DE1464960A1 - Halbleiter-Schalter - Google Patents

Description

GENKiAL üLiSCTKIC GGÜPaM DIVISION

159 Madison Ayenue Hew iork 1ÖO16, H. r,

Bearbeiters ur.Tg./Bn. Docket No^J6-68D-38

Application öer-No-306*1*7 Tg 64/401

* Halbleiter-Schalter."

Diese Erfindung betrifft Halbleiter-Schalter desjenigen der zwischen iwei Impedanzzuständen - d.h. zwischen einer hohen Impedanz und einer niedrigen Impedanz - umgeschaltet werden kann· Insbesondere betrifft die Erfindung solche Schalter, die von eines Zustand niedriger Impedanz in einen Zustand hoher Impedanz rerindert werden können und top eines Zustand hoher Impedanz in einen Zustand niedriger Inpedans. Anders ausgedrückt betrifft die Erfindung solche Halbleiter-Schalter, die τοη einem stark leitendes Zustand¹ in einen riel weniger leitenden Zustand verändert werden können (abgeschaltet) und auch τοη des praktisch nichtleitenden Zustand in den stark leitenden Zustand usgesonaltet (eingeschaltet) werden können. Die Erfindung befaßt sich sit einer HalbleiteriSchaltTorrlohtung, die zusaesengesetzt sein kann aus eines npn- oder eines pnp-Traneistor und eines aus Tier Schichten bestehenden pnpn- oder spiQHrHalbleitertorabsohaltsohalter (kurz ein GTO genannt), und swar entweder in Pore τοη zwei Vorrichtungen oder in Itors einer ferbundTorrichtung. Me 7erl»undTorriohtung kann aus einem öler mehr Halbleiterplättchen bestehen.

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rp/ncn Docket No,36-63D-33

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Halbleiter-Schalter sinl ein wichtiger Beatandteil der verschiedensten Steuereinrichtungen geworden, ganz besonders pnpn-Jreiklemmenvorrichtungen des Typs« die häufig als siliziumgesteuerte Gleichrichter bezeichnet werdenο iaan macht den Halbleiter-Schaltex dadurch asu einem aktiven Element des Stromkreises, daß man zwei seiner drei Klemmen (seine Anoden- und Kathodenklemmen) mit dem au steuernden Stromkreis verbindet, \*enn sich der Schalter in seines !aus"-Zustand befindet, wirkt der Gleichrichter als ein Element mit hoher Impedanz. Abgesehen von einem sehr geringen Eigenstrom wirkt der schalter als ein offener Stromkreis. Befindet sieb der Schalter in seinem "Ein"-Zustand, so stellt er eine Vorrichtung mit sehr niedriger Impedanz (praktisch einen Kurzschluß) dar«

Der übliche Mechanismus, einen pnpn-Schalter leitend zu machen, besteht darin, Strom durch einen dritten Anschluß oier eine dritte Klemme (Toranschluß genannt) zuzuführen, wodurch ler durch die Vorrichtung fließende Strom verstärkt wird und die Vorrichtung leitend gemacht wird. Diese fcaiinahme wird in der folgenden Beschreibung als Auslösen oder Einschalten der Vorrichtung bezeichnet. Wird die Vorrichtung zum stark leitenden Zustand ausgelöst, so hat der Toranschluß nur sehr wenig Steuerwirkung auf die Vorrichtung ,und das einsige Verfahren zum Ausschalten der Vorrichtung besteht darin, den Strom zwischen ^node und Kathode der Vorrichtur iJdem Hauptleitungsweg) unter ein als Haltestromniveau bezeichnetes Niveau herabzusetzen · Jiese pnpn-rschaltvorrlchtungen sind außerordentlich empfindlich gegen AUslÖ86-(Einschalt-)-Inj6ktions-

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strom an der Tortclemine-» Jus heißt, sie sind so, laß ein extrem schwacher Torinjektionsetram dazu benutzt werden kann, die Vorrichtung von ihrem Zustani honer Impedanz in ihren Zustand hoher Leitfähigkeit umzuändern« JSs war aber außerordentlich schwierig, die Vorrichtung von ihrem Zustand hoher Leitfähigkeit in ihren Zustand niedriger Leitfähigkeit durch Wegnehmen des ütromes an dem Toranschluß umzuschalten-, Verschiedene Versuche« die Vorrichtungen leichter ausschaltbar durch wegnehmen des Stromes as Toranschluü su machen, waren recht erfolgreich« üie haben swar su praktisch verwerteten Vorrichtungen geführt, die recht brauchbar und erfolgreich waren, es besteht aber Bedarf für Vorrichtungen mit noch höherer Empfindlichkeit gegen ein Ausschaltsignal, als sie bei Verwendung gegenwärtig sur Verfügung stehender Materialien und Verfahren mit diesen Vorrichtungen möglich 1st.

Die vorliegende Erfindung kommt diesem Bedarf nach. Jen Forderungen wird genügt durch die Schaffung der /Combination einer Jreischicht- und einer Vierschicht-Halbleitervorrichtuns, und zwar entweder in Form von zwei getrennten Einheiten oder - vorzugsweise - in Forπ einee einzigen Verbund-Halbleiterplättchens« Die Kombination erfolgt in der Weise, da., die Jreischichtvorrichtung den den Hauptlaststrom führenden heg darstellt und die Vierschicht-Vorrichtung deren Basisstrom liefert» Es muß also hier der liechanismus zum abschalten der Vorrichtungen beider Typen berücksichtig) werdenr

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ite die Jreischicht-Vorrichtung (Transistor) durch Unterbrechen ihres ßasisstromes abgeschaltet werden kann (von ihrem Zustand niedriger Impedanz zu ihrem Zustand hoher Impedanz verändert werden kann), soll dieser Mechanismus nicht im einseinen erklärt werden. Es soll hier die Feststellung genügen, daß das der Fall 1st und daß bei den betrachteten Vorrichtungen die Unterbrechung dieses Basisstromes vom Abschalten der Vierschicht-Vorrichtung abhängt, die den Baelsstrom liefert, uer ^schaltmechanismus des Vierechicht-pnpn-Schalters ist jedoch komplizierter und bedarf einer eingehenden Erklärung»

Zum Verständnis des Torabschaltmechanismus des Vierschicht-pnpn-Schalters ist das VerstUninis einiger ßetriebsprinzipien und Eigenschaften von Vierschicht-üchaltelementen mit drei Klemmen erforderlich. JIe arbeitsweise lieser Vorrichtungen ist im allgemeinen bekannt. Es sind jedoch gewisse aspekte der arbeitsweise dieser Vorrichtungen für ein Verständnis der Erfindung von derart grundlegender Bedeutung, daß nun eine etwas vereinfachte physikalische Erklärung ihrer Arbeitsweise gegeben werden soll

Jas Kernstück des Vierschichten-ochalters ist la allgemeinen ein

co Plättehen aus monokristallinem Halbleitermaterial, wie etwa ο

<*> Silizium. Jieses Plättchen hat vier «schichten, in denen die ^ otromleitung abwechselnd nach einem anderen Prinzip erfolgt,

ο doho vier Schichten, die abwechselnd sln«n 3fccrao%nQ ac ponitivon öd Löchern (p-Material) und einen Übersehuß an ncgu^llrf<n KleVtronen.

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haben (n-liaterlal) mit einer Barriere oder Grenzschicht zwischen

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den einseinen Schichten. Daher wird die Vorrichtung eine pnpn- oder npnp-Halbleitervorrichtunß genannt· αφ leichtesten läßt sich die Arbeitsweise verstehen« wenn »an eine Vierscbichtenpnpn-Vorrichtung (siehe Fig. 1a) als aus einen pnp- und eines npn-Transistor bestehend ansieht, wobei die liittelableitung Jq und die beiden Mittelschichten beiden Transistoren geseinsaa angehören π

Es ist allgeaein bekannt, daß eine aus iwei Schichten veraohiedener Leitungetypen bestehende Halbleiter-Vorrichtung (d.h. eine pn-Vorrichtung.)^den <itroa in einer dichtung leicht leitet, aber einen ütroa in der an leren dichtung blockiert« Wird s.B. an eine solche pn-Vorrichtung eine Spannung angelegt, die an der p-Jcbicht positiv und an der n-ochicht negativ ist, so leitet die Vorrichtung den »strom leicht, während die Vorrichtung den ötroefluß blockiert, wenn die entgegengesetste Spannung angelegt wird,

fach erklärt, ist der Grund dafür, daß die Vorrichtung leicht leitet, wenn eine Spannung an sie angelegt wird, die an der piichicht positiv 1st, der, daß die positive Spannung an eines £ode der Vorrichtung positive Ladungsträger abstößt und die negativ· spannung an anderen Ende die negativen Elektronen abstößt· Dadurch werden die p- und die n-Ladungsträger in Hiohtung auf und über die Grenssehioht hinwegbewegt» Jtoaet die entgegengesetst« Iolung sur Anwendung, so werden die Löcher und die Elektronen von der Grenssohicht wegßesogen. i)adurch billet sich ein Verarwungs-

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bereich an der Grenzschicht aus, der relativ frei ist sowohl von p- als auch von n-Ladungsträgern. Io Verarmungsbereich (und in der GreniBChicht) tritt eine Ladung auf wie bei eines gewöhnlichen Kondensator, die sich dem otromfluß widersetzt. Diesen Zustand kann man zerstören und ötrom durch die Forrichtung erzwingen« wenn man die umgekehrte Spannung auf einen ausreichend hohen V.ert erhöht η

Im Lichte dieser Ausführungen seien nun die pnpn-Vorrichtung in dem Falle betrachtet, in dem an der p-JSndschicht ein positives Potential und an der H-iändschicht ein negatives Potential liegt. Man sieht, daß die Grenzschichten zwischen den beiden äußeren Jindschichten (an beiden Enden) Strom leiten, während die Zentralgrenzschicht J^ zwischen der n- und der p-dcbicht den ßtroafluß durch die Vorrichtung blockiert- Mit anderen Worten: Jeder der beiden Transietoren, aus denen die pnpn-Vorrichtung besteht, hat eine Grenzschicht, die den ütromfluß durch die Vorrichtung blockiert-.

