DE1439922B2 - Schaltbares halbleiterbauelement mit einem pnpn oder einem npnp halbleiterkoerper - Google Patents
Schaltbares halbleiterbauelement mit einem pnpn oder einem npnp halbleiterkoerperInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein schaltbares Halbleiterbauelement
mit einem PNPN- oder einem NPNP-Halbleiterkörper, dessen beide äußeren Zonen sowie eine der beiden inneren Zonen von Kontaktelektroden
ohmisch kontaktiert sind und bei dem diejenige Dreizonenfolge, deren mittlere Zone die
kontaktierte innere Zone ist, einen ersten Teiltransistor bildet, dessen Stromverstärkungsfaktor Oc1 größer
ist als der kleine Stromverstärkungsfaktor K2 des
zweiten, durch diejenige Dreizonenfolge gebildeten Teiltransistors, deren mittlere Zone die nichtkontaktierte
innere Zone ist, wobei außerdem K1 + K2
größer als 1 ist.
Halbleiterbauelemente dieser allgemeinen Bauart haben thyratronähnliches Verhalten, wobei die Kontaktelektrode
der kontaktierten inneren Zone der mit
ίο Zündimpulsen zu beaufschlagenden Torelektrode eines
Thyratrons entspricht.
Obwohl ein solches Halbleiterbauelement leicht vom nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand durch
Zuführen verhältnismäßig kleiner Energiebeträge an die kontaktierte innere Zone überführt werden kann,
ist allgemein bekannt, daß die umgekehrte Schaltfunktion schwieriger auszuführen ist. Es sind also
verhältnismäßig große Energiebeträge notwendig, um das PNPN-Halbleiterbauelement wieder abzuschalten.
Bei einem bekannten Halbleiterbauelement der einleitend beschriebenen Art liegt der Stromverstärkungsfaktor A1 des ersten Teiltransistors zwischen 0,6 und
0,9 und der Stromverstärkungsfaktor «2 des zweiten
Teiltransistors zwischen 0,2 und 0,4. Diese Beziehung zwischen den beiden Teiltransistoren kann zwar zu
vernünftigem Einschaltverhalten ausgenutzt werden, es ist aber dabei nicht möglich, das Halbleiterbauelement
wieder in den nichtleitenden Zustand lediglich durch Steuersignale zu überführen, die der Kontaktelektrode
der kontaktierten inneren Zone zugeführt werden.
Auch ist bei dem bekannten Halbleiterbauelement die niedrige Stromverstärkung des zweiten Teiltransistors
nur zu dem Zweck vorgesehen, die Spitzen-Sperrspannung zu erhöhen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die zum Abschalten des einmal leitend gewordenen
Halbleiterbauelementes erforderliche Steuerleistung herabzusetzen. Bei dem bekannten Halbleiterbauelement
wird das Abschalten auf die übliche Weise einfach dadurch erreicht, daß beispielsweise ein im
Laststromkreis liegender Schalter geöffnet wird. Dies ist gleichbedeutend mit einem Durchgang des Laststroms
durch Null oder mit dem Zuführen eines dem Laststrom entgegengesetzten Steuerimpulses zumindest
vergleichbarer Größe. Es ist daher eine hohe Ausschaltsteuerleistung notwendig.
Während bei den bekannten Halbleiterbauelementen dieser Art die über die kontaktierte innere Zone (Basis)
erfolgende Einschaltsteuerung wegen des vergleichsweise hohen Stromverstärkungswertes A1 nur eine
kleine Einschaltsteuerleistung erfordert, ist die Abschaltsteuerleistung unverhältnismäßig größer. Man
war bisher der Ansicht, daß bei einer über die Basis erfolgenden Steuerung der zum Abschalten erforderliche
Steuerstrom etwa gleich dem Laststrom sein müßte. Es soll daher insbesondere in dieser Hinsicht
durch die Erfindung Abhilfe geschaffen werden.
Die Erfindung, die für ein schaltendes Halbleiterbauelement der einleitend beschriebenen Art die erforderliche Abschaltsteuerleistung herabsetzt und dabei verschiedene Vorteile ermöglicht, besteht darin, daß der erste Teiltransistor so ausgebildet ist, daß K1 nur wenig kleiner als 1 ist, und der zweite so, daß K2 nur wenig größer als 0 ist und daß K1 + oc2 nur wenig größer als 1 ist.
