zu arbeiten.
Fig. 5 zeigt Charakteristiken einer Vorrichtung, die innerhalb eines Temperaturbereichs von —50 bis +2000C arbeitet. Die Kurven 31, 32 und 33 in Fig. 5 zeigen die Änderung der Sperrspannung, des Einschaltstroms und des Haltestroms als Frunktion der Temperatur. Die Umschlagspannung VB0 ist die Spannung, die dem Strom /s entspricht, bei dem das Einschalten auftritt. Der Haltestrom In ändert sich nur wenig innerhalb eines großen Temperaturbereiches, während der Einschaltstrom Is sich bemerkenswert ändert. Die Umschlagspannung bleibt wegen des kleinen Temperaturkoeffizienten des lawinenartigen Durchbruchs praktisch konstant.
Bei üblichen pnpn-Dioden beginnt das Schalten oder teilweise Schalten gewöhnlich bei so niedrigen Stromstärken, daß ein mäßiger Temperaturanstieg und der damit verbundene Anstieg entweder der Umfangs- oder Oberflächen-Leckströme zu einem bemerkenswerten Abfall der Umbruchspannung VB0 führen kann. Kurzgeschlossene Emitterschaltvorrichtungen sind weniger für diesen Effekt anfällig, da sie, wie aus der vorhergehenden Beschreibung hervorgeht, einen Aufbau und eine Arbeisweise gemäß der Erfindung erhalten können, so daß sie sehr viel höhere Einschaltströme führen können.
Wegen der niedrigen Ströme, bei denen die üblichen pnpn-Dioden einschalten, schalten schnelle Impulse und die damit verbundenen Ladeströme die Vorrichtung, bevor die Impulse eine Größe erreicht haben, die der abgeschätzten Umschlagspannung entspricht. Bei kürzeren Emitterschaltvorrichtungen tritt diese Schwierigkeit nicht auf, da Einschaltströme erreicht werden können, die beträchtlich größer als der kapazitive Aufladestrom schneller Impulse sind.
Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine Schaltvorrichtung mit zwei Elektroden, die die in Fig. 7 dargestellte Strom-Spannungs-Charakteristik besitzt. Die Einrichtung in Fig. 6 ist ähnlich wie die Einrichtung in Fig. 1. Entsprechende Elemente wurden mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. Die Vorrichtung in Fig. 6 unterscheidet sich jedoch von der Vorrichtung in Fig. 1, indem sich in Fig. 6 der p-leitende Bereich 4 nur ein Stück entlang der Breite der Elektrode 13 erstreckt. Der Rest der Elektrode 13 steht mit dem η-leitenden Bereich 3 in Kontakt, der sich nach außen ähnlich wie der p-leitende Bereich 5 erstreckt. Deshalb besitzt der pn-übergang JE 2 einen Teil, der parallel und einen Teil der senkrecht zur Elektrode 13 verläuft.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 6 wird in ähnlicher Weise wie die in Fig. 1 gezeigte hergestellt, mit Ausnahme des Übergangs JE2. Eine Halbleiterplatte 2, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 gezeigt wurde, wird wie oben beschrieben hergestellt. Die äußere p-leitende Schicht der resultierenden Platte, die dem Bereich 4 in Fig. 1 entspricht, wird dann durch Abschleifen oder Ätzen entfernt. Die ganze Platte wird dann oxydiert, und von dem Teil der Oberfläche 18, der p-leitend sein soll, wird das Oxyd entfernt. Die Platte wird dann einer Strömung aus Borchlorid (BCl3) oder Boroxyd (B2O3) einer solchen Temperatur für eine hinreichend lange Zeit ausgesetzt, die ausreichend ist, um die gewünschte Tiefe der Umwandlung des nicht oxydierten Teils des n-leitenden Bereichs in einen p-leitenden Bereich zu erzeugen. Die Oberflächen 7, 8 und 18 und die Seiten der Platte werden dann abgeschnitten und geätzt oder nur geätzt, um die Oxydschichten zu entfernen. Die Elektroden 12 und 13 werden dann, wie bei der Vorrichtung in Fig. 1, aufgebracht.
