DE1464982C

DE1464982C - Controllable semiconductor rectifier

Info

Publication number: DE1464982C
Application number: DE19641464982
Authority: DE
Inventors: Finis Edward Skaneateles NY Gentry (V St A )
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1964-12-15
Filing date: 1964-12-15
Publication date: 1973-05-17

Description

Steuerbare Halbleitergleichrichter bestehen aus einer Halbleiterscheibe mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, mit je einer Hauptelektrode an den beiden äußeren Zonen und einer Steuerelektrode an der ersten inneren Zone und sind mittels eines über die Steuerelektrode und die benachbarte äußere Zone geführten Stromes einschaltbar, aber auch mittels eines Stromes entgegengesetzter Polarität abschaltbar.Controllable semiconductor rectifiers consist of a semiconductor wafer with four zones alternately opposite one another Conduction type, each with a main electrode on the two outer zones and a control electrode on the first inner zone and can be switched on by means of a current conducted via the control electrode and the adjacent outer zone, but can also be switched off by means of a current of opposite polarity.

Steuerbare Halbleitergleichrichter mit einer pnpn-Zonenstruktur sind wichtiger Bestandteil von Steuer- und Schaltstromkreisen. Ein solcher Halbleitergleichrichter wirkt in einer Schaltung, in welcher er, mit den Hauptelektroden (Anode und Kathode) angeschlossen, eingesetzt ist, als ein aktives Stromkreiselement. Im Zustand hoher Impedanz wirkt er wie ein geöffneter Schalter, dabei fließt unter Spannung nur ein geringer Sperrstrom durch den Halbleitergleichrichter. Andererseits wirkt er im Zustand,niedriger Impedanz wie ein geschlossener Schalter, an dem unter Stromfluß nur ein geringer Spannungsabfall entsteht.Controllable semiconductor rectifiers with a pnpn zone structure are an important part of control and switching circuits. Such a semiconductor rectifier acts in a circuit in which he connected to the main electrodes (anode and cathode), is used as an active circuit element. In the high impedance state, it acts like an open switch, with live flowing only a small reverse current through the semiconductor rectifier. On the other hand, it works in the state of being lower Impedance like a closed switch with only a small voltage drop when current is flowing arises.

Zum Einschalten (Zünden) eines steuerbaren Halbleitergleichrichters genügt ein kleiner über die Steuerelektrode zugeführter Injektionsstrom. Zum Abschalten eines steuerbaren Halbleitergleichrichters ist es hingegen erforderlich, den von der Anode zur Kathode fließenden Strom (Anodenstrom) mittels Stromentzugs über die Steuerelektrode genügend weit zu verringern. . · ■For switching on (igniting) a controllable semiconductor rectifier A small injection current supplied via the control electrode is sufficient. To switch off a controllable semiconductor rectifier, however, it is necessary that from the anode to the cathode to reduce the flowing current (anode current) sufficiently by means of current withdrawal via the control electrode. . · ■

Um den gesteuerten Abschaltvorgang bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter verständlich zu machen, möge eine vereinfachte physikalische Darstellung der betriebsmäßigen Wirkungsweise desselben genügen.In order to understand the controlled shutdown process in a controllable semiconductor rectifier may make a simplified physical representation of the operational mode of operation of the same suffice.

Im wesentlichen besteht ein steuerbarer Halbleitergleichrichter, wie eingangs erwähnt, aus einer Scheibe einkristallinen Halbleitermaterials, beispielsweise aus Silizium, in der vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps aufeinanderfolgend eine pnpn- oder npnp-Zonenfolge bilden. Die zwei äußeren p- und η-leitenden Zonen sind mit je einer Hauptelektrode versehen, und es ist bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter mit pnpn-Zonenfolge die an die äußere η-leitende Zone angrenzende innere p-leitende Zone mit einer Steuerelektrode versehen.As mentioned above, a controllable semiconductor rectifier essentially consists of a disk Monocrystalline semiconductor material, for example made of silicon, in the four zones alternately opposite one another Line type successively form a pnpn or npnp zone sequence. The two outer p- and η-conductive zones are each provided with a main electrode, and it is a controllable one Semiconductor rectifier with pnpn zone sequence the inner p-conducting zone adjoining the outer η-conducting zone Provide the zone with a control electrode.

Es ist üblich, einen solchen Vierzonenaufbau als aus zwei Teiltränsistoren, einem pnp- und einem npn-Transistor, zusammengesetzt anzusehen, welchen der mittlere pn-übergang und die zwei inneren Zonen des Vierzonenaufbaus gemeinsam sind und bei welchen je eine Hauptelektrode des Halbleitergleichrichters an einer äußeren Zone angebracht ist. Die Steuerelektrode des Halbleitergleichrichters ist bei dem einen Teiltransistor an einer äußeren Zone und bei dem anderen Teiltransistor an der Mittelzone angebracht. It is common to have such a four-zone structure as consisting of two partial transistors, one pnp and one npn transistor, put together to see which is the middle pn junction and the two inner zones of the four-zone structure are common and each of which has a main electrode of the semiconductor rectifier attached to an outer zone. The control electrode of the semiconductor rectifier is in the one sub-transistor is attached to an outer zone and the other sub-transistor is attached to the central zone.

Ein aus nur zwei Zonen, einer p-leitenden und einer η-leitenden Zone bestehender nicht steuerbarer Halbleitergleichrichter, welcher von einer Wechselspannung beaufschlagt wird, leitet bekanntlich nur in einer Richtung Strom, in der entgegengesetzten Richtung wird der Strom gesperrt. Bei an der p-leitenden Zone positiver und an der η-leitenden Zone negativer Spannung fließt praktisch ohne Widerstand ein Durchlaßstrom durch den Halbleitergleichrichter, bei umgekehrt gepolter Spannung kann da- ( gegen nur ein geringer Sperrstrom fließen. Im Durchlaßzustand treibt die an der p-leitenden Zone positive Spannung positive Ladungsträger (Löcher) in Richtung des zwischen den beiden Zonen liegenden pn-Uberganges. Ebenso treibt die an der n-leitenden Zone negative Spannung Elektronen in entgegengesetzter Richtung zum pn-übergang. Im Sperrzustand des Halbleitergleichrichters werden positive Ladungsträger und Elektronen vom pn-übergang weggezogen, wodurch sich ein Verarmungsbereich am pn-übergang bildet, der praktisch frei von Ladungsträgern ist. In diesem Verarmungsbereich entsteht ähnlich wie bei einem Kondensator eine den Stromfiuß hemmende Raumladung. Das durch die Raumladung erzeugte Feld kann durch eine genügend hohe Sperrspannung durchbrochen werden, was einen hohen Sperrstrom zur Folge haben kann..A non-controllable zone consisting of only two zones, a p-conducting and an η-conducting zone Semiconductor rectifier, which is acted upon by an alternating voltage, is known to only conduct in one direction current, in the opposite direction the current is blocked. At the p-type Zone of positive voltage and negative voltage in the η-conducting zone flows practically without resistance a forward current through the semiconductor rectifier, with reversed polarity there can be ( flow against only a small reverse current. In the on state, the p-type zone drives positive Voltage positive charge carriers (holes) in the direction of the lying between the two zones pn junction. Likewise, the negative voltage on the n-conductive zone drives electrons in opposite directions Direction to the pn junction. In the blocking state of the semiconductor rectifier are positive Charge carriers and electrons are pulled away from the pn junction, as a result of which a depletion area is formed at the pn junction, which is practically free of load carriers. In this depletion area, similar to a capacitor, arises a space charge that inhibits the flow of current. The field generated by the space charge can go through a sufficiently high reverse voltage can be broken, which result in a high reverse current can..