uie die oben behandelte pn-Vorricbtung kann auch die pnpn-Vorrichtung leiten! gemacht werden, indem man die an ihr liegende Jpaiinung auf einen fcoben V.ert steigert, der die Leitung durch ' die Miitelgren«schicht J_Q hindurch erzwingt. Man kann sie auch daduroh leitend machen, daß man durch einen Toranschluß an einer der Zwischenschichten die richtige ütrommenge zuführt, um eine Veränderung des Ladungszustandes in der Mittelgrenzschicht J^ herbeizuführen»

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Der in dem pnpn-Gebllde fließende Geßamtstrom läßt sich darstellen als die Bone der in jeden der oben angenommenen Transietorteile fließenden ßtroee, etromfluß la jedem dieser Teile beruht darauf, da£ seiner Baals durch den anderen Teil Strom zugeführt wird, tit anderen Worten; Leitung des pnp-Teils hün^t roa jäektroneastroa von der n-Endschicht zur mittleren n-^chicht (Basis des pnp-iraneistors) ab und Leitung des npn-Teils beruht auf dem Fließen eines Löcherstroms ron der p-J&lschicht zur mittleren p-Gcbicht (Basis des npn-Transißtors). Ohne diese Ströme lädt sieh in der Mittelgreneschlcht Jq nicht diejenige Ladung aufrechterhalten, die zur aufrechterhaltung eines Strofiflusses erforderlich 1st-.

J)Ie Bedingungen für einen leitenden Zustand der Vorrichtung lassen sich auch durch den ivbromgewinn der einzelnen Teile ausdrucken, und es ist der Begriff des Stromgewinns <*· in jedem-der durch einen Transistor dargestellten Teile (d.h. in jedem Tfcil des ganzen pnpn-Gebildes) so wesentlich für das Verständnis des Arsenaltgewinns, daß hier eine Erklärung dieses Begriffe : ein3eschaltet werden soll.

Jer ßtromgewinn «t ist definiert als derjenige Bruchteil des am Emitter jedes der Transistoren zu^eführten Jtromee, der den lollelctor dieses Transistors erreicht. Mit anderen Worten: Bei dem oben angenommenen pnp-Transistor definiert der iJtromgewinn c*. _pn_ denjenigen Bruchteil des Stromes durch den Emitter (die p-J&dschicht, an der die positive Spannung liegt), der den

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Kollektor (die innere p-Jchicht, die negativ vorgespannt ist), erreicht, ώβ ist also «d. _n_ definiert durch das Verhältnis zwischen Kollektorstrom und Emitterstrom und in diesem Transistorteil erfolgt der Stromfluü überwiegend in Form eines Löcherstromes. Jer Stromjewinn des angenommenen npn-Transistorteiles «L _n ist definiert als derjenige Bruchteil des Stromes durch den Emitter (die n-iÄdschicht, an der eine negative Vorspannung liegt), der den Kollektor (die innere η-Schicht, die positiv vorgespannt ist), erreicht«

Jer Gesamtstrom der Vorrichtung an der Uittelgrenzscbieht Jq setzt eich zusammen aus dem Löcherstrom vom p-En!bereich, dem 'Elektronenstrom vom n-Endbereich und einem kleinen Eigenstrom oder thermisch erseugten Strom. Bekanntlich ist die Vorrichtung stark leitend (eingeschaltet), wenn die Summe der utromgewinne der beiden Transistorteile gleich eins ist und abgeschaltet oder nichtleitend, wenn die Sunme der Stromgewinne in den beiden Transistorteilen kleiner als 1 1st, z.B« O₇9* Öle Stromgewinne ( «L und «(-_ηϋη5 nehmen zu, wenn die zwischen Kollektor und Emitter angelegte opannuns größer wird» Diese Zunahme ist aber nur gering, bis die Vorrichtung (die normalerweise blockierende Grenzschicht Jg) zusammenbricht und ein beträchtlicher Strom · fließt· Dann steigt der Stromgewinn mit zunehmendem Emitterstrom rasch an,

i)er Toranschluß, der mit der inneren p-rleitenden Schicht verbunden werden kann, stellt ein sehr wirksames Hilfsmittel zur Er-

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höhun.3 des jütaitterstrons dar. damit ist gemeint, daß eich der Emitterstron durch Transistorwirkungleicht erhöhen läßt, wenn man an Toranschluß einen otrom I« zuführt. Jer Mechanismus sub Uneebalten der Vorrichtung von ihren Zustand hoher Iepedanz ze ihrem Zustand niedriger Impedanz ist an sich bekannt« ftie oben ausgeführt, versteht sich auch, daii die Vorrichtung von ihrem "Ein"-Zustand (ihren Zustand niedriger Inpedani) durch Herabsetzen des der Basis eines von beiden Transistorteilen zugeführten stromes auf einen derart niedrigen V.ert, daß die Mittelgrenisobicht J_c wieder eine blockierende Grenzscioht - d.b· ungesättigt öler entgegengesetzt vorgespannt - wird, !angeschaltet werden kann. Man kann las dadurch erreichen, daß nan die an der Vorrichtung liegende Spannung solange vermindert, bis sie den nötigen Jtromfluß nicht mehr unterhalten kannο .

üin anderer Mechanismus, nit den das erreicht werden kann, besteht dyrin, daß nan am Toranscnluü ütrora abzieht· Duduroh werden aus dem inneren, p-rleitenden Basisbereich positive Ladungsträger abgesotsen und die Spannung in der jiaittergrenasclicht herabgesetzt, und das wieder verminlert den Fluß negativer Ladungsträger von n-Endbereich und läßt die Grenssekicht Jq "verkümmern¹¹·

Jer verminderte JSlektronenfluß durch die Grensschioht Jq hindurch in den inneren n-Bereich hinein führt au einer Herabsetzung der an der Grenzschicht liegenden Spannung, wodurch auch der Fluß positiver Löcher von den an dnde angeordneten, p-leitenden ükitterbereich aus verhindert wird. Ist der abgezogene ötron groß

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genug, so kehrt die Uittelgrenzschicht J_ß in ihren normalen, blockierenden Zustand zurück» Dieser Vorgang erfolgt sehr schnell, doh. in einigen üikroeekunden. Diese letztere Arbeitsweise wird bei den meisten pnpn-Ilalbleiterschaltern nicht angewandt, weil der Strom, der sum .abschalten der Vorrichtung abgesogen werden muß, dem normalen Leitstrom der Vorrichtung sehr nahe kommt-Un den Aufbau eines praktisch brauchbaren Torabschalt-Schalters su erklären, greifen wir wieder auf die annähme des aufbaue aus swei Transietoren zurück, die in den Figuren 1a, 1B unl 1C dargestellt sin.l. na werie angenommen, laß der Toranschluß mit der mittleren p-leitenden Schicht (Basisschicht) des npn-Transistore verbunden ist,und es werde rom leitenden Zustand der Vorrichtung ausgegangen (Figo 1C). Ein Teil des durch die Vorrichtung fließenden otromes wird vom pnp-Transistor geliefert und die Größenordnung dieses Stromes hängt von dessen stromgewinn liefert der durch den pnp-Transistor dargestellte

onD Teil der Vorrichtung einen Strom, der viel größer ist als der Strom, der erforderlich ist, um su verhindern, daß die "normalerweise blockierende Mittelgrenssohicht J^" nlchtlelt«ad wlrd_e so wird es sehr schwierig, an dem Toranschluß genug ütrom absuslehen, um die Vorrichtung auszuschalten*

Es kann sogar unter diesen Bedingungen der durch den Toranschluß abgesogene. Strom erst dann einen sun abschalten der Vorrichtung ausreichenden ,.ert annehmen, wenn er dem Vorrichtungsstrpm selbst nahezu gleichkommt. Jas legt den bedanken nahe, .la.l man den otromgewinn des pnp-Bereichs soweit herabsetzen sollte, daß er genau soviel o-ier nur wenig mehr als den otrom liefert, der

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erforderlich ist, den leitenden Zustand der kittelgrenzschicht J aufrechtzuerhalten, wenn kein Toretrom fließt. Diese Grenzbe&ingung für den otrom ist dann gegeben, wenn man den ütromgewinn der Vorrichtung gegen Hull gehen läßt»

Lb ist an sich bekannt, dais die erforderliche Bedingung für das · Einschalten einer Torrichtung die iet, daß die Summe der ötromgewinne ( «t _ΌΧΙΏ + JL _nm) ^der angenommenen Transistoren sich dem Wert 1 nähert. Es «uß eich daher, wenn der ätromgewinn des pnp-Teils der Vorrichtung gegen KuIl geht, der Btromgewinn des npn-Teils der Vorrichtung den VTert 1 nähern. Eine Vorrichtung, die leicht abgeschaltet «erden kann, eehält man dann, wenn das Verhältnis zwischen des Stroagewinn des npn-Transistorteils und dem ötromgewinn des pnp-Transistorteils etwa eine Größenordnung oder mehr beträgt-

jJiese Gedankeng«nge haben Fachleite veranlaßt, den ^tromgewinn eines der gedachten Transistoren ( <^> bei der dargestellten Vorrichtung) herabzusetzen. Jieses Ergebnis l"ßt sich auf verschiedene Weise erreichen, an besten macht man es aber so« daß man den wirkungsgrad eines der Jfeitter der Vorrichtung begrenzt. £in \-eg zur Herabsetzung dea Jäilttervirkungsgraies besteht z.B. im inbringen einer Verkürsungselektro&e,uni der andere ist ein Qnitter mit einen Flächenwiderstand, der im Vergleich sum Piachenwiderstand der Basis sehr hoch istο

