DE1539982C3

DE1539982C3 - Zweiweg-Halbleiterschalter

Info

Publication number: DE1539982C3
Application number: DE1539982A
Authority: DE
Inventors: Robert Irvin Skaneateles N.Y. Scace (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-02-04
Filing date: 1966-01-29
Publication date: 1980-01-24
Also published as: DE1539982B2; GB1101316A; US3350611A; DE1539982A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Zweiweg-Halbleiterschalter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Ein derartiger Zweiweg-Halbleiterschalter ist bereits bekannt (vgl. »Semiconductor Controlled Rectifiers« von Gentry, F. E., u. a., Verlag Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. j., 1964, S. 138 bis 148). Er kann auf vielen Gebieten angewendet werden. Er wird bekanntlich beispielsweise in Schaltungen als aktives Schaltungselement verwendet, indem man seine beiden Hauptelektroden in den zu steuernden Stromkreis einschaltet. Im ausgeschalteten Zustand wirkt er dann als hohe Impedanz und stellt, abgesehen von kleinen Kriechströmen, einen offenen Stromkreis dar. Im eingeschalteten Zustand dagegen wirkt er dann als <f geringe Impedanz und ist für den Strom nahezu ein Kurzschluß. Der Strom kann für eine an den Hauptelektroden liegende Spannung in einer oder auch in beiden Richtungen eingeschaltet werden. Das

so bedeutet, daß der Halbleiterschalter entweder in beiden Stromrichtungen als hohe Impedanz oder in der einen Richtung als hohe Impedanz und in der anderen Richtung als Kurzschluß oder auch in beiden Richtungen als Kurzschluß betrieben werden kann. Weiterhin kann die Zeitspanne, während der der Halbleiterschalter innerhalb einer Halbperiode leitend sein soll, variiert werden. In üblicher Weise wird der Halbleiterschalter dadurch leitend gemacht, daß eine Spannung angelegt wird, die über die Steuerelektrode einen Strom einführt oder herauszieht, der den Stromfluß durch den Halbleiterschalter erhöht. Dieser Vorgang wird als Durchschalt- oder Einschaltvorgang bezeichnet. Bei Zweiweg-Halbleiterschaltern genügt eine Steuerelektrode zum Einschalten des Halbleiterschalters bei beiden möglichen Stromrichtungen durch den Halbleiterschalter. Beim Einschalten des Stroms in einer Richtung findet eine andere Bewegung der Ladungsträger statt als beim Einschalten des Stroms in entgegenge-

setzter Richtung und es sind auch die Stromwege verschieden.

Wenn bei einem solchen Zweiweg-Halbleiterschalter die Emitterzone und die Steuerzone aus n-leitendem Halbleitermaterial bestehen und die neben der Steuerelektrode angebrachte Hauptelektrode positiv, die gegenüberliegende Hauptelektrode negativ und die Steuerelektrode beispielsweise ebenfalls positiv vorgespannt ist, dann ist bekanntlich der durch die Steuerzone gebildete PN-Übergang in Sperrichtung vorgespannt, so daß der durch die danebenliegende Emitterzone gebildete PN-Übergang leitend wird. Dementsprechend wird der Halbleiterschalter leitend. Andererseits wird dieser Halbleiterschalter dann, wenn die neben der Steuerelektrode liegende Hauptelektrode negativ und die gegenüberliegende Hauptelektrode positiv vorgespannt ist, beispielsweise bei einer negativen Vorspannung an der Steuerelektrode leitend, weil durch diese negative Vorspannung der durch die gegenüberliegende Emitterzone gebildete PN-Übergang leitend wird.

Das bedeutet, daß der Zweiweg-Halbleiterschalter für entgegengesetzte Stromrichtungen in verschiedener Weise durchgeschaltet wird. Aus diesem Grund ist es schwierig, die Durchschaltung mit einem gleich großen Steuerstrom und mit einer gleich großen Steuerspannung für beide Stromrichtungen einzuleiten. Gerade das ist aber in vielen Fällen sehr erwünscht.