Die graphische Darstellung der Fig. 7 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik der Vorrichtung. Wenn die Elektrode 12 relativ zu der Elektrode 13 negativ vorgespannt ist, dann muß sich die Vorrichtung wie die Vorrichtung in Fig. 1 verhalten, da die Übergänge JEl und JE.Z in Durchlaßrichtung vorgespannt sind und der Übergang Jc in Sperrichtung vorgespannt ist und weil ferner /£2 ein arbeitsmäßig kurzgeschlossener Emitter wie JEl ist. Die Charakteristik der Vorrichtung ist in dem ersten Quadranten der graphischen Darstellung gezeigt. Wenn die Elektrode 12 relativ zur Elektrode 13 positiv vorgespannt ist, wird der p-leitende Bereich 5, der leitend mit der Elektrode 12 verbunden ist, relativ zu dem n-leitenden Bereich 3 positiv, der mit der Elektrode 13 leitend verbunden ist. Deshalb besitzt die Vorrichtung die niedrige Impedanzcharakteristik einer in Durchlaßrichtung vorgespannten pn-Verbindung, die in den dritten Quadranten dieser Figur zu erkennen ist.
Fig. 8 zeigt einen Querschnitt einer Schaltvorrichtung mit zwei Elektroden, die eine Strom-Spannungs-Charakteristik besitzt, die in Fig. 9 gezeigt ist. Die Vorrichtung in Fig. 8 besitzt fünf Schichten 40, 41, 42, 43 und 44, wobei jede Schicht den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die benachbarte Schicht besitzt. Die Endschichten 40 und 41 besitzen denselben Leitfähigkeitstyp (η-Leiter) und sind perspektivisch gezeichnet in der Breite mit den benachbarten Zwischenschichten 42 und 43 und zeigen eine verlängerte Oberfläche, die in derselben Ebene wie die äußere Oberfläche der Schichten 40 und 41 liegt. Die Elekroden45 und 46 stehen in leitendem Kontakt mit den äußeren Oberflächen des Halbleiterkörpers, aus dem die Vorrichtung gebildet ist. Leiter 47 und 48 sind mit Elektroden 45 bzw. 46 verbunden.
In der Vorrichtung sind deshalb vier pn-Übergänge vorhanden: JEv JE2, JCl und /C2. JEl ist zwischen n- und p-Leitern 40 und 42 gebildet. JE2 ist zwischen n- und p-leitenden Schichten 41 bzw. 43 gebildet. Jc j ist zwischen p- und n-leitenden Schichten 42 bzw. 44 gebildet. /C2 ist zwischen p- und n-leitenden Schichten 43 bzw. 44 gebildet. Die Vorrichtung in Fig. 8 wurde in ähnlicher Weise wie die Vorrichtung in Fig. 1 hergestellt. Die Oberfläche des Hauptteils der Fig. 8 wird in einen Dampfstrom bei hoher Temperatur oxydiert. Ein Teil der oberen Oberfläche des Hauptteils der Halbleitervorrichtung und ein Teil der unteren Oberfläche des Hauptteils der Halbleitervorrichtung wird vor einer Oxydation geschützt oder nach der Oxydation abgeschliffen und poliert oder geätzt, um die Oxydschicht zu entfernen. Sonst ist die Arbeitsweise dieselbe, wie im Zusammenhang mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 beschrieben wurde. Die Teile der oberen und unteren Oberflächen, die geschützt werden, werden p-leitend, wie in der Vorrichtung der Fig. 1. Die Diffusion wird für eine solche Zeit durchgeführt, bis die gewünschte Konfiguration erreicht wird, die in der Figur gezeigt ist. Die obere und untere Oberfläche und die Seiten des Hauptteils aus halbleitendem Material in Fig. 8 werden dann geschliffen und geätzt, um die Oxydschichten zu entfernen. Auf die obere und untere Oberfläche werden leitende Überzüge aufgebracht, um Elektroden 45 und 46 zu bilden.