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Eine etwas elegantere Lösung nutzt die Tatsache aus, daß der ätromgewinn jedes einzelnenegeduchten Transistors von der Strombelastung abhängig ist, und es verändert sich daher die Sunae der ßtromgewinne (oL___n +ot_nnn) mit dem durch die Vorrichtung fließenden Gesamtstrom. Jiese Lösung liefert ein Bauteil, bei dem die Charakteristiken der Vorrichtung so zugeschnitten sind, daü die üumae der tftromgewinne (öl _n + eL ) bei einen sehr nie drigen Vorrichtunsestrom (z.B. 100 na oder weniger) sehr nahe 8Ji V.ert 1 liegt, beim .spitzenwert des Vorrichtungeatroaee, der durch das Tor der Vorrichtung abgeschaltet werden soll, sehr nahe bei 1 liegt und min lest ens gleich 1 let bei allen dazwischen liegenden Vorriohtungsströmen. Ja bei einer geringen litrombelastung die Summe der ätromgewinne gleich 1 ist, 1st der Haltrestrom und damit der Kinachaltetrom der Vorrichtung niedrig» 01· . ι Tatsache, dal* die dumme der Btromgewinne bei der maximalen 'iJtroebeluetung (Gesamtstrom 4er Vorrichtung), die abgeschaltet «erden soll, nahezu gleich 1 ist, bedeutet, daü der sum Umschalten der Vorrichtung in ihren Zustand niedriger Impedanz erforderliche Torstrom relativ niedrig 1st,und die Vorrichtung hat daher einen hohen xibechaltgewinn.

In diesem Sinne angewendet ist der Abschaltgewinn definiert als das Verhältnis zwischen dem Lastetrom bei eingeschaltetem Behälter uni dem Torstrom, ler erforderlich ist, um ^eii üoHfcjLter abzuschalten. In einem bestimmten Falle wird ein LaetetrA Ton %■<· 600 ma durch einen Torstrom von 8 mn abgeschaltet« was einem Abschaltgewinn von 75 entspricht. '

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Kαoh der vorliegenden Erfindung erhält man einen Schalter alt einen Absohaltgewinn, der ua mehr ale eine Größenordnung (la typischen Falle fünfsignal so groß) größer ist als das Vierechicbt-OTO.

Bei der praktischen Anwendung der Ärfindung benutet aan eine DreiBohloht-Halbleitenrarrichtung (Transistor) alt einer niedrigen Impedans bei fließende» Basisatroo und einer hohen Impedanz, wenn kein Basieetrom fließt, als hauptsachlichen stroaleitenden Vteg für einen Jreikleiamen-ücbalter, der ein- uni auagenobaltet «erden kann, üer Basieetro« f iir die Jreiechicbt-Vorrichtung wird von einen Yiersohioht-Halbleitersohalter geliefert, der ein- und ausgeschaltet werden kann und dementsprechend den Basisstrom für die Jreisohioht-Vorriohtung liefert oder unterbriebt <> Bei« voreugsweisen aiusfübrungsbeispiel stellen die Jrelsehiebt- und die Vlersoniaht-Halbleltervorrlebtung eine einslge Terbundeinbelt dar»

Jie j&findung wird nachstehend in Ausführungsbeispielen ab Hand der Zeichnungen näher erläutert. Jabei seigt:

Fig. Λα eine schematisehe Jarstellung eines Vlerscbiobtpnpn-oehalters alt drei Klemmen, wie er iur Beechreibung der Erfindung einschließlich der obigen Besehreibung) verwenlet wird;

1B und 10 gedachte pnp- und npn-Transistoren, die aus der Vierschicht-Vorrichtung in 91g. 1ü entwickelt sinl, einsein beschrieben werden und bei

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der vorstehenden Erklärung der Prinzipien des in der Erfindung verwendeten Vierschichtschalters aufeinandergelegt wurden;

Fig. 2 eine graphische Jarstellung, auf der länge der Oriinate berechnete ..erte des Abschaltvereögene ß ab G^e8^{en das} Verhältnis »wischen dem Vorriohtungsstrom I unl dem Haltestrom I„ länjs der Abszisaenaohse aufgetragen sind, und zwar für verschiedene V,erte des JSmitter-Injelctionswirkungegradee y jgl

Pig* 3 ein hubführungsbeispiel eines Jreiklemmen-Halbleitersohalters, der zusammengesetzt ist aus einen Vierschicht-Halbleitecschalter und einem Translator, wobei die iichaltung auch eine sehenatische Darstellung der gleichwertigen Schaltung für die Verbundvorrichtung in Fig. 4 ist;

Flg. 4 eine üchnittansicht einer Verbuni-IIaltleiter-

echaltvorrichtung mit drei Klemmen nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Jchaltzeichnun^, die eine an lere Jrelklemmen-Ualblelterschaltvorrichtung darstellt, die sich zusammensetzt aus einem Vierschicht-Halbleiterschalter und einem Jreischicht-Halbleitertransistor, wobei diese üchaltzeichnung auch eine -

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eoheaatische Jarstellun^ der gleichwertigen Schaltung für die Verbundvorricbtung in den Figuren 6 und 7 ist;

Fig. 6 eine Jchnlttansicht eines zusammengesetzten Jreiuni Vierschicbt-Halbleiterbauteils, das eine HaIbleiter-bchaltvorrichtung der durch die tichaltzeichnung Fig. 5 dargestellten Art bildet; ugd

Fig, 7 das vorzugsweise zusammengesetzte Vier- und J)Ml-Bchicbt-Halbleiterbauteil, das eine Halbleiter-Schaltvorrichtung bildet, wie sie durch die Schaltung in Fig. 5 dargestellt ist,

j)a die Halbleiter-Schaltvorrichtung nach der Erfindung einen Dreischicht-Transistor als hauptsächlichen stromführenden Weg benutst« und eich der Transistor, je nachdem, ob seinem fiasisbereloh Btroa durch einen Vlerschicht-Haiblelterschalter zugeführt wird, entweder in seinem Zustand hoher Impedanz oder niedriger Impedans befindet, liegt es auf der Hand, daß der üchlüssel zum Verständnis des ^schaltmechanismus im Verstehen \es Abschältmechanismus der Vierschichtvorrichtung liegt»

Zum besseren Verständnis des Abschaltmechanismus des Viersohichtpnpn-ochalters soll nun an Hand des in Fig. 1a dargestellten, typischen Vierbereichs-pnpn-Bauteils eine einfache, elndimensio-, nal· analyse folgen· Bevor damit begonnen wird, sei jedoch darauf f hlnpesen, daß ein Dreiklemmen-pnpn-öchalter durch ein eindimen-

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sionales Modell nur bei sehr niedrigen Stromstärken beschrieben werden kann. Trotzdem aber gibt diese analyse einen guten Jänblick in die sowohl mit dem Ein- ale auch mit dem Ausschalten solcher Schalter verbundenen Probleme«

Wie bereits oben erwähnt, hat der Vierzonen-pnpn-Schalter mit drei Klemmen,' der in Figo 1A dargestellt ist, an den swei Endbereichen befestigte Kontakte und einen Toranscbluß, der an einei der Basisschichten (in Fig, 1A der innere p-Bereich) befestigt ist. Es sei angenommen, daß an dem schalter eine Spannung liegt, die am p-i£ndbereich positiv uni. am n-hndbereich negativ ist γ Bei dieser Polung fließt der Strom in Pfeilrichtung durch die Vorrichtung vom äußeren p-Bereich zum äußeren η-Bereich, uer in den äußeren p-Bereich fließende ötrom ist mit I^ bezeichnet» der aus dem äußeren η-Bereich fließende Strom mit I^ und der im Toranschluß fließende Strom mit Iq. V. ie zuvor ist der Stromgewinn für den pnp-Bereich mit <k. bezeichnet und der Stromgewinn für den npn-ßereich mit d* «_ϋη* V.enn man gewisse Eigenströme vernachlässigt, kann man die Ströme in der eingeschalteten Vorrichtung durch die folgenden Gleichungen darstellen:

(2) I_E1 J. »pn - (1 - ^-_pnp)

_pnp

Löst Dian nach I^ auf, so erhält man die folgende Gleichung:

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Zur Bestimmung der für das Abschalten der Vorrichtung erforderlichen Bedingungen wird angenommen, daß sich die Vorrichtung in leitenden Zustand befindet und daß ein äußerer Strom iur Bürde fließt, der in wesentlichen bestimmt ist durch die Höhe der Spannung der äußeren Stromquelle und durch den V.i !erstand der an die Vorrichtung angeschlossenen Bürde. Wie bereite oben er» wähnt, ist die Uittelgrenssohicht der Vorrichtung - dob. die Grenzschicht «wischen den inneren n- und p-Bereichen (mit Jq bezeichnet) eine Grenzschicht, die sich normalerweise einem ütromfluß in der gezeichneten Richtung widersetzt. Wenn Strom fließt, tritt in der Grenzschicht Jq eine Spannung auf, die so gepolt ist, daü sie den litromfluU durch die Grenzschicht aufrechterhält oder unterstützt. Mit anleren V. ort en 5. ule Grenzsohiohtspannung wechselt von ihrer Blockierungsrichtung im nichtleitenden Zustand zu "Vorwärts-Vorspannung" in ihren leitenden Zustand. JbIs liegt daher auf der Hand, dal* die Spannung an dieser Grenzschicht sich ändert. Bei diesen Vorgängen wechseln der otrom in der Vorrichtung und die Stromgewinne, also die Alphas ( <L^>B) der beiden Teile der Vorrichtung. Ist die Vorrichtung erst einmal leitend, so erfolgt die Änierung der<L^|S in einer solchen Hlchtung, daß für jeden Transistorteil geraie genau soviel liasiestrom geliefert wird, wie es zur lufreehterhaltung des dtromflusses erforderlieh ist. Wird eine der Basen stromlos, so sinkt der Luststrom ab, wenn sich nicht die ütromgewinne < <L ^s) τοπ selbst neu einstellen (erhöhen) können.