Ein weiterer Nachteil nahezu aller bekannten Zweiweg-Halbleiterschalter ist die Tatsache, daß beim Vergrößern der Fläche des Halbleiterkörpers zur Steuerung höherer Ströme die Steuerelektrode immer weiter von denjenigen Teilen des Halbleiterkörpers entfernt wird, die von ihr gesteuert werden sollten. Die bekannten Probleme mit Querströmen und hohen Spannungsabfällen sind daher die Ursache großer Beschränkungen für den Aufbau und für die Anwendung von Zweiweg-Halbleiterschaltern.

Aus der Technik der gesteuerten Gleichrichter ist es durch die Gebrauchsmusterschrift 18 87 816 bekannt, daß man einen Kurzschluß zwischen dem Kathodenan-Schluß und der Steuerelektrode vermeiden soll, daß man aber eine Widerstandsverbindung zwischen den einander benachbarten N- und P-Teilen vorsehen kann, indem eine der normalerweise getrennten Plattierungen auf einer sehr begrenzten Strecke von dem einen zum anderen Teil übergeführt wird. Die Theorie dieser Maßnahmen konnte in der Gebrauchsmusterschrift selbst nicht vollständig erklärt werden. Es fehlt dort auch jeder Hinweis auf eine Anwendung auf Zweiweg-Halbleiterschalter, insbesondere auf das Problem der Steuerung in beiden Stromrichtungen. Wenn man diese bekannte Technik bei einem Zweiweg-Halbleiterschalter der eingangs erwähnten Art anwendet, indem man einen Teil der neben der Steuerelektrode liegenden Emitterelektrode über einen Oberflächenteil der angrenzenden Zone, der neben der Steuerelektrode liegt, hinwegragen läßt, ergeben sich für die Ansteuerung des Zweiweg-Halbleiterschalters bezüglich der Symmetrie der beiden Durchschaltrichtungen keine Vorteile.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Zweiweg-Halbleiterschalter zu schaffen, der bei geringen Querströmen und geringen Spannungsabfällen eine nahezu symmetrische Durchschaltung für die beiden möglichen Stromrichtungen gestattet Diese Aufgabe wird bei einem Zweiweg-Halbleiterschalter der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß derjenige Teil des Randes der Kontaktfläche der Steuerelektrode, der die Schnittlinie des PN-Übergangs zwischen der Steuerzone und der angrenzenden Zone mit der Oberseite des Halbleiterkörpers kreuzt, und derjenige Teil des ihm zugewandten Randes der Kontaktfläche der einen Hauptelektrode an der Oberseite, der die Schnittlinie des PN-Übergangs zwischen der Emitterzone und der angrenzenden Zone mit der Oberseite des Halbleiterkörpers kreuzt, mit überall gleichem Abstand aneinander angrenzen, so daß die Steuerzone und die Steuerelektrode in der Nähe der Hauptstromwege für beide Stromrichtungen liegen, und daß eine geradlinige Verlängerung mindestens eines Teils der Schnittlinie des PN-Übergangs zwischen der Emitterzone und der angrenzende Zone mit der Oberseite des Halbleiterkörpers, die beide von der Hauptelektrode an der Oberseite kontaktiert sind, die Kontaktfläche der Steuerelektrode kreuzt, und daß ein weiterer Teil der Schnittlinie des PN-Übergangs zwischen der Emitterzone und der angrenzenden Zone mit der Oberseite des Halbleiterkörpers zwischen den einander zugewandten Randteilen der Kontaktflächen der Hauptelektrode und der Steuerelektrode verläuft.