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In Fig. 9 zeigt eine graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Charakteristik der in Fig. 8 gezeigten Vorrichtung. Die Vorrichtung in Fig. 8 ist als symmetrischer Schalter mit fünf Bereichen gekennzeichnet, der zwei kurzgeschlossene Emitter besitzt und jedes Vorzeichen von Spannungen schaltet, die an seine Klemmen angelegt werden. Die Arbeitsweise der Vorrichtung in Fig. 8 soll in Verbindung mit Fig. 9 erläutert werden. Es soll angenommen werden, daß die an die Elektrode 47 angelegte Spannung negativ im Vergleich zu der Elektrode 48 angelegten Spannung ist. Der Übergang JE 1 wirkt als ein arbeitsmäßig kurzgeschlossener Emitter. Der Übergang/Cl wirkt als Kollektor, d. h. als Kollektor, der schalten soll. Der Übergang/c 2 wirkt als der andere Emitter. Der Übergang JE2 würde dazu tendieren, umgekehrt vorgespannt sein, er kann aber keine Spannung wegen des Kurzschlusses auf Grund der Elektrode 46 besitzen. Die Vorrichtung schaltet bei der angenommenen Polarität genau wie die Vorrichtung in Fig. 1 und besitzt die in dem ersten Quadranten der graphischen Darstellung gezeigte Charakteristik. Wenn die angelegte Spannung in ihrer Polarität umgekehrt wird, muß wegen der Symmetrie der Struktur wieder ein Schalten auftreten. Es ergibt sich die in dem dritten Quadranten der Figur gezeigte Charakteristik. In einer üblichen npnpn- oder pnpnp-Vorrichtung tritt ebenfalls ein Schalten auf. Aber der eine oder andere Emitterübergang ist umgekehrt vorgespannt, so daß er Strom nur bei der Lawinenspannung dieses Übergangs durchläßt. Deshalb ist ein großer Serienspannungsabfall in der Durchlaßrichtung für derartige Vorrichtungen charakteristisch, während die Struktur gemäß Fig. 8 die niedrige Spannungscharakteristik in Durchlaßrichtung von pnpn-Vorrichtungen besitzt.
Fig. 10 zeigt eine Schaltvorrichtung mit vier Schichten und drei Elektroden. Die Vorrichtung ist der Vorrichtung in Fig. 1 ähnlich. Entsprechende Elemente sind mit demselben Bezugszeichen versehen. Die Zwischenschicht 5 erstreckt sich bis zu der oberen Oberfläche der Vorrichtung an einer Seite der Verbindung /£l, die entfernt von dem Teil von Z£l ist, der kurzgeschlossen ist, und ein ohmsche Steuerelektrode 19 ist dort angeschlossen. Die Vorrichtung in Fig. 10 kann in ähnlicher Weise hergestellt werden wie die Vorrichtung in Fig. 1.
Die Fig. 11 zeigt den Strom in Durchlaßrichtung und Sperrichtung in Abhängigkeit von der Spannung. Die Vorrichtung in Fig. 10 arbeitet in ähnlicher Weise wie die Vorrichtung in Fig. 1. Im allgemeinen sind die Charakteristiken in dem ersten und dritten Quadranten sehr ähnlich zu den Charakteristiken der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung. Die mit Z01, Z02, Z03, Zq4, Zq5 gezeichneten Kurven zeigen die Strom-Spannungs-Charakteristiken für anwachsende Werte des Steuerstroms Z0, der der Elektrode 19 zugeführt wird. Der erhöhte Übergang von dem Bereich 6 in den Bereich 5 wird durch eine geeignete Vorspannung der Elektrode 19 gegenüber der Elektrode 14 erreicht, um zu ermöglichen, daß die Schicht 6 als Emitter arbeitet. Eine erhöhte Vorspannung an der Elektrode 19 gegenüber der Elektrode 14 erhöht unabhängig den Übergang an dem Rand des Emitters, der der Elektrode 19 am nächsten liegt, so daß die beiden obenerwähnten Bedingungen bei niedrigeren Werten der Spannung erreicht werden, die an die den Belastungsstrom führenden Elektroden 12 und 13 angelegt wird.