Liegt indes bei einem steuerbaren pnpn-Halbleitergleichrichter positive Spannung an der p-leitenden äußeren Zone und negative Spannung an der n-lei- , tenden äußeren Zone, so sind zwar die beiden äußeren pn-Ubergänge des Halbleitergleichrichters im Durchlaßzustand gepolt, nicht aber der mittlere pn-übergang; dieser ist im Sperrzustand gepolt und bildet auch bei den Teiltransistoren je einen sperrenden pn-übergang. Ein im Sperrzustand gepolter mittlerer pn-übergang eines steuerbaren Halbleitergleichrichters wird ebenso wie ein im Sperrzustand gepolter pn-übergang eines nicht steuerbaren Halbleitergleichrichters bei entsprechend hoher Sperrspannung infolge Spannungsdurchbruches stromleitend geschaltet. Im Sperrzustand gepolt kann dieser pn-übergang ferner auch mittels eines über die Steuerelektrode und den äußeren pn-übergang zur p-leitenden äußeren Zone und zur Kathode geführten Injektionsstromes stromleitend geschaltet werden. Ein solcher Injektionsstrom ruft am mittleren pn-übergang eine Veränderung der Raumladungszone hervor.If, however, at a controllable pnpn semiconductor rectifier positive voltage to the p-type outer zone and negative voltage to the n-managerial, Tenden outer zone, while the two outer pn junctions of the semiconductor rectifier poled in the on state, but not the average pn junction; this is polarized in the blocking state and also forms a blocking pn junction in each of the partial transistors. A central pn junction of a controllable semiconductor rectifier that is polarized in the off-state, like a pn junction of a non-controllable semiconductor rectifier that is polarized in the off-state, is switched to be conductive with a correspondingly high blocking voltage due to a voltage breakdown. In the polarized blocking state, this pn junction can furthermore also be switched to be conductive by means of an injection current conducted via the control electrode and the outer pn junction to the p-conducting outer zone and to the cathode. Such an injection current causes a change in the space charge zone at the middle pn junction.

Ein auf diese Weise eingeschalteter Anodenstrom kann als Summe zweier Ströme, die getrennt in den Teiltransistoren fließen, dargestellt werden. Der Stromfluß in jedem Teiltransistor hängt jeweils von der Größe des über die Basiszone des betreffenden Teiltransistors fließenden Stromes ab. So ist z. B. derAn anode current switched on in this way can be expressed as the sum of two currents which are separately fed into the Partial transistors flow, are represented. The current flow in each sub-transistor depends on the Size of the current flowing through the base zone of the relevant sub-transistor. So is z. B. the

Stromfluß durch den pnp-Teiltransistor abhängig von der Stromstärke des durch den npn-Teiltransistor fließenden Stromes. In dem steuerbaren Halbleitergleichrichter fließt dieser Strom von der n-leitenden äußeren Zone zur η-leitenden inneren Zone, der Basiszone des pnp-Teiltransistors.Current flow through the pnp sub-transistor dependent on the strength of the current flowing through the npn sub-transistor. In the controllable semiconductor rectifier this current flows from the n-conducting outer zone to the η-conducting inner zone, the Base zone of the PNP sub-transistor.

Die Bedingung für das Einschalten des Anodenstromes läßt sich durch die Stromverstärkungsfaktoren ctpnp und (Znpn der Teiltransistoren ausdrücken. Die Einführung der Stromverstärkungsfaktoren in dieser Betrachtung ist auch für das Verständnis des Abschaltvorganges von Bedeutung. Der Stromverstärkungsfaktor apnp bestimmt sich aus dem Anteil des Kollektorstromes am Emitterstrom des pnp-Teiltransistors, in welchem überwiegend ein Löcherstrom fließt, hingegen bestimmt sich der Faktor a_npn aus dem Anteil des Kollektorstromes am Emitterstrom des npn-Teiltransistors, in welchem überwiegend ein Elektronenstrom fließt.The condition for switching on the anode current can be expressed by the current amplification factors ctpnp and (Znpn of the sub-transistors. The introduction of the current amplification factors in this consideration is also important for understanding the disconnection process. The current amplification factor apnp is determined from the share of the collector current in the emitter current of the PNP sub-transistor, in which predominantly a hole current flows, on the other hand, the factor a _np n is determined from the proportion of the collector current in the emitter current of the npn sub-transistor, in which predominantly an electron current flows.

Der Anodenstrom im mittleren pn-übergang setzt sich sonach zusammen aus einem von der p-leitenden äußeren Zone ausgehenden Löcherstrom, einem von der η-leitenden äußeren Zone ausgehenden Elektronenstrom und aus einem geringen thermisch erzeugten Sperrstrom. Die Bedingung für das Einschalten des Anodenstromes ist, daß die Summe der Stromverstärkungsfaktoren α der zwei Teiltransistoren gleich Eins wird. Umgekehrt ist die Bedingung für das Abschalten des Anodenstromes im steuerbaren Halbleitergleichrichter, daß die Summe der Stromverstärkungsfaktoren α kleiner als Eins wird. Die Strom Verstärkungsfaktoren «_pnp und α_πρη der Teiltransistoren werden mit zwischen Kollektor und Emitter zunehmender· Spannung nur geringfügig größer, bevor der mittlere pn-übergang stromleitend geschaltet wird und der Anodenstrom zu fließen beginnt. Die Stromverstärkungsfaktoren nehmen dann aber mit weiter zunehmendem Anodenstrom stärker zu.The anode current in the middle pn junction is therefore composed of a hole current emanating from the p-conducting outer zone, an electron current emanating from the η-conducting outer zone and a low thermally generated reverse current. The condition for switching on the anode current is that the sum of the current amplification factors α of the two sub-transistors is equal to one. Conversely, the condition for switching off the anode current in the controllable semiconductor rectifier is that the sum of the current amplification factors α is less than one. The current amplification _factors _«pnp and α πρ η of the partial transistors become only slightly larger with increasing voltage between collector and emitter, before the middle pn junction is switched to conductive and the anode current begins to flow. However, the current amplification factors then increase more sharply as the anode current continues to increase.