Bei dem Zweiweg-Halbleiterschalter nach der Erfindung sind also die Steuerzone und die Steuerelektrode nahe denjenigen Teilen des Halbleiterschalters angeordnet, in denen Ladungsträger, die das Leitendwerden des Halbleiterschalters einleiten, bewegt werden sollen. Die Steuerelektrode und die Steuerzone befinden sich also, durch die angegebene relative Lage der beiden Randteile der Kontaktflächen der Steuer- und der einen Hauptelektrode bedingt, in der Nähe des Bereiches, durch den der Hauptstrom des Halbleiterschalters fließt, d. h. in der Nähe der Hauptstromwege für beide Stromrichtungen. Damit werden die auf Grund von quer fließenden Steuerströmen und hohen Steuerspannungen sich ergebenden Schwierigkeiten auf ein Mindestmaß verringert. Die für das Leitendwerden in entgegengesetzten Richtungen notwendigen Steuerspannungen sind nahezu symmetrisch.

Ausführungsformen des Zweiweg-Halbleiterschalters nach der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 die Oberseite und zwei Seitenflächen eines Zweiweg-Halbleiterschalters nach der Erfindung in fluchtperspektivischer Darstellung,

F i g. 2 die Unterseite und die beiden anderen Seitenflächen des Zweiweg-Halbleiterschalters nach F i g. 1, ebenfalls in fluchtperspektivischer Darstellung,

Fig.3 den Zweiweg-Halbleiterschalter nach Fig. 1 in parallelperspektivischer, auseinandergezogener und geschnittener Darstellung und die Stromwege für eine Durchschaltungsart,

F i g. 4 den Zweiweg-Halbleiterschalter nach F i g. 1 in fluchtperspektivischer Darstellung nach einer Drehung um 90° um eine vertikale Achse und die Stromwege für eine andere Durchschaltungsart,

Fig.5 den Zweiweg-Halbleiterschalter nach Fig. 1 in fluchtperspektivischer, auseinandergezogener und geschnittener Darstellung und die Stromwege für eine dritte Durchschaltungsart und

F i g. 6 und 7 Draufsichten auf die Emitter und die Steuerzonen an der Oberseite zweier anderer Ausführungsformen eines Zweiweg-Halbleiterschalters nach der Erfindung.

Die F i g. 1 bis 5 und insbesondere die F i g. 1 und 2 zeigen einen Zweiweg-Halbleiterschalter, der drei Anschlüsse 1, 2 und 3 enthält. Die den Hauptstrom führenden Hauptanschlüsse 1 und 2 liegen dann im Hauptstromweg dieses Stromkreises, während der

Steueranschluß 3 mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die ein Einschaltsignal geeigneter Polarität liefert, wenn z. B. der zwischen den Hauptanschlüssen 1 und 2 liegende Hauptstromweg in einen hochleitenden Zustand gebracht werden soll. Der Halbleiterschalter kann mit einer positiven oder negativen Steuerspannung (Steuerstrom) gegenüber dem Hauptanschluß 1 durchgeschaltet werden. Wenn daher der untere Hauptanschluß 2 positiv oder negativ gegenüber dem oberen Hauptanschluß 1 ist, dann stellt entweder ein positiver oder ein negativer Steuerstrom den Zustand hoher Leitfähigkeit her.

Das Ausführungsbeispiel nach der F i g. 1 bis 5 weist einen fünfschichtigen Halbleiterkörper 10 mit einer inneren N-Basiszone 11 und zwei P-Zonen 12 und 13 auf deren gegenüberliegenden Seiten auf. Die beiden P-Zonen 12 und 13 erfüllen bei der Stromleitung in entgegengesetzte Richtungen durch den Halbleiterkörper 10 verschiedene Aufgaben. Wenn beispielsweise der Hauptanschluß 2 positiv bezüglich des Hauptanschlusses 1 ist, dann wirkt die P-Zone 12 als Emitterzone und der PN-Übergang J\ zwischen der P-Zone 12 und der inneren N-Zone 11 als ein Emitter-PN-Übergang. In diesem Fall stellt die P-Zone 13 eine Basiszone dar, die von der N-Basiszone 11 durch den PN-Übergang J₂ getrennt ist. Bei einer Vertauschung der Polaritäten zwischen den Hauptanschlüssen (Hauptanschluß 1 positiv gegen Hauptanschluß 2) ist die P-Zone 13 Emitterzone und die P-Zone 12 eine Basiszone.