Die Fig. 12 und 13 zeigen ferner konstruktive Merkmale der Vorrichtung in Fig. 10. Der Grundteil 2 befindet sich auf einer leitenden Platte 34, die aus Wolfram oder einem anderen geeigneten Material bestehen kann, das an die Leiter 35 angelötet ist. Die Elektrode 36 kann in üblicher Weise aus einer Ablagerung von Aluminium bestehen. Der Leiter 37 kann eine Ablagerung von Aluminium sein, und der Leiter 38 kann aus Wolfram oder einem anderen geeigneten Material bestehen, an dem der äußere Leiter 39 angelötet ist. Der Steuerleiter 19 kann z. B. ein Aluminiumdraht sein, der mit dem η-leitenden Bereich legiert ist. Die in den Fig. 12 und 13 gezeigten konstruktiven Merkmale können auch bei den anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, die bisher beschrieben wurden oder im folgenden noch beschrieben werden.
Fig. 14 zeigt eine Schaltvorrichtung mit vier Schichten und drei Elektroden. Diese Vorrichtung ist der Vorrichtung in Fig. 6 ähnlich. Entsprechende Elemente wurden mit demselben Bezugszeichen versehen. Bei dieser Vorrichtung steht jedoch die obere Elektrode nur in Kontakt mit der Schicht 6, und eine Steuerelektrode 25 ist leitend mit der p-leitenden Basisschicht 5 verbunden. Die Vorrichtung kann in der oben beschriebenen Weise hergestellt werden.
Fig. 15 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristiken der Vorrichtung in Fig. 14. Wenn die Elektrode 12 positiv ist gegenüber der Elektrode 13, besitzt die Vorrichtung die Charakteristik 50 in Sperrichtung. Die Sperrspannung wird bestimmt durch die Sperrspannung von JEv Wenn die Elektrode 12 negativ im Vergleich zu der Elektrode 13 ist, besitzt die Vorrichtung die Charakteristiken in Durchlaßrichtung. Die entsprechenden Kurven sind in dem ersten Quadranten eingezeichnet. Sie sind ähnlich den Charakteristiken üblicher gesteuerter Gleichrichter. Die mit Z01 bis Z0 s bezeichneten Kurven zeigen die Strom-Spannungs-Charakteristik für verschiedene Werte des Stroms Z0, der der Steuerelektrode 25 zugeführt wird.
Fig. 16 zeigt eine Schaltvorrichtung mit vier Schichten und drei Elektroden. Diese Vorrichtung ist der Vorrichtung in Fig. 1 ähnlich, und entsprechende Elemente wurden mit demselben Bezugszeichen bezeichnet. In dieser Vorrichtung erstreckt sich die Zwischenschicht 5 bis zur oberen Oberfläche der Vorrichtung durch den Emitterbereich 6 in eine Reihe von p-leitenden Bereichen Sa, 5b, Sc und 5d, die lokale Bereiche sein können. Die Elektrode 12 steht in Kontakt mit dem Bereich 6 und mit den Bereichen Sa, Sb, Sc und Sd. Die Elektrode 26 ist mit dem Bereich 5 an einem Punkt verbunden, der entfernt von dem Teil des Übergangs Z£ liegt, der kurzgeschlossen ist. Diese Vorrichtung kann in entsprechender Weise wie die Vorrichtung in Fig. 1 hergestellt werden. Die benachbarten Oberflächenbereiche, die p-leitend werden sollen, können mit begrenzten Oxydschichten versehen werden, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert wurde, wodurch ein Eindringen des die η-Leitung bewirkenden Stoffes, der verwendet wird, um die gezeigte Konfiguration zu erreichen, verhindert wird. Als Alternative kann ein Aktivator für p-Leitfähigkeit, wie z. B. Indium oder Gallium, an verschiedenen Stellen durch den Bereich 6 in Fig. 1 mit dem p-leitenden Bereich 5 legiert werden, bevor die Elektrode 12 angebracht wird. Die in Fig. 14 gezeigte Struktur, bei der die Kurzschlüsse verteilt sind, besitzt die gewöhnlichen Vorteile von Strukturen mit
kurzgeschlossenem Emitter, erfordert jedoch nicht größere Ströme, die der Steuerelektrode 26 zugeführt werden müssen, um die Vorrichtung leitend zu halten, während alles übrige gleich ist.