Die Erfindung, die für ein schaltendes Halbleiterbauelement der einleitend beschriebenen Art die erforderliche Abschaltsteuerleistung herabsetzt und dabei verschiedene Vorteile ermöglicht, besteht darin, daß der erste Teiltransistor so ausgebildet ist, daß K1 nur wenig kleiner als 1 ist, und der zweite so, daß K2 nur wenig größer als 0 ist und daß K1 + oc2 nur wenig größer als 1 ist.
Durch diese Ausbildung erhält man zunächst für das Halbleiterbauelement eine große Einschaltverstär-
kung, weil Oc1 nur wenig kleiner als 1 ist, d. h. das
Halbleiterbauelement kann durch einen verhältnismäßig geringen Steuerstrom in den leitenden Zustand
gebracht werden. Weiterhin ist, da die Summe von OC1 und Oc2 nur wenig größer als 1 ist, der Strom, der
vom zweiten Teiltransistor an die Basis des ersten Teiltransistors geliefert wird, nur so groß, wie zur Aufrechterhaltung
der Sättigung des ersten Teiltransistors notwendig, so daß das Halbleiterbauelement durch
eine verhältnismäßig kleine Verringerung des Stromes vom zweiten Teiltransistor an die Basis des ersten
Teiltransistors abgeschaltet werden kann.
Vorzugsweise liegt Oc1 zwischen 0,9 und 0,99, und
Oc1 ist wenigstens neunmal größer als a2. A1 kann sogar
fünfzigmal größer als oc2 sein. Die Summe der beiden
oc-Werte soll vorzugsweise 1,1 nicht übersteigen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der niedrige Wert für oc2 durch Herabsetzen des Injektionswirkungsgrades
γ des zweiten Teiltransistors erreicht. Insbesondere wird der niedrige Injektionswirkungsgrad
für diesen Teiltransistor dadurch erreicht, daß der Flächenwiderstand der Emitterzone,
d. h. der äußeren Zone, dieses Teiltransistors wesentlich größer als der Flächenwiderstand der Basiszone,
d. h. der nicht kontaktierten inneren Zone, dieses Teiltransistors gemacht wird, während der erste Teiltransistor
nach einem bekannten Herstellungsverfahren als Transistor mit einem hohen Wert für ^1 hergestellt
wird.
Nachstehend ist die Erfindung an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsformen des schaltbaren
Halbleiterbauelements im einzelnen erläutert; es zeigt
F i g. 1 die schematische Darstellung eines schaltbaren PNPN-Halbleiterbauelementes und
F i g. 2 bis 4 je ein Ausführungsbeispiel des schaltbaren Halbleiterbauelementes nach der Erfindung.
F i g. 1 ist eine schematische Darstellung eines schaltbaren PNPN-Halbleiterbauelementes mit drei
Kontaktelektroden. Wie durch die obere Klammer, die den P17V2i>2-Teiltransistor des Halbleiterkörpers
bezeichnet, angegeben ist, ist ocjv die Gleichspannungsverstärkung dieses Teiltransistors (nachfolgend Flußtransistor
genannt), während die untere Klammer ocp als die Gleichspannungsverstärkung des N1P1N2-Teiltransistors
(nachfolgend Steuertransistor genannt) angibt. An die äußeren Zonen P2 und TV1 und an die
innere kontaktierte Zone, die Steuerbasiszone P1, sind Kontaktelektroden bzw. die Steuerelektrode angeschlossen.
Die Richtung des Stromflusses für die gewählten Polaritäten sind durch Pfeile angegeben,
und die Ströme sind mit I0, Ie und /& bezeichnet.
Wenn das Halbleiterbauelement durch einen Stromimpuls über die Steuerelektrode in den leitenden Zustand
versetzt wird und der Impuls dann wieder entfernt wird, liefert der Flußtransistor Basisstrom an
den Steuertransistor und umgekehrt. Der Maximalwert des Stroms, den der Flußtransistor liefert, ist
bezeichnet mit /&pnp, und er ergibt sich zu:
60
hPNP = —djylc . (1)
Um das Halbleiterbauelement leitend zu halten, müssen sowohl der NPN- als auch der PNP-Teiltransistor
im leitenden Zustand gehalten werden. Dem NPN-Teiltransistor muß ein Basisstrom solcher Größe
zugeführt werden, daß der Trägerverlust durch Rekombination und andere Effekte ergänzt wird. Dieser
beträgt: | Ie-t | (2) |
Ibmin = | (l-i | (3) |
Ibmin — | ||
Xp) Ie ■ | ||
Strom
Im leitenden Zustand ist aN + ocj,
>1, und es wird nicht der gesamte Strom/spnp benötigt. Der Überschuß
bleibt in der Basiszone N2 zurück.