Das Abschalten eines Anodenstromes kann einmal dadurch erreicht werden, daß der Anodenstrom und damit die über die Basiszonen der Teiltransistoren fließenden Ströme künstlich durch Herabsetzen der Anodenspannung so stark reduziert werden, daß der mittlere pn-übergang nicht mehr an Ladungsträgern gesättigt ist und somit Sperrspannung aufnehmen kann, ferner, wie oben beschrieben, auch dadurch, daß über die Steuerelektrode ein Strom abgeführt wird, wobei der p-leitenden inneren Zone des steuerbaren Halbleitergleichrichters, der Basiszone des npn-Teiltransistors, Löcher entnommen werden. Es wird dadurch die Spannung am pn-übergang zur η-leitenden äußeren Zone verringert, und der Nachschub an Elektronen aus der n-leitenden äußeren Zone wird verringert, was zu einer Ladungsträgerverarmung des mittleren pn-Überganges führt. Die Folge davon ist, daß auch der Nachschub an Löchern aus der p-leitenden äußeren Zone verringert wird. Der beschriebene Abschaltvorgang dauert insgesamt nur wenige Mikrosekunden. . -Das vorbeschriebene Abschaltverfahreri wird jedoch bei steuerbaren Halbleitergleichrichtern für große Anodenströme deshalb nicht angewendet, weil der über die Steuerelektrode abzuführende Strom praktisch dem Anodenstrom an Größe gleich ist. Anders verhält es sich bei steuerbaren Halbleitergleichrichtern für kleine Anodenströme. Hier kann die Anwendung des beschriebenen Verfahrens vorteilhaft sein.Switching off an anode current can be achieved once that the anode current and so that the currents flowing over the base zones of the sub-transistors artificially by reducing the Anode voltage can be reduced so much that the middle pn junction is no longer charged with charge carriers is saturated and thus can absorb reverse voltage, furthermore, as described above, too in that a current is discharged via the control electrode, the p-conducting inner zone of the controllable semiconductor rectifier, the base zone of the npn sub-transistor, holes removed will. This reduces the voltage at the pn junction to the η-conductive outer zone, and the supply of electrons from the n-conducting outer zone is reduced, which leads to a depletion of charge carriers of the middle pn junction leads. The consequence of this is that also the supply Holes from the p-type outer zone is reduced. The shutdown process described lasts overall just a few microseconds. . -The shutdown procedure described above is, however not used in controllable semiconductor rectifiers for large anode currents because of the The current to be discharged via the control electrode is practically equal in size to the anode current. Different it is the case with controllable semiconductor rectifiers for small anode currents. Here the application of the method described be advantageous.

Zur weiteren Erläuterung des Abschaltverfahrens wird im folgenden auf die schematischen Darstellungen der F i g. 1 a bis 1 c Bezug genommen.For a further explanation of the shutdown process, the following refer to the schematic representations the F i g. 1 a to 1 c referred to.

F i g. 1 a zeigt den Zonenaufbau eines steuerbaren Halbleitergleichrichters;F i g. 1 a shows the zone structure of a controllable semiconductor rectifier;

Fig. Ib zeigt den Zonenaufbau des pnp-Teiltransistors undFig. Ib shows the zone structure of the PNP sub-transistor and

Fig. Ic den Zonenaufbau des npn-Teiltransistors eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach F i g. 1 a.Fig. Ic the zone structure of the npn sub-transistor a controllable semiconductor rectifier according to FIG. 1 a.

In der F i g. 1 a ist angedeutet, daß die p-leitende innere Zone des steuerbaren Halbleitergleichrichters mit einer Steuerelektrode versehen ist. Dieselbe Elektrode ist auch bei dem npn-Teiltransistor der F i g. 1 c an dessen Basiszone angebracht zu denken. Im stromleitenden Zustand des steuerbaren Halbleitergleichrichters hängt der Anteil des Anodenstromes, welcher durch den pnp-Teiltransistor fließt, vom Stromverstärkungsfaktor apnp ab. Ist die Stromstärke dieses Anteils erheblich größer als die zur Aufrechterhaltung des stromleitenden Zustandes erforderliche Stromstärke, so ist ein entsprechend großer Strom über die. Steuerelektrode abzuführen, um den mittleren pn-übergang J_c des steuerbaren Halbleitergleichrichters und diesen selbst in den Sperrzustand zu überführen. Es wird deshalb der Stromverstärkungsfaktor apnp nur so groß bemessen, daß die Stromstärke im pnp-Teiltransistor wenig größer ist als die zur Aufrechterhaltung des stromleitenden Zustandes erforderliche Stromstärke. Das ist bei einem genügend kleinen Stromverstärkungsfaktor a_pnp nahe Null erfüllt. Da aber andererseits zum Einschalten des Anodenstromes die Bedingung «_pnp + α_πρη = 1 erfüllt werden soll, so ist der Zahlenwert des Stromverstärkungsfaktors a_npn nahezu gleich Eins zu bemessen.In FIG. 1 a it is indicated that the p-conducting inner zone of the controllable semiconductor rectifier is provided with a control electrode. The same electrode is also in the npn sub-transistor of FIG. 1 c to think of its base zone attached. In the conductive state of the controllable semiconductor rectifier, the portion of the anode current which flows through the pnp sub-transistor depends on the current amplification factor apnp. If the current strength of this component is considerably greater than the current strength required to maintain the current-conducting state, a correspondingly large current is via the. Remove control electrode in order to transfer the central pn junction J _{c of} the controllable semiconductor rectifier and this itself to the blocking state. The current amplification factor apnp is therefore only dimensioned so large that the current intensity in the pnp sub-transistor is slightly greater than the current intensity required to maintain the current-conducting state. This is fulfilled with a sufficiently small current amplification _factor a pnp close to zero. On the other hand, since the condition « _pnp + α _πρη = 1 is to be fulfilled for switching on the anode current, the numerical value of the current amplification _{factor a npn} should be measured to be almost equal to one.

Als Maß für die Abschaltempfindlichkeit eines über die Steuerelektrode abschaltbaren steuerbaren Halbleitergleichrichters gilt das Zahlenwertverhältnis «npn/upnp der beteiligten Stromverstärkungsfaktoren, ferner auch das als Abschaltverstärkungsfaktor bezeichnete Stromstärkenverhältnis Anodenstrom zu dem zum Abschalten des Anodenstromes über die Steuerelektrode abzuführenden Steuerstrom. Eine Möglichkeit, den Abschaltverstärkungsfaktor eines steuerbaren Halbleitergleichrichters zu erhöhen, besteht nun darin, den Emitterwirkungsgrad der Zonenstruktur des Halbleitergleichrichters herabzusetzen.As a measure of the switch-off sensitivity of a controllable switch that can be switched off via the control electrode Semiconductor rectifier, the numerical value ratio «npn / upnp of the current amplification factors involved applies, furthermore also the current ratio of anode current, referred to as the switch-off gain factor the control current to be discharged to switch off the anode current via the control electrode. One It is possible to increase the switch-off gain factor of a controllable semiconductor rectifier now in reducing the emitter efficiency of the zone structure of the semiconductor rectifier.

Es ist ein schaltbares Halbleiterbauelement mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps und je einer Hauptelektrode an den beiden äußeren Zonen und einer Steuerelektrode an einer ersten inneren Zone bekannt, bei dem die· zweite innere Zone aus zwei Teilzonen unterschiedlich großer Leitfähigkeit besteht (USA.-Patentschrift 3 079 512). Das bekannte Halbleiterbauelement ist ein Vierzonen-Hook-Transistor mit einem einen Hook-Ubergang überbrückenden Tunnel-pn-Ubergang. Eine derartige Anordnung weist eine zumindest teilweise herabgesetzte Emitterwirksamkeit auf. _: A switchable semiconductor component with four zones of alternately opposite conductivity types and a main electrode on each of the two outer zones and a control electrode on a first inner zone is known, in which the second inner zone consists of two sub-zones of different conductivity (U.S. Patent 3 079 512). The known semiconductor component is a four-zone hook transistor with a tunnel pn junction bridging a hook junction. Such an arrangement has an at least partially reduced emitter efficiency. _:

, Die Erfindung betrifft nun einen steuerbaren Halbleitergleichrichter, welcher alle vorstehend angeführten Strukturmerkmale des bekannten Halbleiterbauelements aufweist. . .· .The invention now relates to a controllable semiconductor rectifier, which includes all of the structural features of the known semiconductor component cited above having. . . ·.