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Bei einem gegebenen Laststrom ist für jedes dert^'^s ein Maximalwert möglich. V.ird der abfließende Torstrom verstärkt, so nimmt der Jtromsewinn des npn-Teils (der Teil, lessen Toranschluß mit seiner Basis verbunden ist) ab, bis (U. _Q + *ü _pnp) kleiner als 1 ist. In diesem iiugenblick schaltet die Vorrichtung zum Aus-Zustand umο

Bei der Ermittlung des Torstromes Iq, der zum abschalten eines gegebenen Laststromes I^ erforderlich ist, wird nun angenommen, daß die«L'⁸ ihre Maximalwerte haben (für die Ströme Ig₂ und I^)-> Es sei weiter angenommen, daß 1^₂ einen kleinstmöglichen Wert I^ beim Torstrom I„ hat und daß I» der Haltestrom ist, der erforderlich ist, um die Vorrichtung in ihrem Ein-Zustani zu halten, wo Iq- O* Wir definieren die Abschaltfähigkeit fo _afe als ein Verhältnis zwischen der Veränderung des fcindest-Haltstromes und dem Torstron Iq« Jieser Parameter wird manchmal als Abschaltgewinn bezeichnet, wir definieren aber - wie oben erwähnt -hier den übBchaltgewinn als das Verhältnis zwischen dem Laststrom und dem zum Abschalten des letzteren erforderlichen Torstromη

Der Parameter "Äbschaltfähigkeit" wird als wichtig angesehen, weil .r die A'nlerung des Haltestromes I„ in Abhängigkeit vom Laststrom zum Ausdruck bringt.- i)ie ».bschaltfähigkeit der Vorrichtung ist durch die folgende Gleichung definierti

Jetzt man die ausdrücke aus Gl, (3) ein, so ist die nbschalt-

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- 19 - Docket 36-6di)~38

fähigkeit gegeben duroh

oder, wenn Ij₄ viel größer ist al

Ks stellt eich herauB, daß das genau derjenige Ausdruck ist, den man für den .tbschaltgewinn erhalten kann, wenn man von der oben gegebenen Jefinition ausgeht. Jas ist natürlich auch zu erwarten, weil die Definition des Abschaltgewinns zunächst den Haltest rom I„ vernachlässigt und man diesen nusdruck erhält, wenn man annimmt, daii der »usdruok, der den Haltestrom enthält - näm-

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lieh (—*=—) vernachlässigt werden kann»

Wie sich die ei.'⁸ als Funktion der Stromstärke verändern, ist ie allgemeinen unbekannt. Versuche deuten an, daß es möglich ist, daß sich bei mäßig hohen Stromstärken beide oL«^s den Wert 1 nähern (z.B. als Ergebnis von durch Ohm'sche Ströme entwickelten Feldern)» Unter diesen Bedingungen geht auch der ^bschaltgewinn gegen 1. Jaraus geht klar hervor, daß der Abschaltgewinn hoch tein kann, wenn man irgendeine Methode findet, um den '..ert eine- ο ."»er beider <Ä.^|S einzuschränken, aus dem obigen Ausdruck (Gleichung (6)) geht klar hervor, daß man einen besseren Abschaltgewinn erreicht, wenn tL eingeschränkt wird»

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- ²⁰ ~i ι c ; ο c η Jocket 36-63D-J8

Kähere Betrachtung ler Grleichunj für den .tbschaltgewinn (6) zeigt, daß die einzelnen ötromgewinne ei und d, eine üumme von nahezu 1 haben müssen, wenn ein maximaler Abschaltgewinn erreicht werden soll,und daß der Abschaltgewinn groß sein kann, wenn man eine Möglichkeit zum Einschränken eines oder beider einzelner ütromgewinne (Λ'^β) finden kann» Da ^Λ. _n im Zähler steht (für die dargestellte Vorrichtung), ist klar, daß man einen maximalen Effekt dann erreicht, wenn 4. der otromgewinn ist, der ver-Bchwindeto

diese Gleichungen zeigen auch, daß, wenn einq|pnpn-oder npnp-Vorrichtung öchalteigenschaften (von hoher zu niedriger Impedanz) aufweisen soll, der ütromgewinn (o^) mindestens eines Teils der Vorrichtung mit der Stromstärke zunehmen muß. D.h., daß es, weil die üumme der (k, des Teils größer als 1 sein muß, um einen Einschaltgewinn zu erhalten, un^eil die Summe der «^kleiner als 1 sein muß, um einen .ubschaltgewinn zu erhalten, auf der Hand liegt, daß minlestens ein Teiltransistor-Bauteil ein erhaben muß, das sich mit der otromstärke ändert, wenn sowohl ein Einschalt- als auch ein Abschaltgewinn gewährleistet sein sollen«

Ein Verfahren zur Verbesserung des Abschaltgewinns der nachfolgenden Vorrichtung besteht darin, den einen Stromgewinn ( eL )

° P**P

so zu unterdrücken, daß sein Maximalwert nahe bei Bull liegt («_eB. 0,1 oder weniger), und den anderen ütromgewinn so einzustellen, daß er mit dem Lctststrom schnell auf einen Wert ansteigt, der so nahe wie möglich an 1 herankommt« Eine Methode besteht

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darin, den einen otromgewinn (<L _p) in einem gewissen anfange su unterdrücken, wichtiger ist aber, daß die Stromgewinn-Kennlinie (d.h. die Änderung des ötromgewinns in Abhängigkeit vom Lastet rom) so sugeschnitten wird, daß ^_pnt> + *"non ^⁶* ^⁶^³^*" gem Laststrom gleich 1 ist und beim maximalen, absuschaltendon Laststrom sehr nahe bei 1 liegt. Man erreicht das duroh die richtige iiuenutsung der Modulation der Leitfähigkeit in de« ge· dachten Transistor, -lessen Toranschluß mit seinem Kollektor verbunlen ist (d.h. die pnp-Vorrichtung in der hier dargestellten Porm).

Bekanntlich setzt sich der ötromsewinn «deines Viecaohicht-pnpnochalters grundlegend aus zwei Parametern zusammen, nämlich dem Jäaitterwirkungegrad w-und.dem i)urchlaßfaktor T, tk, ist dann einfach das Produkt dieser beiden Größen, d.h.

Nun ist f hauptsächlich bestimmt duroh die Konsentration an Ver unreinigungen in den Schichten su beiden leiten einer Grensschicht und ist für nicht zu hohe und nicht zu niedrige Injek~ tionsströme gegeben dujrobjdie folgende Gleichung:

wobei L^ die Diffusionsstreeke für Uinoritäts-Ladungsträger auf der ^mitterseite der Grenzschicht ist, Wg die Basisbreite, und

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- 22 - Docket 36-63D-38

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^ _B und 6 £ die Leitfähigkeiten der Basis- bzw. Emitterbereiche, Ia Falle der vorliegenden Erfindung kann die Mffusionsstrecke Lg durch die Jdnitterbreite W_£ ersetzt werden, weil normalerweise die Emitterbreite kleiner 1st als eine Diffusionsstrecke-

Nun wenden wir uns den Verfahren sum Beschranken und Einstellen dee Stromgewinns zu. Zunächst behandelt wir die Einschränkung ▼on M. ο Eines der Verfahren zum Beschränken eines der «k,, ζ-B. oL Tjnn' besteht darin, den iänitterwirkungsgrad yeo *^es pnp-Teils niedrig zu halten (siehe 61« (7))- Eine Möglichkeit zur Darstellung dieses Effektes ist in Figo 2 dargestellt, wo ein bBrechneter Wert der übschaltfähigkeit ^_aD als Ordinatenwert in Abhän gigkeit too Verhältnis zwischen- Vorriehtungsstroa und Haltest rom aufgetragen ist (als Abszissenwert für verschiedene Werte

des Emitter-Injektionswirkungsgrades y-jgjp" Zu diesem Zweck wird

konstant angenommen und «!*_,__ soll die Form

<*. nnn haben:

<9>S- ΓΚ2

wobei I die Stromstärke ist, bei der die Vorrichtung abschaltet: Der Haltestrom I_ß ist für die Bedingung gegeben durch

(10)

so daß

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Dabei ist zu beachten, daß die Form τοη <*•.>„„ eine Annahne ist. Diese Annahme ist nicht unbedingt allgemein anerkannt, allgemein bekannt jedoch ist, daß sich cL annähernd exponentiell mit den EbitteretroB ändert.» Die Kurven »eigen, daß für hohe Wert· des Injektionswirkunsegrades /'die .ibschaltgewinne gering sind» Weiter nimmt bei segebenem Injektionswirkungsgrai der Abschaltrrewinn mit steinender Stromstärke ab, nähert sich aber für jeden limit.ter-lnjektionswirkungegrad bei einem iiindeetwert eines konstanten Wert·

Nun kommen «ir zur Einstellung der Kennlinien Stromgewinn/Last- ι strom durch Modulieren der Leitfähigkeit, aus den Gleichungen ■-... (7) bzw. (82 ist su ersehen, daß der Stromgewinn dem Jänitterwirkungsgrad y direkt proportional 1st und dal: der Emitterwirkungsgrad eine Funktion sowohl der Basisleitfähigkeit S _ß ale auch der Emitterleitfähigkeit έ _E istο Der Emitterwirkungsgrad nimmt ab, wenn das Verhältnis zwischen Basis- und Emitterleitfähigkeit größer wird, und - wie bereits oben erwähnt - der iibschaltgewinn nimmt zu, wenn der Emitterwirkungsgrad geringer virdo Unter Anwendung dieser Beziehungen werden die Basisleit-r Fähigkeit d _ß und das Leiöfähigkeitsverhältnis ^ g/^g durch die jeweilige Dotierung (mittlere Konzentration an Verunreinigungen) der Basis- und der Jünitterschicht so eingestellt, daß der fiai%-terwirkungegrai bei geringen dtrömen (z.B. 100 mA oder weniger) den richtigen Uert hat, um einen Btroagewinn oU _ herbeizuführen, der die Summe der Stromgewinne «4 + oL sehr nahe an