Um das PNPN-Halbleiterbauelement in den nichtleitenden
Zustand durch Verringerung des Steuerelektrodenstromes zur Basiszone P1 zu schalten, wird
der Steuerelektrodenstrom genügend verringert, so daß der Strom I0 nicht aufrechterhalten werden kann.
Um das Abschalten zu erreichen, ist daher notwendig, daß:
0CNIc — Ib
< Ibmin , (4)
— h < (1 — OCp) I6 , (5)
= Ic-Ib, (6)
+ OCj, — 1) Ic
< OCpIb- (J)
Die Abschaltstromverstärkung ist daher definiert zu:
h _ OCp
h «Λ' + ocp — 1
Eine merkliche Abschaltstromverstärkung, d. h. ein Schaltstrom, der groß ist im Vergleich zu dem Steuerelektrodenstrom,
wird daher erreicht in einem PNPN-Halbleiterbauelement, das so ausgebildet ist, daß im
leitenden Zustand die Summe der oc-Werte der beiden Teiltransistoren nur wenig größer als 1 ist. Weiterhin
nähert sich zur Erreichung einer Einschaltstromverstärkung der α-Wert des Steuertransistors dem Wert
Eins und der «-Wert des Flußtransistors dem Wert Null.
Eine Ausführungsform, die eine hohe Abschaltstromverstärkung besitzt, zeigt die F i g. 2. Das
Halbleiterplättchen 20 besteht aus vier aufeinanderfolgenden Zonen 21, 22, 23 und 24 verschiedenen
Leitungstyps. Die ohmschen Kontaktelektroden 25 und 26 führen zu den äußeren Zonen 21 und 24, und
eine dritte ohmsche Kontaktelektrode 27, die Steuerelektrode, führt zu der inneren Zone 22, die die Basiszone
des NPN-Teiltransistors darstellt.
In dieser Ausführungsform ist der Injektions-Wirkungsgrad γ des P2Af 2P1-Teiltransistors, der aus
den Zonen 24, 23 und 22 besteht, so eingestellt, daß sich der gewünschte niedrige oc-Wert ergibt. Es ist
bekannt, daß der Injektions-Wirkungsgrad der Minoritäts-Ladungsträger eines Transistors, bei dem die
Diffusionslänge der Ladungsträger in der Emitter- und Basiszone groß ist im Vergleich zu der Ausdehnung
dieser Zonen, ausgedrückt werden kann durch:
Rb+ Re
worin Rb und Re die Flächenwiderstände der Basis-
und Emitterzone sind. Um einen gewünschten kleinen Wert des Injektions-Wirkungsgrades zu erhalten, wird
Re wesentlich größer als Rb gewählt. Daher hat die
Basiszone 23 nach F i g. 2 einen Flächenwiderstand von ungefähr 50 Ohm pro Quadrat und die Emitterzone
24 einen Flächenwiderstand von ungefähr
5 6
1000 Ohm pro Quadrat. Mit diesen Widerstands- Übergang fließt, in erster Linie aus in die N2-Basis-
werten kann der Wert für κχ des P2N2P1-TeHtVBLn- zone 33 injizierten Löchern besteht,
sistors 0,05 nicht übersteigen. Der Wert für <xp des Im Regelfall ist das Halbleiterbauelement 30 nach
A'jfjTVg-Teiltransistors wird nach bekannten Ver- F i g. 3 aus einem Siliziumplättchen aufgebaut, das
fahren auf etwa 0,99 eingestellt. Die Abschaltstrom- 5 eine ähnliche Größe wie bei der Ausführungsform
verstärkung beträgt dann etwa 25. nach F i g. 2 besitzt. Die P2-Zone 34 ist 0,00025 cm
Das Halbleiterbauelement 20 nach F i g. 2 kann im dick, die N2-Zone 33 0,01 cm, die P^Zone 32
bekannten Dreifach-Diffusionsverfahren hergestellt 0,0001 cm und die NrZone 31 0,00015 cm. Die
werden, wobei z. B. ein Silizium-Einkristallplättchen N2-Zone 33 besteht aus dem Ausgangsmaterial mit
von ungefähr 0,125 qcm und 0,01 cm Dicke mit einem io einem spezifischen Widerstand von 0,5 Ohmcm.