Fig. 17 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristik der Vorrichtung in Fig. 16. Wenn die Elektrode 12 positiv gegenüber der Elektrode 13 ist, besitzt die Vorrichtung die Charakteristik 51 in Sperrichtung. Wenn die Elektrode 12 negativ gegenüber der Elektrode 13 ist, besitzt die Vorrichtung die Charakteristiken in Durchlaßrichtung, die durch die eingezeichneten Kurvenscharen gegeben sind. Die Kurven /Gl bis Iq5 zeigen die Strom-Spannungs-Charakteristiken für anwachsende Werte des Steuerstroms I0, der der Elektrode 26 zugeführt wird.
Fig. 18 zeigt eine Schaltervorrichtung mit vier Schichten und mehreren Elektroden. Die Vorrichtung ist ähnlich wie die in Fig. 6, und entsprechende Elemente wurden mit dem gleichen Bezugszeichen versehen. In dieser Vorrichtung erstreckt sich die Zwischenschicht 5 bis zu dem Oberteil der Oberfläche der Vorrichtung an beiden Seiten des n-leitenden Bereiches 6. In ähnlicher Weise erstreckt sich die η-leitende Zwischenschicht 3 bis zur unteren Oberfläche der Vorrichtung auf beiden Seiten des p-leitenden Bereichs 4. Kurzschlußkontakte 12 und 13 werden wie in Fig. 6 angebracht. Zusätzlich werden Steuerelektroden 52 und 53 an der Basis 5 bzw. 3 an der Seite befestigt, die entfernt von dem Kurzschluß liegt. Die Lage des Kurzschlusses kann von der rechten Seite der Einrichtung zu der linken Seite verschoben werden, wobei die Steuerelektroden entsprechend verschoben werden.
Fig. 19 zeigt die Strom-Spannungs-Charakteristiken der Vorrichtung in Fig. 16. Wenn die Elektrode 12 positiv gegenüber der Elektrode 13 ist, wird der Übergang J0 in Durchlaßrichtung vorgespannt, wie im Teil 54 der graphischen Darstellung in Fig. 19 gezeigt ist. Wenn die Elektrode 12 negativ vorgespannt ist im Vergleich zur Elektrode 13, ergeben sich Charakteristiken in Durchlaßrichtung, die in dem ersten Quadranten der Figur eingezeichnet sind. Diese Kurven zeigen die Strom-Spannungs-Charakteristiken für verschiedene Werte des Stroms I01 bis Iq5, der der Elektrode 52 zugeführt wird. Eine ähnliche Gruppe von Charakteristiken ergibt sich für verschiedene Ströme, die der Elektrode 53 zugeführt werden. Ferner kann die Stromleitung von Elektrode zu Elektrode gleichzeitig bestimmt werden durch Ströme, die beiden Elektroden 52 und 53 zugeführt werden.
Fig. 20 zeigt eine Schaltvorrichtung mit fünf Schichten, die der Fig. 8 ähnlich ist und Steuerelektroden besitzt, die mit verschiedenen Zwischenschichten der Vorrichtung verbunden sind. Elemente der Vorrichtung in Fig. 20, die den Elementen der Vorrichtung in Fig. 8 entsprechen, wurden mit demselben Bezugszeichen versehen. Die Endschichten oder Bereiche 40 und! 41 erstrecken sich nicht zu den Kanten des Halbleitergrundteils und gestatten so den Zwischenschichten 42 und 43, sich bis zu der oberen und unteren Oberfläche der Vorrichtung zu erstrecken. An den Enden der Übergänge JEl und /fi2, die entfernt von den Enden liegen, die kurzgeschlossen sind, sind Teile eingeschlossen, die sich senkrecht zu der oberen und unteren Oberfläche der Vorrichtung erstrecken. An den äußeren Oberflächen 42 und 43, die diesen Teilen der Verbindungen JE 1 und JE 2 benachbart sind, sind Elektroden 60 bzw. 61 angeschlossen. Zusätzlich ist eine Steuerelektrode 62 mit der zentralen Schicht 44 verbunden. Die in Fig. 18 gezeigte Vorrichtung kann in ähnlicher Weise wie die Vorrichtung der Fig. 8 hergestellt werden.