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_1/c/ficn Docket 36-63D-33

146A960

1 heranbringt. Jamit hat die Vorrichtung einen niedrigen V.ert des Haltestromes Ig und schaltet leicht ein* Auch wird die Basieleitfähigkeit <S_ß so gewählt, daß in der Basis eine beträchtliche ldodulierung der Leitfähigkeit stattfindet. Die Werte werden bo gewählt, d<jß bei üpiteenbelastungsstrom ein Leitfähigkeits-verhältnis ^ g/<4_£ zustandekommt, das dem Emitterwirkungsgrad unter diesen Bedingungen die richtige Größenordnung verleiht, um einen otromgewinn (^_ηρ) zu ergeben, der die Summe der otromgewinne ( ^₁J_n- * **-_ηρ_η) sehr nahe an 1 heranbringt■> Damit eine beträchtliche Leitfähigkeits-Modulation stattfinden kann, muß die Basisleitfähigkeit niedrig genug sein, damit der Laststrom die Ladungsträger-Konsentration in der Basisschicht um einen beträchtlichen Betrag anheben kann. Ein Anheben der Trägerkoneentration setzt den spezifischen Wiierstand herab; da-. her die Bezeichnung Leitfähigkeitsmodulation„

llalbleiter-ochaltvorrichtungen, die nach den^rinzipien der Erfindung arbeiten, sind in den Figuren 3 bis 7 einschließlich dargestellt. In jeder dieser Figuren ist die durchjdie Ziffer 10 bezeichnete Halbleiter-üchaltvorrichtung von einem gestrichelt gezeichneten Kästchen umschlossen. Jede der Halbleiter-öchaltvorrii htungen hat drei Klemmen 11, 12 und 13, die an den Stromkreis angeschlossen werden sollen, in dem der Jchalter Verwendung findet. In Jedem Falle sind die hauptsächlich stromführenden Klemmen, die Anode 11 und die Kathode 12 sowie die Torklemme gegenüber dem gestrichelten Kästchen 10 in denselben Positionen

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TA6A960 3er.No. 306,W?

angeordnet. Die Hauptklemmen 11 und 12 werden an einen Hauptstrom führenden Weg der Sohaltung, in der der behälter Verwendung findet, so angeschlossen, daß die Anodenklemme 11 gegenüber der. Kathodenklemme 12 positiv ist. Die Torklemme 13 wird an eine »Quelle angeschlossen, die das positive Einschaltsignal liefert, wenn der Stromweg »wischen den Hauptklemmen 11 und 12 stark leitend gemacht'werden soll (eingeschaltet) und das negative Abschaltsignal (negativ gegenüber der Kathodenklenme 12), wenn der inner· Stromweg swisohen den Hauptklemmen 11 und 12 eine hohe Impedanz haben soll (ausgeschaltet)»

Die in Fig. 3 dargestellte Halbleiter-Sohaltvorriohtung 10 umfaßt zwei Halbleiterelemente 14 und 15« die beide vorzugsweise aus einem monokrietalllnen Halbleiterplättohen bestehen. Eines der Halbleiterelemente 14 ist ein npn-Transistor. Damit soll gesagt werden, daß das monokristalline Halbleiterplättchen 14 drei Schichten hat, wobei abwechselnde Schichten entgegengesetzt leitend sind und die äußeren Schichten η-leitende Schichten sind. Die unteren und oberen n-leitenien Schichten des npn-Transistors 14 sind direkt mit den Hauptklemmen 11 bzw. 12 verbunden. Der Tranalstor wird als der hauptsächlich stromführende Weg für den Schalter angesehen, wenn auch, wie später erklärt werden wird, der Hauptstrom durch den Schalter auch strom durch einen anderen Weg umfaßt. Wenn der Transistor 14 nichtleitend gemacht ist, stellt er einen Weg hoher Impedanz swisohen den Hauptklemmen 11 und 12 dar, und wenn er leitend gemacht ist, stellt er einen Weg niedriger Impedanz zwischen diesen beiden Klemmen dar«

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~²⁶" 146A960 locket 36-68D-38

Ser.No. 306,147

Damit der Transistor 14 leitend ist, muß an die äußeren Schichten eine Spannung angelegt werden, die an der Kollektorschicht (die untere Schicht, die mit der Anodenklemme 11 verbunden ist), gegenüber der Emitterschicht (die obere Schicht, die mit der oberen Kathodenklemme 12 verbunden ist), positiv ist, und an die mittlere p-leitende Basisschicht muß ein Antriebsstrom angelegt werden. Jaduroh wird der Transistor 14 ein- oder abgeschaltet, indem man an dem Basisanschluß 16 - der mit der inneren p-leitenden BasisBchicht verbunden ist - Basisantriebsstrom zuführt oder zurückhält. Der Strom (es wird hier gewöhnlicher Strom verwendet), der in die untere, η-leitende Kollektorschicht des Transistors fließt, ist durch einen mit Z bezeichneten Pfeil angedeutet, der Jdnitterstrom durch den mit I_£ bezeichneten, von der oberen n-leitenden iänitterschicht wegweisenden Pfeil, und der Basisantriebsstrom durch den mit I„ bezeichneten Pfeil neben der Leitung 16, die mit der inneren, p-leitenden Basisschicht verbunden 1st,

Jas zweite, mono'ccristalline Halbleiterplättchen stellt einen Vierschicht-Halbleiterochalter des Tonbschalt-Typs (GTO) dar, ler typischerweine vier Schichten mit abwechselnd entgegengesetzter Leitung hatο

In der dargestellten Form sind die Schichten - ausgehend von der untersten λπο lenschicht nach oben - hinsichtlich ihres Leitungstyps pnpn , Die obere η-leitende Schicht wird als die Torabechaltschalter-Kathodenschicht angesehen und der Toranschluß 17 der sich unmittelbar anschließenden, p-leitenden Schicht 1st

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der.No- 306,147

sowohl mit dieser ochicht als auch mit der Torklemme 13 der Halbleiter-Schal tvorrichtung verbunden» Auch ist diese p-rleitende Schicht durch den Anschluß 16 so verbunden» daß sie einen Basis- . strom Ig zur inneren, p-leitenden Basissehicht des npn-Tranaistor 14 zuführtο Die GTO-Anodenschicht ist direkt mit der Anodenklemme 11 der Halbleiter-ochaltvorrieh'tung 10 verbunden und ihre Kathoienschicht ist direkt mit der Kathodenklemme 12 der Halbleiter- schaltvorrichtung verbunden. Die innere, η-leitende öohicht des G(TO 15 ist an die untere, η-leitende Kathodenschicht des Transistors über einen Widerstand 18 angeschlossen. Jieser Widerstand ist deshalb eingezeichnet, damit die Schaltung eine Äquivalentschaltung der in Fig. 4- dargestellten Verbundvorrichtung ist, es soll aber in der folgenden Analyse dieser Widerstand als unendlich angesehen werden·»

Wie bereite erwähnt, ist der Transistor 14 leitend, wenn er mit einem Basisantriebsstrom I_ß gespeist wird, und nichtleitend (doh. er hat eine hohe Impedanz), wenn der Basisstrom I_ß nicht zugeführt wird. Weiterhin ist die einzige quelle für Basis j «rom Ijj der Torabschaltschalter 15. Wenn daher der Torabschaitschalter 15 leitend ist (sich in seinem Zustand niedriger Impedanz befindet), ist der Transistor 14 leitend und die HaIbleiter-ochaltvorrichtunr; 10 ist leitend (in ihrem Zustand niedriger Impedanz). Ist dagegen GTO nichtleitend, so erhält der Transistor 14 keinen Basisantrlebsstrom und befindet sich in seinem

ichtleitenäen Zustand, unΛ damit ist auch die Halbleiter-üchaltvorrichtung 10 nichtleitend.

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Wenn GTO nichtleitend ist, wird er dadurch leitend gemacht, daß an die Torklemme 13 eine positive Torspannung angelegt wird (d-h» positiv gegenüber* der Spannung an der JKathodenklerame 12)». Ist HTO leitend gemacht, so liefert er dem Transistor 14 einen Basisantriebsstrom I_s, der andauert, bis GTO 15 nichtleitend gemacht wird, und zwar entweder durch das übliche negative Torabechaltsignal an der Klemme 13 (negativ gegenüber der Kathodenklemme 12) oder durdh Herabsetzung der Spannung zwischen der Anode der Vorrichtung und den Kathodenklemmen 11 und 12. üa. der Torabachaltmechanismus dieser Vorrichtung bereite eingehend erklärt worden ist, soll diese Erklärung hier nicht wiederholt werden. Man kann aber aus dieser Beschreibung ersehen, daß der Strom, der durch den Transistor 14 fließen kann, durch das GTO gesteuert (ein- oder abgeschaltet) wird.