Bei dem bekannten Halbleiterbauelement ist eine entartet dotierte äußere Emitterzone von einer entartet dotierten Zone entgegengesetzten Leitungstyps umgeben, welche eine erste Teilzone einer inneren Zone bildet. Die äußere Emitterzone ragt in dieIn the known semiconductor component, one degenerately doped outer emitter zone is degenerate from one surrounded doped zone of opposite conductivity type, which a first sub-zone of an inner Zone forms. The outer emitter zone protrudes into the

zweite Teilzone der inneren Zone hinein. Es besteht bei dieser Anordnung zwischen den entartet dotierten Zonen ein Esaki-Ubergang, und zwischen der äußeren Emitterzone und der zweiten Teilzone der inneren Zone besteht ein sogenannter Hook-Ubergang. Bei dem bekannten Halbleiterbauelement ist die Emitterwirksamkeit gering, solange der Strom klein ist und der Esaki-Ubergang den Hook-Ubergang überbrückt.second sub-zone of the inner zone into it. In this arrangement there is between the degenerately doped Zones an Esaki transition, and between the outer emitter zone and the second sub-zone the inner one Zone there is a so-called hook transition. In the known semiconductor component, the emitter efficiency is low as long as the current is small and the Esaki junction bridges the Hook junction.

Es liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit den oben erläuterten Strukturmerkmalen eine solche Zonenanordnung anzugeben, daß unabhängig von der Größe des Anodenstromes, ohne Zuhilfenahme eines Esaki- und eines Hook-Uberganges stets eine geringe Emitterwirksamkeit erzielbar ist.The invention is based on the object for a controllable semiconductor rectifier with the Structural features explained above to indicate such a zone arrangement that regardless of the Size of the anode current, always a small one without the aid of an Esaki and a Hook transition Emitter efficiency is achievable.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem steuerbaren Halbleitergleichrichter die an die zweite innere Zone angrenzende äußere Zone vollständig an die Teilzone angrenzt, welche die größere Leitfähigkeit aufweist.This object is achieved according to the invention in that in the controllable semiconductor rectifier the outer zone adjoining the second inner zone completely adjoins the sub-zone which has the greater conductivity.

Um den Emitterwirkungsgrad noch zusätzlich herabzusetzen, ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung eine Zonenstruktur vorgesehen, bei der die an die äußere Zone angrenzende Teilzone der zweiten inneren Zone teilweise an die Hauptelektrode dieser äußeren Zone angrenzt.In order to further reduce the emitter efficiency, after a further training the Invention a zone structure is provided in which the sub-zone adjoining the outer zone of the second inner zone partially adjoins the main electrode of this outer zone.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand weiterer Figuren durch ein Diagramm und durch Ausführüngsbeispiele näher erläutert. Es zeigtThe invention is illustrated below by means of further figures, a diagram and exemplary embodiments explained in more detail. It shows

F i g. 2 eine graphische Darstellung errechneter Werte des Abschaltvermögens δ in Abhängigkeit von dem Verhältnis des Anodenstromes / und des Haltestromes I₁₁ bei unterschiedlichen Emitterwirkungsgraden γ₂, F i g. 2 shows a graphical representation of calculated values of the disconnection capacity δ as a function of the ratio of the anode current / and the holding current I ₁₁ with different emitter efficiencies γ ₂ ,

F i g. 3 und 4 je einen Zonenaufbau eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach der Erfindung.F i g. 3 and 4 each show a zone structure of a controllable semiconductor rectifier according to the invention.

Im folgenden wird zunächst wieder auf die F i g. 1 a bis Ic Bezug genommen, und es wird angenommen, daß an einen steuerbaren Halbleitergleichrichter nach F i g. 1 a eine an der äußeren p-Zone positive und an der äußeren η-Zone negative Spannung angelegt sei. Es fließt dann in der in F i g. 1 a angegebenen Richtung von der äußeren p-Zone durch den steuerbaren Halbleitergleichrichter ein Strom zur äußeren η-Zone, welcher beim Eintritt in die äußere p-Zone die Größe I_E2 und beim Austritt aus der äußeren η-Zone die Größe I_El hat. Ein über die Steuerelektrode fließender Steuerstrom sei mit I_G bezeichnet. Unter Berücksichtigung der oben erläuterten Stromverstärkungsfaktoren a_pnp und «_npn der in den F i g. 1 b und 1 c dargestellten Teiltransistoren bestehen zwischen den Strömen J_£1 und I_E2 die BeziehungenIn the following, it will first be referred to FIG. 1 a to Ic is referred to, and it is assumed that a controllable semiconductor rectifier according to F i g. 1 a a positive voltage is applied to the outer p-zone and a negative voltage to the outer η-zone. It then flows in the in FIG. 1 a indicated direction from the outer p-zone through the controllable semiconductor rectifier a current to the outer η-zone, which has the size I _E2 when entering the outer p-zone and the size I _El when exiting the outer η-zone. A control current flowing through the control electrode is denoted by I _G. Taking into account the current amplification _factors a pnp and « _n pn explained in FIGS. 1b and 1c shown partial transistors exist between the currents J _{£ 1} and I _E2 the relationships

IßZ ' ^apnp — Ie ⁼ Ο- ~ önpn) * I_Ei (1) IßZ ' ^a pnp - Ie ⁼ Ο- ~ önpn) * I _E i (1)

I_El · anpn = (1 — apnp) · I_E2 (2) I _E lanpn = (1 - apnp) I _E2 (2)

Hieraus ergibt sich die Größe des Stromes I_E2 in Abhängigkeit vom Steuerstrom I₀ und von den StromverstärkungsfaktorenThis results in the magnitude of the current I _E2 as a function of the control current I ₀ and the current amplification factors

Stromkreis geschalteten Last bestimmt. Bei fließendem Anodenstrom liegt am mittleren pn-Ubergang J_c eine Spannung solcher Polarität, daß der Stromfluß aufrechterhalten wird. Diese Spannung hat die entgegengesetzte Polarität einer Durchlaßspannung. Anodenstrom und Spannung am mittleren pn-übergang wie auch die Stromverstärkungsfaktoren hängen gegenseitig voneinander ab. Wird die treibende Spannung oder die Belastung genügend weit herabgesetzt oder wird über die Steuerelektrode ein genügend großer Steuerstrom in der in den Fig. la und 1 c angegebenen Richtung aus dem steuerbaren Halbleitergleichrichter herausgeführt, so verschwindet der Anodenstrom, und der steuerbare Halbleitergleichrichter wird somft abgeschaltet.Circuit switched load determined. When the anode current is flowing, the central pn junction J _{c has} a voltage of such polarity that the current flow is maintained. This voltage has the opposite polarity of a forward voltage. The anode current and voltage at the middle pn junction as well as the current amplification factors are mutually dependent. If the driving voltage or the load is reduced sufficiently or if a sufficiently large control current is led out of the controllable semiconductor rectifier in the direction indicated in FIGS.