Eine N-Zone 14 (Emitterzone) liegt neben einem Teil der P-Zone 13 bzw. grenzt an diesen Teil an und ist von ihm durch einen PN-Übergang J₃ getrennt. Die Emitterzone 14 ist, wie die Figuren zeigen, im wesentlichen rechteckig (von oben gesehen) und bildet die eine Ecke der Oberseite des Halbleiterkörpers 10. Sie ist mit anderen Worten derart in die nächste angrenzende Zone (P-Zone 13) eingelassen, daß von dieser nur ein im wesentlichen L-förmiger Teil an der Oberseite des Halbleiterkörpers _10 frei bleibt. Wenn der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 positiv ist, dann ist die N-Zone 14 eine Emitterzone und der angrenzende PN-Übergang Jz ein Emitter-PN-Übergang. Die N-Zone 14 bildet einen Teil des gesamten Hauptstromweges des Halbleiterschalters, doch ist sie bei einer Stromleitung in der entgegengesetzten Richtung nicht Teil des Hauptstromweges.

Um auch für einen Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung (Hauptanschluß 1 positiv bezüglich Hauptanschluß 2) eine der Emitterzone 14 entsprechende Emitterzone und einen entsprechenden Emitter-PN-Übergang herzustellen, ist eine N-Zone 15 (F i g. 2) vorgesehen, die an einen Teil der P-Zone 12 angrenzt und einen PN-Übergang /5 mit ihr ausbildet, und zwar bei dieser Polarität einen Emitter-PN-Übergang. Die Emitterzone 15 ist, wie am besten die F i g. 2 zeigt, wie der obere L-förmige Teil der P-Zone 13, der nicht von der Emitterzone 14 ausgefüllt ist, L-förmig. Sie ist außerdem, wie die F i g. 1 und 2 zeigen, derart in die Unterseite des Halbleiterkörpers 10 eingelassen, daß sie direkt unterhalb des entsprechenden L-förmigen Teils der P-Zone 13 liegt.

Die Hauptanschlüsse für einen Stromfluß durch den Halbleiterschalter sind mit den ohmschen Hauptelektroden 17 und 18 verbunden, die an der Oberseite und an der Unterseite des Halbleiterkörpers 10 angebracht sind. Die untere Hauptelektrode 17 ist rechteckig und berührt nahezu vollständig die Unterseite des Halbleiterkörpers 10, d. h. die Emitterzone 15 und den frei liegenden Teil der P-Zone 12. Sie schließt daher den Emitter-PN-Übergang Js kurz. Die obere Hauptelektrode 18 ist ebenfalls rechteckig und kontaktiert die Emitterzone 14 und den einen der direkt an die Emitterzone angrenzenden Abschnitte des L-förmigen Teils der P-Zone 13. Sie schließt daher einen Teil des Emitter-PN-Übergangs J₃, der die Oberseite des Halbleiterkörpers 10 schneidet, kurz und begrenzt denjenigen Teil der Oberseite, der als Hauptstrombereich bezeichnet werden kann.