spezifischen Widerstand von 0,5 Ohmcm verwendet Beim Halbleiterbauelement 40 nach F i g. 4 wird wird. Die N2-Basiszone 23 besteht aus diesem Aus- ein kleiner α-Wert des Flußtransistors durch Herabgangsmaterial und besitzt eine Dicke von etwas Setzung des Transportfaktors β erreicht. Im einzelnen weniger als 0,01 cm, so daß sich der vorher ange- erzielt man diesen kleineren /?-Wert durch Verkleinegebene Flächenwiderstand von 50 Ohm pro Quadrat 15 rung und zentrale Anordnung der Querschnittsfläche ergibt. Die anderen drei Zonen sind alle wesentlich des PN-Übergangs zwischen der N2-Zone 43 und der dünner als diese Zone 23. So besitzen die Px-Zone 22 Pj-Zone 42, der als Kollektor-Übergang des Flußeine Dicke von 0,00025 cm, die Nj-Zone 21 eine Dicke transistors, gebildet aus den Zonen 44,43 und 42, dient, kleiner als 0,00025 cm und die P2-Zone 24 eine Dicke und durch Anbringen von zwei Kontaktelektroden von 0,0000025 cm. Die Kontaktelektroden 25, 26 und 20 46 und 48 mit kleinem Übergangswiderstand an dem 27 sind mit Hilfe herkömmlicher bekannter Verfahren Rand der P2-Zone 44, des Emitters dieses Flußtranangebracht. sistors. Als Folge davon versuchen die Minoritäts-
spezifischen Widerstand von 0,5 Ohmcm verwendet Beim Halbleiterbauelement 40 nach F i g. 4 wird wird. Die N2-Basiszone 23 besteht aus diesem Aus- ein kleiner α-Wert des Flußtransistors durch Herabgangsmaterial und besitzt eine Dicke von etwas Setzung des Transportfaktors β erreicht. Im einzelnen weniger als 0,01 cm, so daß sich der vorher ange- erzielt man diesen kleineren /?-Wert durch Verkleinegebene Flächenwiderstand von 50 Ohm pro Quadrat 15 rung und zentrale Anordnung der Querschnittsfläche ergibt. Die anderen drei Zonen sind alle wesentlich des PN-Übergangs zwischen der N2-Zone 43 und der dünner als diese Zone 23. So besitzen die Px-Zone 22 Pj-Zone 42, der als Kollektor-Übergang des Flußeine Dicke von 0,00025 cm, die Nj-Zone 21 eine Dicke transistors, gebildet aus den Zonen 44,43 und 42, dient, kleiner als 0,00025 cm und die P2-Zone 24 eine Dicke und durch Anbringen von zwei Kontaktelektroden von 0,0000025 cm. Die Kontaktelektroden 25, 26 und 20 46 und 48 mit kleinem Übergangswiderstand an dem 27 sind mit Hilfe herkömmlicher bekannter Verfahren Rand der P2-Zone 44, des Emitters dieses Flußtranangebracht. sistors. Als Folge davon versuchen die Minoritäts-
In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 wird der Ladungsträger sich in der Nachbarschaft der Kontakt-Injektions-Wirkungsgrad
γ des PNP-Teiltransistors elektroden 46 und 48 zu konzentrieren, und ihre Sammherabgesetzt,
indem der größte Teil des Stromes an 25 lung an dem P1N2-U bergang 49 wird verringert. Das
dem Emitter-Übergang zwischen der P2-Zone 34 und Verhältnis der Fläche des P1N2-Ubergangs 49 zu der
der N2-Zone 33 vorbeigeleitet wird. Zu diesem Zweck des P2N2-Emitterübergangs und der Wert der Schichtist
die Kontaktelektrode 36 an beiden Zonen ange- widerstände der N2-Basiszone 43 und der P2-Emitterbracht,
insbesondere an eine Kante der P2-Zone. In zone 44 bestimmen den Wert von χχ.
typischer Weise ist der Schichtwiderstand der N2-Basis- 30 Im Regelfall kann bei einem Siliziumplättchen, das zone 33 wesentlich kleiner, ungefähr ein 20stel, als in Größe und Form der zuletzt beschriebenen Ausder der P2-Emitterzone 34. Es ergibt sich eine merk- führung ähnelt, die Größe des Kollektor-PN-Überliche Herabsetzung des Injektions-Wirkungsgrades ganges 49 ungefähr ein Zehntel der Größe des Emitterdes PNP-Teiltransistors, da ungefähr neunzehn 20stel PN-Überganges 50 betragen.