Zur Bestimmung des zum Abschalten des Anodenstromes erforderlichen Steuerstromes I_G sei angenommen, daß die Stromverstärkungsfaktoren α Maximalwerte bei den Strömen I_El und I_E2 annehmen und daß der Strom I_E2 einen kleinstmöglichen Wert I_M bei dem Steuerstrom I₀ einnimmt. Mit I_H sei derjenige Haltestrom bezeichnet, der erforderlich ist, um den Anodenstrom eingeschaltet zu erhalten, wenn I₀ = O ist. Es wird das Änderungsverhältnis des Minimalhaltestromes zum Steuerstrom I₀ als das Abschaltvermögen d_Aus definiert und bisweilen auch als Abschaltverstärkung bezeichnet. Hier sei jedoch das Verhältnis des Laststromes zu dem Steuerstrom, der zur Abschaltung des Laststromes erforderlich ist, als Abschaltverstärkung definiert. Im folgenden wird zunächst das Abschaltvermögen betrachtet. Entsprechend der vorstehend erläuterten Definition gilt hierfür die Beziehung To determine the control current I _G required to switch off the anode current, it is assumed that the current amplification factors α assume maximum values for the currents I _El and I _E2 and that the current I _E2 has the smallest possible value I _M for the control current I ₀ . I _H denotes that holding current that is required to keep the anode current switched on when I ₀ = O. The change ratio of the minimum holding current to the control current I ₀ is defined as the disconnection capacity _{d out} and is sometimes also referred to as the disconnection gain. Here, however, the ratio of the load current to the control current that is required to switch off the load current is defined as the switch-off gain. In the following, the disconnection capacity is first considered. In accordance with the definition explained above, the relationship applies here

hi = h hi = h

>■ > ■ npnnpn

önpn ■+■ Qpnp — 1önpn ■ + ■ Qpnp - 1

Die Größe eines einmal eingeschalteten Anodenstromes ist im wesentlichen durch die treibende Spannung und den Widerstand einer in den Anoden-The magnitude of an anode current, once switched on, is essentially determined by the driving current Voltage and resistance of one in the anode

A — A -
°Aus —° Off -

_ ^M Λ _ J_h\
¹G \ ¹M/ _ ^ M Λ _ J_h \
¹ G \ ¹ M /

Mit I_M = I_E ergibt sich nach Gleichung (3)With I _M = I _E we get according to equation (3)

O npnO npn

AUSOUT ιι

önpn τ öpnpönpn τ öpnp

und in dem Fall, daß I_M » I₁₁ and in the event that I _M >> I ₁₁

Q npnQ npn

Ct npn τ Ctpnp 1Ct npn τ Ctpnp 1

Gleichung (6) sowie auch Gleichung (4) zeigen, daß für I_M :> I₁₁ Abschaltvermögen und Abschaltverstärkung -γ- einander gleich sind.Equation (6) as well as equation (4) show that for I _M :> I ₁₁ disconnection capacity and disconnection gain -γ- are equal to one another.

Auf Grund von Messungen ist bekannt, daß sich die beiden Stromverstärkungsfaktoren α schon bei kleinen Strömen dem Wert Eins nähern können, so daß dann die Abschaltverstärkung sich ebenfalls dem Wert Eins nähert. Gelingt es, den einen oder beide Stromverstärkungsfaktoren α bei einem Wert kleiner als Eins zu begrenzen, so kann damit eine große Abschaltverstärkung erzielt werden. Aus Gleichung (6) ergibt sich, daß durch eine entsprechende Begrenzung des Stromverstärkungsfaktors a_pnp eine größere Abschaltverstärkung als durch Begrenzung des Stromverstärkungsfaktors a_npn erzielt werden kartn. Ferner ergibt sich aus Gleichung (6), daß eine große Abschaltverstärkung erzielt werden kann, wennIt is known from measurements that the two current amplification factors α can approach the value of one even with small currents, so that the switch-off amplification then also approaches the value of one. If it is possible to limit one or both of the current amplification factors α to a value less than one, then a large switch-off amplification can be achieved. From equation (6) it follows that by limiting the current gain factor a _pnp accordingly, a greater turn-off gain can be achieved _{than by limiting the current gain factor a npn.} Further, it can be seen from equation (6) that a large turn-off gain can be obtained if

die Summe der Strom Verstärkungsfaktoren n_npn + α pnp nahezu den Wert Eins erreicht.the sum of the current amplification _factors n npn + α pnp almost reaches the value one.

Des weiteren ergibt sich bezüglich des Einschaltverhaltens eines steuerbaren Halbleitergleichrichters aus den vorangehenden Gleichungen, daß zumindest bei einem Teiltransistor des steuerbaren Halbleitergleichrichters der Stromverstärkungsfaktor α mit dem Strom zunehmen muß, damit beim steuerbaren Halbleitergleichrichter die Summe der beiden Stromverstärkungsfaktoren den Wert Eins überschreiten kann und damit eine große Einschaltverstärkung erhalten wird.Furthermore, there is a switch-on behavior of a controllable semiconductor rectifier from the preceding equations that at least one sub-transistor of the controllable semiconductor rectifier the current amplification factor α must increase with the current, so with the controllable semiconductor rectifier the sum of the two current amplification factors can exceed the value one and thus a large switch-on amplification is obtained.

Es muß also bei mindestens einem Teiltransistor der Stromverstärkungsfaktor α mit dem Strom variierbar sein, damit die Summe der Stromverstärkungsfaktoren durch einen Steuerstrom entsprechender Polarität und Größe größer als Eins gesteuert werden kann zum Einschalten des steuerbaren Halbleitergleichrichters bzw. kleiner als Eins gesteuert werden kann zum Abschalten des steuerbaren Halbleitergleichrichters. In the case of at least one sub-transistor, the current amplification factor α must therefore be variable with the current so that the sum of the current amplification factors by a control current of the corresponding polarity and size greater than one can be controlled to turn on the controllable semiconductor rectifier or less than one can be controlled to turn off the controllable semiconductor rectifier.

Wie schon erläutert, kann eine große Abschaltverstärkung durch Begrenzung des Stromverstärkungsfaktors α _Pnp auf einen Maximalwert kleiner als Eins, beispielsweise 0,1 oder weniger, sowie durch Bemessung des zweiten Stromverstärkungsfaktors «npn nahe beim Wert Eins erzielt werden.As already explained, a large switch-off gain can be achieved by limiting the current gain factor α _P np to a maximum value less than one, for example 0.1 or less, and by dimensioning the second current gain factor «npn close to the value one.

Die beiden Stromverstärkungsfaktoren setzen, sich wie bekannt im wesentlichen aus den zwei Parametern Emitterwirkungsgrad γ und Transportfaktor T zusammen, also istAs is known, the two current amplification factors are essentially composed of the two parameters emitter efficiency γ and transport factor T , that is to say is

α = _γ· f. (7)α = _γ f. (7)

yhängt ab von der relativen Störstellenkonzentration der den Emitter-pn-Ubergang begrenzenden Zonen. Für nicht zu hohe oder zu niedrige Injektionsniveaus gilt y depends on the relative concentration of impurities the zones delimiting the emitter-pn junction. For injection levels that are not too high or too low, the following applies

Y = 7ΊΤ' ⁽⁸⁾ Y = 7ΊΤ ' ⁽⁸⁾

1 "I 1 "I.

worin L_E die Diffüsionslänge für die Minoritätsladungsträger auf der Emitterseite des pn-Ubergangs, W_B die Basisbreite, σ_Β .und a_E die Leitfähigkeiten der Basis- bzw. Emitterzone bezeichnen. Es kann an Stelle der Diffusionslänge L_E die Emitterbreite W_E gesetzt werden, da die Emitterbreite normalerweise kleiner als eine Diffusionslänge ist.where L _E denotes the diffusion length for the minority charge carriers on the emitter side of the pn junction, W _B denotes the base width, σ _Β and a _E denotes the conductivities of the base or emitter zone. The emitter width W _E can be used instead of the diffusion length L _E , since the emitter width is normally smaller than a diffusion length.