JSs gilt zwar die dargestellte Jchaltung für einen npn-Transistor, mit einem bestimmten Torabschaltschalter 15« es versteht sich aber, daß die schaltung auch mit umgekehrten Leitfähigkeitsschichten betriebsfähig ist» Jas heißt, der Transistor könnte ein pnp-Transistor sein und die Torabschaltvorrichtung könnte * zum entgegengesetzten Typ gehören«

Üb diese Schaltung eingehender zu analysieren, benutzen wir dieselben üynbole, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 1 benutzt worden sind und gehen von der Annahme aus, daß GTO 15 leitend ist und des Transistor 14 Basisstrom I_ß liefert. Unter diesen Umständen können die Gleichungen (1) und (2) dahingehend abgeändert werden,

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- 29 - Docket 36-68D-38

Ser.No. 306,147

daß man, wenn es angemessen 1st, den lorstrom I„ durch den Ba sisstrom Ig ersetzt und dann die folgenden Gleichungen erhält

- ¹B - <¹ - ^ npn> ¹EI

¹EI "* npn
(14) Ig₁ -

Setzt man Gl. (14) in die Summe der Gleichungen (12) und (13) ein, so erhält man:

ν ¹^/ ^„«„■»•jjg **"npn

und nach Vereinfachung:

(16) I_B - (~

npn — Beim Transistor ist der Kollektorstrom Iq _t das Verhältnis »wischen Kollektor - und Emitter st rom, und Ig ist der Emitterstrom·.

Dann ist:

(17) I₀ - ^t I_E
oder (18) (1 - -I«) I- · I₁,

Qwc&i Kombinieren der Gleichungen (16) und (13) erhalten wir:

- D

(19)' -¹ Iffi - C1 -S> h

npn

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H6A960

Docket 36-68D-38 No. 306,14?

^oder

Nimmt man an, daß sich GIo (20) zu:

(21) I_E -

ES

annähernd gleich

ist, so vereinfacht

pnp

npn'¹ )

npn

oetzt man leicht erreichbare Alpha-V/erte in die obige Gleichung ein, (nämlich ^_pnp - 0,1, ^_npn - 0,95 und <*-_T - 0,95), so wird der Vorrichtungs-Sesamtstrom zweimal oder noch mehr größer als der ötrom der Torabschalt-Vorrichtung. Oamit kann der Torstrom, der die Torabschalt-Vorrichtung abschaltet, mindestens zweimal soviel Strom abschalten« V.enn demgemäß der Abschaltgewinn der Torabschalt-Vorrichtung 15 den Betrag 20 hat, beträgt der übsehaltgewinn der ganzen Vorrichtung mindestens 2-20 oder 40« Bei nach dieses itusführungsbeispiel gebauten Vorrichtungen sind Abschaltgewinne bis zu 100 erreicht worden-

Das aus einem einzigen Plättchen bestehende monokristalline Bauteil, das das Äquivalent der Zweiplättchen-Gchaltvorrichtung in Figo 3 ist, ist in Fig. 4 dargestellt. Oas einzige Plättchen 20 setzt sich zusammen aus vier Schichten mit entgegengesetztem Leitunsstyp, die so angeordnet sind, daß sich die inneren p- und n-leitenden Schichten 21 bzw« 22 durch das ganze Plättchen hindurch erstrecken, daß sich eine untere, p-leitende Schicht 23 in der unteren Fläche der inneren, η-leitenden Jchicht 22 befindet und sich nur über einen Teil des querschnitts des Plättchens

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- ?1 - Docket 36-63ΰ-3β

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20 erstreckt, und dali eine äußere, η-leitende Schicht 24 auf der oberen Fläche des Plättchens 20 angeordnet ist uni 80 in der inneren, p-leitenden Schicht 21 sitzt, daß eine Kante über eine Kante der p-leitenden Schicht 23 an der entgegengesetzten äußeren Oberfläche hinwegragtο

Un deutlicher aufzuzeigen, wie das einzige Plättchen 20 das Verbundteil in Fig. 3 nachahmt, ist durch das Plättchen eine senkrechte Schnittlinie A-A gelegt, uer Teil des Plättchens 20 links von der Schnittlinie in der Zeichnung ist dem npn-Transistor 14 von Fig, 3 äquivalent uni der Teil rechts von der Schnittlinie λ-λ dem in Figo 3 dargestellten GTOo Mit anderen ..orten: Links von der Schnittlinie ist das Plättchen 20 zusammengesetzt aus ler η-leitenden Emitterschicht 24, der inneren, p-leitenden Basisschicht 21 und der η-leitenden Kollektorschicht 22ο Rechts von der Schnittlinie α-λ hat die η-leitende Schicht

24 einen Teil, der der oberen, η-leitenden Kathodenschicht der Torabschalt-Vorrichtung 1$ entsprichtο uie nächst untere Schicht ist die p-leitende Schicht 21, an die der ohmsche Torkontakt

25 angeschlossen ist und die der inneren, p-leitenden Schicht ■ der Tcrabschalt-Vorrichtung 1$ in Fig„ 3 entspricht. Die nächste Schicht (von oben nach unten gerechnet) ist die η-leitende Schicht 22, d. e der inneren, η-leitenden Schicht des GTO 15 in Flg. 3 entspricht, uni die untere, p-leitende Schicht 23 schließlich entspricht der äußeren, p-leitenden Anodenschicht des GTO

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oerοNo η 306,147

Kin Ohm'scher Kontakt 26 ist mit der oberen, η-leitenden Schient 24 und mit der Kathoienklemme 12 der Vorrichtung verbunden, Auf der unteren Oberfläche des Plättchens 20 schließt ein Ohm'scher Kontakt 27 die untere, p-leitende Schicht 23 mit dem inne-ren, p-leitenden Bereich 22 kurz und ist direkt mit der .modenlclemme 11 der üchaltyorrichtung verbunden, genau wie die untere, n-leitende Kollektorschicht des Transistors 14 uni die untere, p-leitenie Anodenschicht des GTO 15 direkt mit der ,uaoienklemme 11 in Fig. 3 verbunlen sind» V.ie bereits oben erwähnt, ist ein Ohra'-soher Kontakt 25 an der· inneren, p-leitenden schicht 21 direkt «it der Torklemme 13 verbundene Ja die p-leitende Schicht 21 den Transistor und der GTO gemeinsam angehört, ist damit ein Anschluß vorhanden, der dem Anschluß 16 - durch den dem Transistor 14 von der GTO 15 Basisstrom augeführt wird - äquivalent ist* Jie innere, η-leitende Schicht 22 hat einen relativ hohen spezifischen Widerstand und entspricht dem Widerstand 18 zwischen der η-leitenden Schicht von GTO 15 und der unteren, n-leitenden Schicht des Transistors 14*

Da die Schaltung in Figo 3 das Äquivalent der Schaltung für die Verbundvorrichtung in Figo 4 ist, wird angenommen, daß eine weitere Besprechung der Arbeitsweise der Vorrichtung in Fig. 4 weder lohnend noch erforderlich ist. Angebracht mag es jedoch sein, ein Verfahren zur Oewinnung des ilättchens 20 zu besprechen. Man geht dabei von einem öiliziumplüttchen n-leitenier nrt mit einer Jlcke von etwa sechs "mil"(· 6/1000 inch) unl einem spezifischen Y.ilerstand von 15-20 Ohm cm aus (Konzentration an Fremdatömen

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55 - Joeket 36-63 J-38

Ser,No» 306,147

etwa 2,5_τ,ΐο¹⁴ Atome pro ca⁵). Dieses Material bildet später die η-leitende Schicht 22, Xn das Plättchen 20 läßt man bis in eine Tiefe von etwa 1 oil (1/1CCG inch - 0,025 mm) Gallium diffundieren, so daß sich auf bellen Seiten ler η-leitenden Schicht 22 p-leitende schichten bilden.

Nach der Galliumdiffusion wird die eine Schicht p-leitenden Materials vollständig entfernt («obei zur Sicherheit eine Schicht von etwas mehr als 1 mil weggenommen wird), und zwar durch Läppen oder Ätzen, so daß ein Zweischicht-pn-Plättchen zurückbleibtο Dann wird das Plättchen nach an sich bekannten Verfahren maskiert und dann läßt man an der oberen Oberfläche Phosphor bis in eine Tiefe von etwa 1/2 mil hineindiffundieren, um die obere, η-leitende Schicht 24- des in Fig. 4 dargestellten Teils zu bilden. Dann wird das Plättchen gereinigt und noch einmal so maskiert, so daß die untere, p-leitende ochicht einer Diffusionsbehandlung unterworfen werden kann. Bei dieser Diffusionsbehandlung läßt »an Bor bis in eine Tiefe von etwa 1/2 mil hineindiffundieren. Falle erforderlich, können die Eigenschaften dann dadurch verändert wer.len, daß man entweder die obere olec die untere Oberfläche läiiüt, um die Dicke der Schichten zu ver-Jnderna

In Fig, 5 ist eine andere schaltvorrichtung 10. dargestellt, die sich aus zwei getrennten Halbleiterplättchen 3C und 31 zusammensetzt. In dieser Figur sind lie Anoden- unl die Kathodenklemme der ochaltvorrichtung an einen äußeren Stromkreis angeschlossen,

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oei'.iio, 3GG,14?

der als Beispiel für den Typ von öchaltunken dargestellt ist_{ in denen der Behälter brauchbar ist« lJie ._cuelle für ein Toraignal ist dabei nicht dargestellt. Im äußeren Stromkreis sind ein Lastwiderstand 32 und eine Batterie 33 X^ -erienschaltung an die anöden- und die Kathodenklemme 11 bzw- i2 gelggt, und zwar so, daß lie jinodenklemme gegenüber der Kathodenklemme positiv ist-.

i)er ere te Teil oder das erste ülement der öehalt/orrichtung ist ein Dreischicht-npn-Tranaistor 3O₁ der direkt an -i.;.e Anoden- und Kathodenklemme 11 bzw. 12 angeschlossen ist, und zwar so, daß der Kollektor (untere, p-leitende ochicht) des Transistors 30 an der Anodenklemme 11 liegt und der Emitter (obere n-leitende üchicht) an der Kathodenklemme 12. i)er zweite Halbleiterteil oder das zweite Halbleiterelement 31 der Zweielement-Jchaltvorrichtung ist ein Vierschicht-GTO 31. Damit soll jesaijt. wer-len, daß das zweite monokristalline Plättchen aus vier Schichten zusammengesetzt ist, die jeweils pnpn-leitend sind UTO 3'1 liegii zwischen der unteren, η-leitenden Kathodenschicht les Trans 5. a τ ο .-8 30 und der inneren, p-leitenden Basisschicht, und zwar so, daß GTO 31 dem Transistor 30 Basisstrom liefert- Jas erreicht man durch eine direkte Verbindung zwischen der unteren,.p-leitenden Schicht CAnode) des GTO 31 und der unteren, n-Xeitenden ochicht (Kathode) des Transistors 30 und eine iirekte Verbindung zwischen der inneren, p-leitenden Basisschicht des Transistors 30 und der oberen, n-leitenden/üchicht (Kathode) des GTO 31 mit

BAD ORIGINAL 9 0 9835/0387

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- 35 - Docket 36-68B 38

SeroNo. 306,14?

