DE1464960A1 - Halbleiter-Schalter - Google Patents
Halbleiter-SchalterInfo
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Description
159 Madison Ayenue Hew iork 1ÖO16, H. r,
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.
909Θ35/0387
rp/ncn Docket No,36-63D-33
464960
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-
909835/0387
- 3 - Docket No.56-630-58
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
909835/0587
U64960
Docket Ko. 36-CJJ-38
,No. 306,147
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
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.
^a ■ ■■■· ■ ■ ■
haben (n-liaterlal) mit einer Barriere oder Grenzschicht zwischen
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aer.Ho, 306,147
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-
909835/031?
U6A960
- 6 - Jocket Ho- 36-68D-38
Oer.No. 306,147
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 JQ 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»
909835/0387
* 146A96O docket Ho. 56-680-58
506,147
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
909835/0387
Jer»No, 306,147
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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- 9 - öockafc Ho. 56-68D-38
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 Jc 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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oer-Ho- 506,14?
genug, so kehrt die Uittelgrenzschicht Jß 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 wlrde
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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- H - docket-No* 56-68D-58
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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f"' ■ .
dooket Mo. 36-68D-38
" 12 " Ser.Ho. 306,147
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 +otnnn) 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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- 13 - jacket Ho, 36-66i>-38
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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" 14 "1ARAQRn 0O0^e* Κ©· 56-680-38
öer.No. 306,147
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 Ge8en 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;
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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Ser.No. 306,147
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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U64960
16 « Docket 56~68D*38
506,147
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) IE1 J. »pn - (1 - ^-pnp)
pnp
Löst Dian nach I^ auf, so erhält man die folgende Gleichung:
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. U64960 uocknt 36-68i>-38
Ser.Ho. 306,147
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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- 18 - docket 36-68J-38
üer.No, 306,11-7
U6A960
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
909835/0387
- 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-
• Ig . ■
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»
909835/0337
- 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
909835/0387
- 21 - Jocket 36-680-38
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
909836/0317
- 22 - Docket 36-63D-38
146A960 oer.Bo. 306,147
^ 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 Iß ist für die Bedingung
gegeben durch
(10)
so daß
909835/0387
Ser,No, 506,147
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 <Sß 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 ( ^1Jn- * **-ηρη) 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
909835/0387
- 25 - . · Docket 36-68D-58
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 Iß gespeist wird, und nichtleitend (doh. er hat eine hohe Impedanz), wenn der Basisstrom Iß
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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- 23 - Jocket 56-63D-38
Jer.No. 306,147
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
Is, 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 Iß 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 -
(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) IB - (~
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 IE
oder (18) (1 - -I«) I- · I1,
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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Docket 36-68D-38 No. 306,14?
oder
Nimmt man an, daß sich GIo (20) zu:
(21) IE -
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
Ser.No«, 306,147
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 2,5τ,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
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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+ 1GR
Hat das Verhältnis ..„ den Wert 50, so wird Gl* (23) au:
1L - 50"I0H * I0R - 51 Ioa
Mimmt man an, daß GTO 31 einen Abschaltgewinn von 20 hat (ein
durchaus realistischer Wert), so kann ein otrom von IQß abgeschaltet
werden, wenn ein negativer Torstrom von 0,05 1qR 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>
XCß
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-,
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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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öerJo, 306,147
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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Noc 306,147
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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- 40 - docket 36-68D-38
SeroNo, 306,14-7
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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1/c/ocn locket 36-63J-33
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.
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)
- - 42 - Jocket 36-6.iL>~331- 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 daruntera) 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 einschließlicha) 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, und2ο einen zweiten Bereich, der aus vier ochichten mit abwechselnden Schichten entgegengesetzten Leittyps besteht und einen Vierschicht-Halbleiterschalter des Torabschalt-Typa bildet,909835/03871464960 Jocket 36-68D-38 üerdio. 306,1473- 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,909835/0387- 44 - Jocket 56-68i)-383- 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»909835/0387Docket 36- "» 1-58 306,147^ ^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 Tran9 09835/0387"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,909835/0387Leerseite
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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