Ein Verfahren zur Begrenzung des Stromverstärkungsfaktors α pnp besteht nun darin, den Emitterwirkungsgrad γ₂ des pnp-Teiltransistors entsprechend klein zu halten [s. Gleichung (Tj]. Im Diagramm der F i g. 2 sind errechnete Werte des Abschalt-One method for limiting the current amplification factor α pnp is to keep the emitter efficiency γ _{2 of} the pnp sub-transistor correspondingly small [see Sect. Equation (Tj). In the diagram in FIG. 2, calculated values of the switch-off

über dem Verhältnis -r- des Anoden-over the ratio -r- of the anode-

¹H ¹ H.

Vermögens 6_A Property 6 _A

stromes und des Haltestromes für verschiedene Werte des Emitterwirkungsgrades γ₂ aufgetragen, wobei für a_npn der Wert 0,9 angenommen ist. Dann giltcurrent and the holding current are plotted for different values of the emitter efficiency γ ₂ , the value 0.9 being assumed for a _{np n.} Then applies

α pnp = 72 -exp (-/„//),α pnp = 72 -exp (- / "//),

worin mit /₀ die Anodenstromstärke beim Abschalten bezeichnet ist. Für einen aus der Bedingung a_npn + α pnp = 1 erhaltenen Haltestrom I_H gilt die Beziehung where / ₀ denotes the anode amperage when switching off. For a holding current I _H obtained from the condition a _npn + α pnp = 1, the relationship applies

I₁₁= * , (10) I ₁₁ = *, (10)

InIn

so daßso that

= y₂-^\-\n_T4^-lf\.= y ₂ - ^ \ - \ n _T 4 ^ -lf \.

L *■ — Onpn 1 JL * ■ - Onpn 1 J

(H)(H)

1 -1 -

^anpn ^a npn

Diese Beziehung ist zwar auf Grund einer Annahme hinsichtlich der Größe des Faktors α _pnp hergeleitet worden, sie enthält dennoch aber die als reell angesehene, ungefähr exponentiell Stromabhängigkeit des Stromverstärkungsfaktors a_pnp.This relationship has been derived _PNP While speculatively terms α the size of the factor, yet it contains but as a real respected, approximately exponential current dependence of the current amplification factor a _PNP.

Die Kurven in F i g. 2 zeigen, daß bei großen Werten des Emitterwirkungsgrades y₂ die Abschaltverstärkung niedrig ist. Ferner zeigt sich, daß die Abschaltverstärkung bei gegebenem Emitterwirkungsgrad abnimmt, wenn der Strom J zunimmt, um dann bei noch größeren Stromstärken unabhängig vom Emitterwirkungsgrad nahezu konstant zu werden.The curves in FIG. 2 show that with high values of the emitter efficiency y _2, the turn-off gain is low. Furthermore, it can be seen that the turn-off gain for a given emitter efficiency decreases when the current J increases, in order to then become almost constant, regardless of the emitter efficiency, at even higher currents.

Aus den Gleichungen (7) und (8) folgt, daß der Stromverstärkungsfaktor α direkt proportional dem Emitterwirkungsgrad γ ist und daß dieser selbst eine Funktion der Leitfähigkeiten a_B und a_E ist. Mit zunehmendem Verhältnis σ_Β/σ_Ε wird γ kleiner, dementsprechend wird das Abschaltvermögen größer. Bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter gemäß der Erfindung kann der Emitterwirkungsgrad γ₂ dadurch herabgesetzt werden und dabei gleichzeitig die Durchbruchspannung in der Durchlaßrichtung groß gemacht werden, daß in der Basiszone des betrachteten pnp-Teiltransistors die Leitfähigkeit a_B groß und in der Emitterzone die Leitfähigkeit σ_Ε klein gemacht wird. Eine Durchbruchspannung in der Durchlaßrichtung wird durch einen großen Widerstand der Basiszone des steuerbaren Halbleitergleichrichters erreicht.From equations (7) and (8) it follows that the current amplification factor α is directly proportional to the emitter efficiency γ and that this is itself a function of the conductivities a _B and a _E. As the ratio σ _Β / σ _{Ε increases} , γ becomes smaller, and the disconnection capacity increases accordingly. In a controllable semiconductor rectifier according to the invention, the emitter efficiency γ _{2 can} be reduced and at the same time the breakdown voltage in the forward direction can be made high that the conductivity a _{B is} high in the base zone of the pnp sub-transistor under consideration and the conductivity σ _{Ε is low in the emitter zone} is made. A breakdown voltage in the forward direction is achieved by a large resistance in the base zone of the controllable semiconductor rectifier.

Im folgenden wird nun auf die F i g. 3 und 4 Bezug genommen.The following is now to the F i g. 3 and 4 are referred to.

Die in den F i g. 3 und 4 dargestellten steuerbaren Halbleitergleichrichter sind mit 10. bezeichnet und mit drei Leitungsanschlüssen an der Anode 11, der Kathode 12 und der Steuerelektrode 13 versehen.The in the F i g. 3 and 4 shown controllable semiconductor rectifier are denoted by 10 and provided with three line connections on the anode 11, the cathode 12 and the control electrode 13.

Mit den Hauptelektroden, der Anode 11 und der Kathode 12, ist der steuerbare Gleichrichter in einen Anodenstromkreis, z. B. den Stromkreis mit einer Last geschaltet, in dem der Anodenstrom mit Hilfe des steuerbaren Halbleitergleichrichters gesteuert werden soll. Durch ein an die Steuerelektrode gelegtes Einschaltsignal wird der steuerbare Halbleitergleichrichter in den stromleitenden Zustand geschaltet, und durch ein an dieselbe Elektrode gelegtes Abschaltsignal wird der steuerbare Halbleitergleichrichter in den spannungssperrenden Zustand geschaltet. With the main electrodes, the anode 11 and the cathode 12, the controllable rectifier is in one Anode circuit, e.g. B. switched the circuit with a load, in which the anode current with the help of the controllable semiconductor rectifier is to be controlled. By a placed on the control electrode Switch-on signal, the controllable semiconductor rectifier is switched to the conductive state, and a switch-off signal applied to the same electrode turns the controllable semiconductor rectifier switched to the voltage-blocking state.