In Fig. 21 sind die Strom-Spannungs-Charakteristiken der Vorrichtung in Fig. 20 eingezeichnet. Die Vorrichtung in Fig. 20 benimmt sich bei Abwesenheit von Steuersignalen, die den Steuerelektroden zugeführt werden, sehr ähnlich wie die Vorrichtung in Fig. 8,
ίο d. h., wenn die Elektrode 45 negativ polarisiert wird gegenüber der Elektrode 46, dann wird die Vorrichtung leitend bei einem bestimmten Wert der Spannung VBon und in ähnlicher Weise, wenn die Elektrode 45 positiv polarisiert wird gegenüber der Elektrode 46, wird die Vorrichtung leitend bei einem anderen bestimmten Wert der Spannung VB 0 L, wie in Fig. 21 gezeigt ist. Die verschiedenen Kurven I01 bis /Gs und IPl bis IFs zeigen die Änderung der Strom-Spannungs-Charakteristik über die Elektroden 45, 46 der Vorrichtung für verschiedene Werte des Steuerstroms, der den Steuerelektroden 60 bzw. 61 zugeführt wird. Für ansteigende Werte des Steuerstroms schaltet die Vorrichtung auf den in Durchlaßrichtung leitenden Zustand bei geringeren Werten der Spannung, die zwischen den Elektroden 45 und 46 angelegt wird. Die Kurvenschar der Charakteristiken, die ähnlich der Kurvenschar der Charakteristiken sind, die für die Steuerelektroden 60 und 61 gezeigt wurden, existieren in jedem der ersten und dritten Quadranten für verschiedene Ströme, die der Elektrode 62 zugeführt werden.
Wie oben erwähnt wurde, lautet das Kriterium für den Umschlag zur Leitung in Flußrichtung für den Übergang /Cl im einen Fall und für J02 im anderen
Fall, daß die Stromverstärkung von mindestens einem der beiden Transistorabschnitte, in die die Vorrichtung aufgeteilt werden kann, in dem Zustand der Leitfähigkeit in Durchlaßrichtung ein α besitzt, das mit dem Strom wächst, und daß die Summe der α-Werte der zwei Transistorabschnitte bei einer mittleren Stromstärke gleich oder größer als die Einheit ist. Diese Bedingungen zum Zünden bei einer gewissen Spannung, die quer zu den den Hauptstrom führenden Elektroden 45 und 46 angelegt wird, kann erfüllt werden durch die Anwendung geeigneter Ströme an Steuerelektroden 60 und 61. Ein Signal an einer der beiden Steuerelektroden 60 und 61 würde nur dann einen Effekt zur Folge haben, wenn die Hauptelektroden geeignet polarisiert sind. Das Zünden der Vorrichtung, d. h. das Umschalten von dem Zustand hohen Widerstands in den Zustand mit geringem Widerstand, kann unabhängig von der Polarität der Elektrode 45 zu der betreffenden Elektrode 46 erreicht werden durch das Zuführen eines Signals an der Elektrode 62. Wenn der zugeführte Strom an dieser Elektrode so ist, daß für eine gegebene Spannung, die zwischen den Elektroden 45 und 46 liegt, die obenerwähnten Bedingungen erfüllt sind, dann zündet die Vorrichtung. Das Schalten der Vorrichtung in den leitenden Zustand kann auch durch gleichzeitige Anwendung von Steuerströmen zu zwei oder mehr der Steuerelektroden 60,61 und 62 erreicht werden.