Hilfe der Leitung 35° Jie innere, p-leitende iichicht von GTO 31 ^?Gt mit Hilfe der Leitung 36 direkt an die Torklerame 13 gelegt, üa GTO 31 den Basisantrieb für den Transistor 30 liefert, wird der Transistor 30 leitend gemacht, wenn GTO 31 leitend ist, und nichtleitend, wenn GTO 3I nichtleitend gemacht wird« Seiner Funktion nach arbeitet der Schalter 10 in Fig* 5 in der für frühere Ausführungsbeispiele beschriebenen »eise, es ist jedoch dieses Ausführungsbeispiel vorhergehenden Ausführungsbeispielen vorzuziehen-

Bei einer ausreichen! hohen positiven Vorspannung zwischen Torklemme 13 von GTO 31 uni der Kathodenklemme 12 schaltet GTO in seinen Zustand niedriger Impedanz» Die untere pn-Grenzscbicht des Transistors 30, d«h. die Grenzschicht zwischen der Basisschicht und der Kollektorschicht, ist eine hohe ParalIeIimpedanz, die direkt an der Torabschalt-Vorrichtung 31 liegt, weil es eine Grenzschicht ist, die in einer solchen itichtung vorgespannt ist, daß sie sich der stromleitung widersetzt. Der ^Spannungsabfall an der GTO 31 liefert die Kollektor/Basis-Spannung (Kollektorvorspannung) für den Transistor 30 und durch die GTO 31 fließender Strom liefert den Transistor-Basisstrom» V.ird ,dem Transistor 30 Basisstrom zugeführt, so wird er stark leitend«. Ja der Transistor 30 einen beträchtlichen otromgewinn hat, fließt der größte Teil dos Laststromes I^ (der Strom durch den Lastwiderstand H^), der intern zwischen den Hauptstromklemmen 11 uni 12 dor Schaltvorrichtung 10 fließt, lurch den Transistor 30*

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- 36 -

ii*r..Ho. 306,1'«-7

Jer Kollektorstrora für den Transistor 30 ist gegeben durch: (22;

wobei Iqjj der dtrom durch die Torabschalt-Vorrichtung J1 ist und

CAr φ

der Ausdruck a——r· das "Gemeinsamemitter-Vorwärtskurjßschluß-¹ ~*

strom-Ubertragungsverhältnis" ( «Α. ₃₀) genannt wird. Jer Laststrom It ist gleich der Summe des Transistor-Kollektorstromes und des GTO-nnoienstromes Iq^·» d.h.:

(23)

¹L^-1C^{+ 1}GR

Hat das Verhältnis ..„ den Wert 50, so wird Gl* (23) au:

¹L - 50"I₀H * I₀R - 51 I_oa

Mimmt man an, daß GTO 31 einen Abschaltgewinn von 20 hat (ein durchaus realistischer Wert), so kann ein otrom von I_Qß abgeschaltet werden, wenn ein negativer Torstrom von 0,05 1q_R fließt und daß der Transistor ohne Basisstrom keinen merklichen ütrom leitet, wird bei einem Torstrom von 0,05 Iq^ ein Strom von 51 1"_CR abgeschaltet und man erhält für die schaltvorrichtung 10 -

51 IjTJD

einen Hbschaltgewinn von ■ 102Oo Bei einer solchen

O»O> X_Cß

Kombination lassen sich ohne Schwierigkeit Gewinne von 20C0 realisieren«

üin Verbundbauteil pnpn-npn des in Fig. 5 dargestellten Typs ist in Fig. 6 gezeigt. Auch hier wieder ist die schaltvorrichtung durch die gestrichelten linien 1C an^eleutet, und die Anoien-,

909835/0387 BAD ORfGlNAl

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- 37 - docket 36-68D-38

Jer.No. 306,147

Kathoden* un=l Torklemae sind durch die j£lemmen 11, 12 und 13 dargestellt. Dae in dieser Figur dargestellte Verbundbauteil wird hergestellt aus swei getrennten aonokristallinen Halbleiterplättehen 40 bzw, 41, Ton denen jedes «wischen swei leitenden Platten 42 bsw. 43 sitat, die einen Ohm*sehen Kontakt mit den beiden 1-lättohen herstellen· fiel diesem Bauteil ist die untere (Kollektor) einer der drei öohiobten des Transistors 40 - ein ηpn-Transistor -auf Ohm'sehe» ilege mit der unteren leitenden Platte 42 verbunden und die untere, p-leitende Schicht (Ano.ienschioht) des VlersohiohtrGTO 41 ist in Oha'scher Besiehung sur Basisplatte 42 angeordnet· IMLe obere leitende Platte 4? verbindet die obere, η-leitende idohicht der Torabschalt-Vorriohtung 41 lirekt alt der inneren» p-leltenden Basissohicht des Transistors 4Oo Man sieht, daii bei diesen Oh«'sehen Anschlüssen die Verbindungen »wischen den beiden Plättchen genau dieselben sind wie bei

den beiden entsprechenden llättohen 30 unl 31 der in Fig.. 5 dargestellten Schaltung. JIe drei vohichten des Transistors liegen direkt »wischen den Anoden- bsw· KathodenScleanaen 11 bew, 12 des Schalters und die innere, p-leitenie Schicht des GTO 41 ist direkt Bit der Hufleren Torklemae 13 verbunden, genau wie la Falle der in Fig. 5 dargestellten GTO 31. Ks sind daher auch die.äußeren .uasohlUsse für die beiden Vorrichtungen dieselben wie im Falle des !"ransiators 3C und der 3¹JO 31 in Fig. 5. üe sind daher auch die Arbeitsweisen der in den *ißuren 5 uni 6 dargestellten ■Jchaltvorriehtungen genau dieselben»

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i)aa vorzuziehende ,tusführungsbeispiel der Krfindun^ ist in Figabgebildet. Jiese Vorrichtung setzt sich in der dargestellten Form aus einem βinsiyen monokrietallinen Halblelterplättchen zusammen» JIe Schaltvorrichtung 10 hat wieder Anoden-, Kathöden- und Torklemmen 11 und 12 bzw· 13» ^as Ausführungsbeiepiel in dieser Figur ist ein zusammengesetzter Einkristall-Bauteil (Plättchen 45), der in Endeffekt eine Synthese der beiden in den Figuren 5 und 6 dargestellten zwei Krietallbauteile ist» ito bildet slB, der linke Teil dee Plättchens 43 swischen der Anoden- und der Katholenklemme 11 bzw. 12 einen Jreischichtennpn-Tranaistorteil· Jer ganz rechte Teil des Plättchens 45 setzt alob aus vier Schichten zusammen. Von unten nach oben gelesen 1st die Heihenfolje der Schichten pnpn. Jiese vier Schichten stellen ein· Torabschaltvorrichtung dar, Die untere Oberfläche ies Plattohens 45 hat einen Ohm-¹S oh en Kontakt 46, der der untere», p-leitenden ochicht das VierBchicht-Teila uni der unteren, n-leitenden uchicht des Jreischicht-Teils des Plättchens gemeinsam angehört. Dieser Oha'ache Kontakt ist direkt mit der Anodenklemae 11 der Vorrichtung verbunden· Jie obere, η-leitende Schicht dea GTO-Teils des Plättchens 45 iat direkt mit der inneren, pieltenden Schicht (Basisschicht) des Transistorteile über eine Ohm'sche Verbindung 47 verbunden^ Damit ist die obere, n-leitende Bohicht des GTO so geschaltet, daß sie dem Transistorteil des J'lattohens 45 Basisstrom zuführt. j£in Teil des Plättchens - zwischen der oberen, η-leitenden schicht uni der inneren, p-leitenSchicht des GTO-Teils des Plättchens - ist entfernt, so daß

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di< _ίΓ-leitende Basisschicht des Transietorteils und die innere, p-Ieltende Schicht der GDO gegeneinander isoliert sind. Wenn der seitliche V.i!erstand desjenigen Teils'dieser inneren, p-leitenden schicht, dejjunmittelbar unter der oberen, η-leitenden schiebt des GTO-Teila dee i'lättchens liegt, hoch genus gewählt ist, braucht der Teil dieser oberen, p-leitenden ochicht nicht entfernt su werden. i)ie innere, p-leitenle Schicht des GTO-Teils der Vorrichtung ist direkt mit der Tor<clemme 13 verbunien» Jamit arbeitet der Vierschioht-GTO-Teil des Plättchens genau so wie die Vieraehioht-GTO-Vorriohtunts 31 in ffig» 5 und wie die Viersohlcht-GTO-Yorriohtung 41 in der Verbundvorrichtung von Flg. 6-JIe oebere, η-leitende Schicht des Transistorteils des Plättchen« 45 ist mit einem Ohm'sehen Kontakt 48 versehen, der direkt mit

der Kathodenklemme 12 tfer Vorrichtung verbunden ist.

itls Ergebnis des soeben beschriebenen aufbaue unl der zugehörigen Verbindungen ist die Vorrichtung in Fig. 7 ein Einkristall-Verbundbauteil, der die swei setrennten Kristalle der Figuren