Der steuerbare Halbleitergleichrichter 10 besteht aus einer einkristallinen Halbleiterscheibe 14 mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, einer inneren p-leitenden Zone 15 und einer inneren η-leitenden Zone 16, die sich über die ganze Halbleiterscheibe 17 erstrecken und einen mittleren pn-übergang J_c bilden, einer äußeren, p-leitenden Zone 17, die in dem äußeren Teil der inneren n-leitenden Zone 16 ausgebildet ist und sich nicht über die ganze Halbleiterscheibe 14 erstreckt, und einer äußeren η-leitenden Zone 18, die in dem äußeren Teil der inneren p-leitenden Zone 15 ausgebildet ist und sich ebenfalls nicht über die ganze Halbleiterscheibe 14 erstreckt. Diese Außenzonen 17 und 18 beginnen am Scheibenrand und sind gegenseitig versetzt in der Halbleiterscheibe 14 angeordnet. Zwischen der äußeren η-leitenden Zone 18 und der innerenThe controllable semiconductor rectifier 10 consists of a monocrystalline semiconductor wafer 14 with four zones of alternately opposite conduction types, an inner p-conductive zone 15 and an inner η-conductive zone 16, which extend over the entire semiconductor wafer 17 and form a central pn junction J _c , an outer, p-conductive zone 17, which is formed in the outer part of the inner n-conductive zone 16 and does not extend over the entire semiconductor wafer 14, and an outer η-conductive zone 18, which is in the outer part of the inner p-conductive zone 15 is formed and likewise does not extend over the entire semiconductor wafer 14. These outer zones 17 and 18 begin at the edge of the wafer and are arranged offset from one another in the semiconductor wafer 14. Between the outer η-conductive zone 18 and the inner

209 542/317209 542/317

p-leitenden Zone 15 liegt ein äußerer Emitterübergang J_E1 und zwischen der äußeren p-leitenden Zone 17 und der inneren η-leitenden Zone 15 ein Emitterübergang J_E2. Die innere η-leitende Zone 16 besteht aus zwei Teilzonen 19 und 20, von denen die TeilzoneIn the p-conducting zone 15, there is an outer emitter junction J _E1 and between the outer p-conducting zone 17 and the inner η-conducting zone 15 there is an emitter junction J _E2 . The inner η-conductive zone 16 consists of two sub-zones 19 and 20, of which the sub-zone

19 relativ hochohmig η-leitend ist und an den mittleren pn-übergang J_c angrenzt und von denen die Teilzone19 is relatively high-resistance η-conductive and adjoins the middle pn junction J _c and of which the sub-zone

20 relativ niederohmig η-leitend, d. h. η⁺-leitend ist, und an den äußeren Emitter-pn-Ubergang J_E2 angrenzt. Der spezifische Widerstand der Teilzone 20 ist so bemessen, daß ein gewünschter Emitterwirkungsgrad y₂ bei dem pnp-Teiltransistor (17, 16, 15) des steuerbaren Halbleitergleichrichters 10, wie oben bereits beschrieben, erzielt wird.20 is relatively low-resistance η-conductive, ie η ⁺ -conductive, and is adjacent to the outer emitter-pn junction J _E2 . The specific resistance of the subzone 20 is dimensioned such that a desired emitter efficiency y _{2 is achieved} in the pnp subtransistor (17, 16, 15) of the controllable semiconductor rectifier 10, as already described above.

Die Grenze zwischen den zwei Teilzonen 19 und 20 der Zone 16 ist als eine Verbindungsfläche von Teilzonen gleichen Leitungstyps anzusehen und nicht als eine pn-Ubergangsfläche.The boundary between the two sub-zones 19 and 20 of zone 16 is considered to be a connecting surface of sub-zones the same line type and not as a pn junction area.

An der Halbleiterscheibe 14 sind ohmsche Kontakte 21, 22 und 23 angebracht, mittels derer der steuerbare Halbleitergleichrichter in einen Anodenstromkreis und einen Steuerstromkreis angeschlossen werden kann. Der ohmsche Kontakt 21 ist an der äußeren n-Zone 18 angebracht und bildet die Kathode des steuerbaren Halbleitergleichrichters. An der Gegenseite der Halbleiterscheibe. 14. ist ein ganzflächiger Kontakt 22 an der äußeren p-leitenden Zone 17 und der Teilzone 20 der inneren Zone 16, den pn-übergang zwischen diesen beiden Zonen 17 und 20 kurzschließend, angebracht und bildet die Anode des steuerbaren Halbleitergleichrichters. Ferner ist an der inneren p-leitenden Zone 15 ein ohmscher Kontakt 23 angebracht, welcher die Steuerelektrode des steuerbaren Halbleitergleichrichters 10 bildet. An den Kontakten 21, 22 und 23 sind Anschlüsse 11, 12 und 13 für die Verbindung mit dem Anoden- und dem Steuerstromkreis angebracht.On the semiconductor wafer 14 ohmic contacts 21, 22 and 23 are attached, by means of which the controllable semiconductor rectifier connected in an anode circuit and a control circuit can be. The ohmic contact 21 is attached to the outer n-zone 18 and forms the cathode of the controllable semiconductor rectifier. On the opposite side of the semiconductor wafer. 14. is a full area Contact 22 on the outer p-conductive zone 17 and the sub-zone 20 of the inner zone 16, the pn junction between these two zones 17 and 20 short-circuiting, attached and forms the anode of the controllable Semiconductor rectifier. Furthermore, an ohmic contact 23 is attached to the inner p-conductive zone 15, which forms the control electrode of the controllable semiconductor rectifier 10. At the contacts 21, 22 and 23 are terminals 11, 12 and 13 for connection to the anode and control circuit appropriate.

Zur Herstellung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters nach F i g. 3 wird beispielsweise von einer 150 μΐη starken η-leitenden Siliziumscheibe 14 mit einem spezifischen Widerstand von etwa 20 Ohm · cm (Störstellenkonzentration etwa 2,7 χ 10¹⁴ Atome pro Kubikzentimeter) ausgegangen. In die Siliziumscheibe 14 wird Gallium oder Bor bis zu einer Tiefe von 50 μΐη eindiffundiert, so daß sich beiderseits des η-leitenden Siliziums der Siliziumscheibe p-leitende Zonen mit einer Oberflächenkonzentration von etwa 10¹⁸ Atomen pro Kubikzentimeter bilden. Dadurch entstand auf der einen Seite der Siliziumscheibe eine p-Zone 15.. Die an der Gegenseite gebildete p-Zone wird mittels Läppens oder Ätzens vollständig entfernt, so daß eine Zwei-Zonen-Siliziumscheibe mit einem pn-übergang J_c übrigbleibt. Diese wird, wie an sich bekannt, mit einer Maskierschicht versehen und anschließend einer Phosphordiffusion bis zu einer Tiefe von etwa 25 μπι unterworfen, so daß eine äußere η-leitende Emitterzone 18 mit einem Emitterübergang J_El zur p-leitenden Zone 15 gebildet wird. Diese Diffusion gibt eine Oberflächenkonzentration von etwa 10²¹ Atomen pro Kubikzentimeter. Auf der Gegenseite an der η-leitenden Zone 16 wird eine Teilzone 20 mit einer Tiefe von etwa 25 μπι und mit einer Störstellenkonzentration von etwa 5 χ 10¹⁸ Atomen pro Kubikzentimeter gebildet, die beträchtlich höher ist als die Störstellenkonzentration in der Teilzone 19, so daß die Teilzone 20 einen entsprechend geringeren spezifischen Widerstand als die Teilzone 19 aufweist.For the production of a controllable semiconductor rectifier according to FIG. 3, for example, a 150 μm thick η-conductive silicon wafer 14 with a specific resistance of about 20 ohm cm (impurity concentration about 2.7 × 10 ¹⁴ atoms per cubic centimeter) is assumed. Gallium or boron is diffused into silicon wafer 14 to a depth of 50 μm, so that p-conductive zones with a surface concentration of about 10 ¹⁸ atoms per cubic centimeter are formed on both sides of the η-conductive silicon of the silicon wafer. This created a p-zone 15 on one side of the silicon wafer. The p-zone formed on the opposite side is completely removed by lapping or etching, so that a two-zone silicon wafer with a pn junction J _c remains. As is known per se, this is provided with a masking layer and then subjected to phosphorus diffusion to a depth of about 25 μm, so that an outer η-conductive emitter zone 18 with an emitter junction J _El to the p-conductive zone 15 is formed. This diffusion gives a surface concentration of about 10 ²¹ atoms per cubic centimeter. On the opposite side of the η-conductive zone 16, a sub-zone 20 is formed with a depth of about 25 μm and with an impurity concentration of about 5 10 ¹⁸ atoms per cubic centimeter, which is considerably higher than the impurity concentration in the sub-zone 19, so that the sub-zone 20 has a correspondingly lower specific resistance than the sub-zone 19.