Die Vorrichtung in Fig. 20 kann in Schaltungen verwandt werden, bei denen übliche vierschichtige Steuervorrichtungen mit drei Elektroden verwandt werden, die im allgemeinen als gesteuerte Gleichrichter bezeichnet werden, und auch in anderen
Schaltungen, die sowohl Schaltcharakteristiken in zwei Richtungen der Vorrichtung als auch die Vielzahl der Steuerelemente voll ausnutzen.
Die obenerwähnten Vorrichtungen mit zwei Elektroden können in Schaltungen und Strecken verwendet werden, in denen übliche mehrschichtige pnpn-Schaltvorrichtungen verwendet werden, z. B. bei Kreuzschaltungen, bei Schaltschränken für Fernsprecher, bei Oszillatoren, bei Zählschaltungen und in Schaltungen, die negative Widerstandcharakteristikten erfordern, sowie bei Schaltungen und Verwendungen, die noch zu entwerfen sind. Die Vorrichtungen mit drei oder mehr Elektroden, die oben beschrieben wurden, können in Schaltungen verwendet werden, in denen die üblichen gesteuerten Gleichrichter verwendet werden, und in Schaltungen, die noch zu entwerfen sind.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mindestens drei pn-Übergängen zwischen Schichten von abwechselndem und entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, dadurch gekenn zeichnet, daß eine flächenhafte Elektrode (12) mit niedrigem ohmschem Widerstand an der Oberfläche (8) mindestens einer äußeren Schicht (6) und an einer frei liegenden Oberfläche (7) der angrenzenden Schicht (5) des Halbleiterkörpers mit ohmschem Kontakt so angebracht ist, daß der pnübergang (9,10) dieser beiden Schichten teilweise überbrückt ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere flächenhafte Elektrode (13) mit niedrigem ohmschem Widerstand an der Oberfläche (18) einer weiteren äußeren Schicht (4) und an einer frei liegenden Oberfläche der angrenzenden Schicht (3) des Halbleiterkörpers so angebracht ist, daß der pnübergang (/£2) dieser beiden Schichten teilweise überbrückt ist (Fig. 6).
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper anStelle eines nicht durch flächenhafte Elektroden überbrückten pn-Überganges (7C) zwei zueinander parallele pn-Ubergänge (7Cl und 7C2) vorgesehen sind (Fig. 8).
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der frei liegenden Oberfläche der an die äußere Schicht (6) angrenzenden Schicht (5) eine Steuerelektrode (19) an einer Stelle angeordnet ist, zwischen der und der äußeren Schicht (6) der pn-übergang (7El) zur Außenfläche hindurchgeht (Fig. 10).
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß allein die weitere flächenhafte Elektrode (13) mit niedrigem ohmschem Widerstand einen pn-übergang (7£2) überbrückt, während die Elektrode (12) nur an der Oberfläche der äußeren Schicht (6) angebracht ist, und daß an der frei liegenden Oberfläche der angrenzenden Schicht (S) eine Steuerelektrode (25) in ohmschemKontakt vorgesehen ist (Fig. 14).
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht (6) aus mehreren Teilen besteht, zwischen denen die Oberfläche der angrenzenden Schicht (5) frei liegt, und daß die flächenhafte Elektrode (12) an der Oberfläche der Teilschichten (6) und der dazwischenliegenden Abschnitte der angrenzenden Schicht (5) mit ohmschem Kontakt angebracht ist (Fig. 16).
7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der frei liegenden Oberfläche der angrenzenden Schichten (5, 3) je eine Steuerelektrode (52, 53) an einer Stelle angeordnet ist, zwischen der und der äußeren Schicht (6, 4) der pn-übergang (7£l bzw. 7£2) hindurchgeht (Fig. 18).
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle des nicht durch die flächenhaften Elektroden (45,46) überbrückten pn-Überganges (7C) zwei zueinander parallele pn-Übergänge (7Cl und 7C2) vorgesehen sind und daß an der zwischen diesen beiden pn-Übergängen (7Cl und 7C2) liegenden Schicht (44) eine Steuerelektrode (62) angeschlossen ist (Fig. 20).
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1033 787;
USA.-Patentschriften Nr. 2 654 059, 2 852 677.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
® 309 689/200 9.63
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