5 und 6 kombinierte Die arbeitsweise der Vorrichtung 1st dieselbe wie sie Im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben worden ist«

Bei der Herstellung der Vorrichtung nach Fig. 7 geht man von einem einzigen ^inkristallplättchen mit einer Jicke von etwa

6 rail aus. Jas llättchen ist urspranglich aus η-leitendem Material von etwa I5 bis 20 Ohm cm (Fremdatoakonzentrution etwa 2,5*10 Atome pro cm*, oder weniger). Jas Material ist galliumdiffundiert bis in eine Tiefe von etwa 1 mil, um die p-leitende Basisschicht

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des npn-Transistorteils unl die innere, p-leitende schicht des . Vierschicht-Teils der Vorrichtung zu erhalten, diesmal bleiht diese p-leitenie ochicht ungeteilt. Jann wird die untere," p-leitende ochicht entfernt - durch Läppen oder Ätzen - so daß ein Zweischicht-Plättchen zurückbleibt. Jann wird dus llättchen nach an eich bekannten Verfahren maskiert und der obere, n-leitende Seil des npn-Transistors und der obere η-leitende Teil des pnpn-GTO-Teile des i'lättchens werden gleichseitig durch Galliumdiffusion bis in eine Tiefe von etwa 1/2 mil geformt» i)a der Heet des Plättchens Maskiert ist, bleibt er praktisch unverändert· Dann wir! das Plättchen wieder maskiert uni der ihosphor-CIffusion unterworfen, um den-unteren, p-leitenden Bereich des pnpn-Teils dee Plättchens in der unteren, η-leitenden Zone des Plättchens zu erzeugen» Die Bordiffusion wird so durchgeführt, daß eine Diffusions tiefe von etwa 1/2 mil erhalten wird* Jann wird In das Plättchen eine Kerbe geschnitten, um die p-leitende Basisechicht des Transietorteils von der inneren, p-leitenden Schicht des GTO-Teilszu trennen. Darauf werden die Ohm'sehen Kontakte 46, 47, 43 und 49 auf dem Plättchen 45 geformt. Es wird eine direkte Verbindung zwischen des OhB'sehen Kontakt 49 auf der inneren, p-leitenien Schicht des Vierschicht-Bereichs und der Torklemme 13 geschaffenο

Es sind also die Ziele der Erfindung durch Schaffung einer HaIbleiter-öchaltvorrichtung erreicht worden, die zwischen Zuständen hoher und niedriger Impedanz ungeschältet werden kanne Hierzu gehört Schaffung eines Transistorteils ia hauptsächlich strosfüh-

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renden neg und eines aua einer Torabnchalt-Vorrichtung bestehenden Teils zum Zuführen von Basisstrom sum Transistorteil der
Vorrichtung, der das Umschalten des Transistors zwischen Zuständen starker und geringer Leitung bewirkt. Hb rind zwar vorstehend bestimmte Ausfübrungsbeispiele der Erfindung beschrieben worden, es versteht sich aber natürlich, daß die Erfindung darauf nicht
beschränkt ist, da sowohl hinsichtlich der ivtromkreisariordnungen als auch hinsichtlich der verwendeten Einrichtungen viele Modifikationen möglich sind. Oo ist z.B. das Zweifache der dargestellten Anordnungen möglich« Alle .solche iiodifikationer» sollen durch die Patentansprüche erfaßt sein.

41 reiten Beschreibung ,^

6 Patentansprüche ^ C^

2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

1. - 42 - Jocket 36-6.iL>~33

   1- iitne Halbleiter-iJchaltyorrichtung, die an eiren haptsächlich stromführenden Weg abschließbar und zwiscba / ständer hoher und niedriger Impedanz umschaltbar ist, gekennzeichnet duxoh die Kombination folgender Merkmale:

   Ao i)rei Klemmen ν darunter

   a) zwei Hauptklwumen,, die an einen hauptsächlich strom führenden V/eg anschließbar sind,

   b) eine Torklemme zum Umschalten der Halbiöi^er-öchaltvorrichtung zwischen ihren Zustanden hoher una aiedriger Impedanz,

   Bo monokristalline Halbleiter-üchalteinrichtungen einschließlich

   a) miniestens eines monokristallinen Halbleiterplättcben.« 1. wobei dieses mono kristall ine Halblei terpl·· tchen einen Dreischicht-Bereich mit abwechselnden ^cjv ib ten entgegengesetzten Leittyps hat_? und dadurch einen Transistor mit zwei äußeren schichten eines Leittyps bildet, die durch einen ßasisbereich entgegengesetzten Leittyps getrennt sind, und

   2ο einen zweiten Bereich, der aus vier ochichten mit abwechselnden Schichten entgegengesetzten Leittyps besteht und einen Vierschicht-Halbleiterschalter des Torabschalt-Typa bildet,

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   3- wobei die beiden äußeren ochichten dieses Transistors elektrisch «wischen den Hauptklemnen so ang schlossen sind» daß seine drei Schichten im haupt sächlich stromführenden Weg dei chaltrorrichtung liegen«.

   4ο und wobei die Torabschalt-Vorrichtung elektrisch so angeschlossen ist, daß sie der Basisschicht de Traneistors mit ritroa versorgt, und eine innere Schicht hat« die an die Torklemme angeschlossen ist, wodurch diese Torabschalt-Vorrichtung wahlweise leitend bzw* nichtleitend gemacht werden ka - und swar in Erwiderung von öignalen an des for üb dadurch den Transistor wahlweise leitend bzw· nichtleitend zu machen und auf diese Welse die .Schaltvorrichtung eu veranlassen, im aauptsächlic stroKfiihrenden Weg wahlweise einen Weg niedriger fczw. hoher Impedan* su erzeugen.

   Ilalbleiter-Bchaltrorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet _: durc/i zwei Halbleiterplättchen, wobeieinee dieser Halbleiterplättchen drei abwechselnde Schichten entgegengesetzten Leitty hat und das anlere dieser beiden Halbleiterplättchen aus vier Schichten mit abwechselnden iichichten entgegengesetzten Leitty besteht unl einen Vierschiohten-Halbleiterschalter des Torabschalt-Typs bildet,

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   3- Halbleiter-ochaltvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch zwei Halbleiterplättchen, wobei Jede der drei schichten des Transistors elektrisch mit drei aufeinanderfolgenden Schichten der Torabschalt-Vorrichtung so verbunden ist, daß verbundene Schichten zum selben Leittyp gehören, wodurch durch die Torabscbalt-Vorrichtuns der Basis des Transistors otrom zugeführt wird, und wobei diejenige Schicht der Torabschalt-Vorrichtung, die elektrisch mit der Basisschicht des '.Transistors verbunden ist, elektrisch mit der Torklemme verbunden ist«

   4c Halbleiter-ochaltvorrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch eine monokristalline Halbleiter-üchalteinrichtung alt ainlestens einem monokristallinen Halbleiterplättchen, wobei jede der drei Schichten des Transistors elektrisch mit drei aufeinanderfolgenden Schichten der Torabschalt-Vorrichtung so verbunden ist, daß verbundene Schichten vom selben Leittyp sind, wodurch durch die Torabcchalt-Vorrichtung der Basis des Transistors Strom zugeführt wird, und wobei diejenige ochicht der Torabnchaltvorrlchtung, die elektrisch mit der Basisschid des Transistors verbunden ist, elektrisch mit der Torklemme verbuni.en ist»

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   ^ ^lbleiter-Jchaltvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, gekennzeichnet durch eine monokristalline Halbleiter-üchalteinrichtung, mit einem monokristallinen Halbleiterplättohen, wobei die drei schichten der Transistor-Vorrichtung drei der vier Schichten der Torabschalt-Vorrichtung larsteilen, und ein erster Ohm'scher Kontakt vorgesehen ist, ier mit derjenigen inneren Schicht der Vierschicht-Torabschalt-Vorrichtung verbunden ist, die die Basisschicht des Transistors darstellt und ein «weiter Ohm'scher Kontakt, der mit der gemeinsamen jiußenschicbt von Transistor und Torabschalt-Vorrichtung verbunden ist, die an die innere Basisechicht des Transistors angrenzt, und ein dritter Ohm'scher Kontakt, der die andere Außenschicht der Vierschicht-Torabschalt-Vorrichtung alt der angrenzenden Außensohicht der Transistor-Vorrichtung verbindet, wobei die »weiten und dritten Ohm'sehen Kontakte jeweils mit einer der beiden Hauptklemmen verbunden sind, wodurch die beiden äußeren Schichten des i'ransistor-Teils elektrisch zwischen den beiden Hauptklemmen angeschlossen sind, so daß seine drei Schichten im hauptsächlich stromführenden 'r.eg Ier ochaltvorrichtung liegen, und wobei der erste Olim'sehe Kontakt elektrisch mit der Torklemme verbunden ist ^

   H ilbleiter-ochaltvorrichtung nach den ünsprüchen 1 bis 5* gekennzeichnet durch ein oder zwei Halbleiterplättchen, wobei eine elektrischejverbiniung zwischen der Basis des Tran

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   "146A960 ^x'-^{at y}- --' ^?

   Jer.No, 306,14?

   und einer äußeren Jchtcht der Vierschioht-Vorrichturii vorgesehen ist, wobei der Leittyp dies ex· äußeren ochicht dem der Basisschicht entgegengesetzt ist, ·. eine elektrische Verbindung zwischen der entgegengesetzten äußeren üchicht de Vierschicht-Vorrichtung und einer äußeren Schicht des Transistors, wodurch die Vierschicht-Vorrichtung dem Transistor Basisstrom zuführt« sowie eine elektrische Verbindung zwischen der Torklemoe und derjenigen inneren ochicht der Vier schicht-Vorrichtung, die an die äußere Schicht aagrenst die Bit der Baiiisschicht des Transistors verbunden ist,

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