Da ein gewünschter Emitterwirkungsgrad durch das Verhältnis der Leitfähigkeiten der η⁺-leitenden Teilzone 20 und einer daran angrenzenden p⁺-leitenden Emitterzone 17 einstellbar ist, wird diese äußere p-leitende Zone 17 vorzugsweise durch Epitaxie gebildet. Der in Fig. 3 dargestellte Zonenaufbau ergibt sich mittels Ätzens einer Aussparung in der η⁺-leitenden Teilzone 20 und mittels Epitaxie von p⁺-Leitung ergebendem Siliziummaterial, welches die Zone 17 bildet. Bei Einhaltung der vorerwähnten Konzentration und Abmessungen der Zonen soll in der Zone 17 die durchschnittliche Störstellenkonzentration etwa 5 χ 10¹⁷ Atome pro Kubikzentimeter betragen. Als brauchbar wird ein Verhältnis der Störstellenkonzentrationen in den Zonen 19 und 17 mit einem Verhältniswert größer als fünf angesehen.Since a desired emitter efficiency can be set by the ratio of the conductivities of the η ⁺ -conducting sub-zone 20 and an adjoining p ⁺ -conducting emitter zone 17, this outer p -conducting zone 17 is preferably formed by epitaxy. The zone structure shown in FIG. 3 results from the etching of a recess in the η ⁺ -conducting subzone 20 and from the epitaxy of p ⁺ -conductor silicon material which forms the zone 17. If the aforementioned concentration and dimensions of the zones are adhered to, the average concentration of impurities in zone 17 should be about 5 × 10 ¹⁷ atoms per cubic centimeter. A ratio of the impurity concentrations in zones 19 and 17 with a ratio value greater than five is considered to be useful.

Bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter mitWith a controllable semiconductor rectifier with

dem in . F i g. 3 dargestellten Zonenaufbau wird die Abschaltverstärkung durch eine geringe Bemessung des Stromverstärkungsfaktors a_pnp des pnp-Teiltransistors (15, 16, 17) und des Emitterwirkungsgrades γ₂ entsprechend groß eingestellt. Ein gering bemessener Emitterwirkungsgrad wird erreicht, indem die relativ niederohmige Teilzone 20 unmittelbar an die Emitterzone 17 angrenzend hergestellt wird, er kann weiter herabgesetzt werden durch einen die Zonen 17 und 20 kurzschließenden Kontakt 22. Die η⁺-leitende Teilzone 20 soll jedoch nicht entartet hoch dotiert sein, damit kein Tunnelübergang entsteht. Ferner wird, wie bereits erwähnt, eine in der Durchlaßrichtung des steuerbaren Halbleitergleichrichters große Durchschlagsspannung mit einer relativ hochohmigen n-leitenden inneren Teilzone 19 der Zone 16 erreicht.the in. F i g. 3, the switch-off gain is set correspondingly large by a small dimensioning of the current gain factor a _{pnp of} the pnp sub-transistor (15, 16, 17) and the emitter efficiency γ _2. A low emitter efficiency is achieved by producing the relatively low-resistance subzone 20 directly adjacent to the emitter zone 17; it can be further reduced by a contact 22 short-circuiting the zones 17 and 20. The η ⁺ -conducting subzone 20, however, should not be degenerately high be doped so that there is no tunnel transition. Furthermore, as already mentioned, a high breakdown voltage in the forward direction of the controllable semiconductor rectifier is achieved with a relatively high-resistance n-conductive inner sub-zone 19 of zone 16.

Bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter nach F i g. 4 ist an der Anodenseite der Emitter-pn-übergang nicht kurzgeschlossen. Dies ist meist auch nicht erforderlich oder erwünscht, da bei gleichzeitiger Verwendung eines kurzgeschlossenen Emitter-pn-Übergangs und einer Leitfähigkeitsbemessung wie oben beschrieben der Stromverstärkungsfaktor a_pnp des pnp-Teiltransistors zu klein werden kann, so daß dann der steuerbare Halbleitergleichrichter schwierig zu zünden und einzuschalten ist. Mit einem kurzgeschlossenen Emitter-pn-übergang kann aber andererseits der Haltestrom des steuerbaren Halbleitergleichrichters erhöht werden. Im übrigen unterscheidet sich ein steuerbarer Halbleitergleichrichter nach F i g. 4 in nichts mehr von einem steuerbaren Halbleitergleichrichter nach F i g. 3 und kann mithin auch die gleichen Dimensionierungen und Störstellenkonzentrationen aufweisen wie dieser.In the case of a controllable semiconductor rectifier according to FIG. 4, the emitter-pn junction is not short-circuited on the anode side. This is usually not necessary or desirable, since with the simultaneous use of a short-circuited emitter-pn junction and a conductivity measurement as described above, the current gain _factor a pn p of the pnp sub-transistor can become too small, so that the controllable semiconductor rectifier is then difficult to ignite and is to be switched on. With a short-circuited emitter-pn junction, on the other hand, the holding current of the controllable semiconductor rectifier can be increased. Otherwise, a controllable semiconductor rectifier differs according to FIG. 4 nothing more of a controllable semiconductor rectifier according to FIG. 3 and can therefore also have the same dimensions and impurity concentrations as this one.

Ferner kann ein steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einem an sich gleichen wie in den F i g. 3 und 4 gezeigten Zonenaufbau eine Zonenfolge aufweisen, bei der die Leitungstypen aller Zonen gerade umgekehrt wie in den F i g. 3 und 4 angegeben sind.Furthermore, a controllable semiconductor rectifier with an inherently similar to that shown in FIGS. 3 and 4 The zone structure shown have a zone sequence in which the conduction types of all zones are reversed as in Figs. 3 and 4 are indicated.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Controllable semiconductor rectifier with four zones of alternately opposite conduction types, one each. Main electrode on the two outer zones, a control electrode on the first inner zone and one of two sub-zones different conductivity existing second inner zone, thereby characterized in that the outer zone (17) adjoining the second inner zone (16) completely adjoins the sub-zone (20) with the greater conductivity.

2. Controllable semiconductor rectifier according to claim 1, characterized in that the on the outer zone (17) adjoining partial zone (20) of the second inner zone (16) partially to the Main electrode (22) adjoins this outer zone (17). ·