typischer Weise ist der Schichtwiderstand der N2-Basis- 30 Im Regelfall kann bei einem Siliziumplättchen, das zone 33 wesentlich kleiner, ungefähr ein 20stel, als in Größe und Form der zuletzt beschriebenen Ausder der P2-Emitterzone 34. Es ergibt sich eine merk- führung ähnelt, die Größe des Kollektor-PN-Überliche Herabsetzung des Injektions-Wirkungsgrades ganges 49 ungefähr ein Zehntel der Größe des Emitterdes PNP-Teiltransistors, da ungefähr neunzehn 20stel PN-Überganges 50 betragen.
des Stromes von der Kontaktelektrode 36 direkt in die 35 Auch andere Anordnungen können benutzt werden,
Basiszone fließen, anstatt durch Injektion durch den um die verlangten «-Werte zu erzielen. Ferner können
Emitter-Übergang. Um bei dieser Ausführungsform beispielsweise die Leitungstypen der verschiedenen
maximale Wirksamkeit zu erhalten, wird der Wider- Zonen der beschriebenen Ausführungsbeispiele umgestand
in der N2-Basiszone 33 wesentlich größer ge- tauscht werden. Es können auch verschiedene andere
macht als der Durchlaßwiderstand des Emitter-Über- 40 Halbleitermaterialien benutzt werden, wie z. B. Gergangs.
Der P-f--Teil 38 der P2-Emitterzone 34 ist vor- manium oder halbleitende Verbindungen aus Elemengesehen,
damit der Strom, der durch den Emitter- ten der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Schaltbares Halbleiterbauelement mit einem PNPN- oder einem NPNP-Halbleiterkörper, dessen
beide äußere Zonen sowie eine der beiden inneren Zonen von Kontaktelektroden ohmisch kontaktiert
sind und bei dem diejenige Dreizonenfolge, deren mittlere Zone die kontaktierte innere Zone ist,
einen ersten Teiltransistor bildet, dessen Stromverstärkungsfaktor K1 größer ist als der kleine
Stromverstärkungsfaktor K2 des zweiten, durch
diejenige Dreizonenfolge gebildeten Teiltransistors, deren mittlere Zone die nichtkontaktierte innere
Zone ist, wobei außerdem Ot1 + «2 größer als 1
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teiltransistor (N1P1N2) so ausgebildet ist,
daß OC1 nur wenig kleiner als 1 ist, und der zweite
(P1N2P2) so, daß a2 nur wenig größer als 0 ist,
und daß Oc1 + K2 nur wenig größer als 1 ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromverstärkungsfaktor A1 des ersten Teiltransistors (N1P1N2) wenigstens
neunmal größer als der Stromverstärkungsfaktor Oi2 des zweiten Teiltransistors (P1N2P2)
und daß K1 + K2 kleiner als 1,1 ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenwiderstand
der nichtkontaktierten inneren Zone (N2) klein ist
im Vergleich zum Flächenwiderstand der ihr benachbarten äußeren Zone (P2).
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 mit einem Silizium-Einkristall als Halbleiterkörper, dadurch
gekennzeichnet, daß die nichtkontaktierte innere Zone (N2) einen Flächenwiderstand von
etwa 50 Ohm pro Quadrat und die zu dieser Zone (N2) benachbarte äußere Zone (P2) einen
Flächenwiderstand von etwa 1000 Ohm pro Quadrat haben.
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktelektrode
(36) der zur nichtkontaktierten inneren Zone (TV2)
benachbarten äußeren Zone (P2) teilweise auch an dieser nichtkontaktierten inneren Zone (N2) angebracht
ist, derart, daß der Stromverstärkungsfaktor «2 des zweiten Teiltransistors (P1N2P2) nicht
größer als 0,1 ist (F i g. 3).
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kontaktierte
innere Zone (P1) des ersten Teiltransistors (N1P1N2) in ihrer seitlichen Ausdehnung klein ist
gegenüber der der äußeren Zone (P2) des zweiten Teiltransistors (P1N2P2) sowie symmetrisch zu
dieser Zone (P2) angeordnet ist und daß die Kontaktelektroden
(46, 48) dieser Zone (P2) auf oder nahe an deren Umfang angeordnet sind.
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