Der bisher beschriebene Halbleiterkörper besteht im wesentlichen aus zwei parallelliegenden PNPN-Teilen mit entgegengesetzter Zonenfolge, so daß jedes PNPN-Teil als Vierzonendiode für die Stromleitung in einer der beiden Richtungen dient. Am deutlichsten wird dies aus den F i g. 2 und 5, wenn man nur den unterhalb der Hauptelektrode 18 liegenden Teil des Halbleiterkörpers H) betrachtet. In der F i g. 2 erscheinen diese beiden PNPN-Teile des Halbleiterkörpers K) vorn links, während sie in der F i g. 5 als für sich bestehende Teile (rechts im Bild) erscheinen. Die innere N-Zone 11 und die beiden angrenzenden P-Zonen 12 und 13 sind beiden Vierzonendioden gemeinsam. Die beiden Emitterzonen 14 und 15 bilden dagegen für die beiden parallelliegenden PNPN-Dioden jeweils die restliche N-Zone.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise des Halbleiterschalters denke man sich an den beiden Hauptanschlüssen 1 und 2 eine Wechselspannungsquelle. Für beide Halbperioden sei der Halbleiterschalter weiterhin im eingeschalteten Zustand. Wenn der Hauptanschluß 1 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 2 ist, dann wird in demjenigen Teil des Halbleiterkörpers 10 ein Strom geführt, der unterhalb der Kontaktfläche von Hauptelektrode 18 und P-Zone 13 liegt, d. h., bei dieser Polarität bildet dieser Teil den Hauptstromweg. Ist dagegen der Hauptanschluß 1 negativ gegenüber dem Hauptanschluß 2, dann ist die entgegengesetzt gepolte PNPN-Diode in entgegengesetzter Richtung leitend. In diesem Falle wird also der Hauptstromweg von demjenigen Teil des Halbleiterschalters _10 gebildet, der unterhalb der Kontaktfläche von Hauptelektrode 18 und Emitterzone 14 liegt. Bei einem Stromfluß in beiden Richtungen zwischen den Hauptanschlüssen 1 und 2 trägt also der gesamte zwischen den Hauptelektroden 17 und 18 liegende Teil des Halbleiterkörpers 10 zur Stromleitung bei.

Ein Übergang von einem nichtleitenden in einen leitenden Zustand kann dadurch bewirkt werden, daß man die Durchbruchsspannung des entsprechenden

sperrenden PN-Übergangs überschreitet, indem man die angelegte Spannung oder die Temperatur schnell vergrößert oder ihn einem sehr intensiven Licht aussetzt. Es sei beispielsweise der Hauptanschluß 2 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 1, d. h. J₂ sei der

sperrende PN-Übergang. Beim Überschreiten der Durchbruchsspannung von J₂ bewirkt eine lawinenartige Verstärkung einen Anstieg des Stroms durch den Halbleiterschalter. Löcher, die aus dem vorwärts gespannten PN-Übergang J\ emittiert werden, diffundieren durch die N-Zone 11 hindurch, werden bei J₂ gesammelt und fließen von dort quer zur Hauptelektrode 18. Wenn dieser in Querrichtung vorspannende Strom in der P-Zone 13 genügend groß wird, um dort einen Spannungsabfall von einigen Zehntel Volt zu bewirken, dann beginnt die N-Zone 11 in die P-Zone 13 zu injizieren, so daß derjenige Teil des Halbleiterschalters, der die Emitterzone 14, die P-Zone 13, die N-Zone 11 und die P-Zone 12 enthält, in den leitenden Zustand

übergeht. Dieser Vorgang ist für Zweiweg-Halbleiterschalter charakteristisch, d. h. immer dann, wenn die Durchbruchsspannung eines sperrenden PN-Übergangs überschritten wird (z.B. von durchlaufenden Spannungsstößen), wird er für jede der beiden Polaritäten einfach in . den leitenden Zustand geschaltet. Ein Durchschalten mit Hilfe von auttreffendem Licht, durch Erhöhung der Temperatur oder der Spannung hat eine ähnliche Wirkung. Wenn der Strom durch den Halbleiterkörper 10 ansteigt, dann bildet der Querstrom eine genügend hohe Spannung an dem kurzgeschlossenen Emitter-PN-Übergang aus, so daß eine Ladungsträgerinjektion und ein anschließendes Durchschalten die Folge ist. Beim Durchschalten mit hohen Temperaturen oder mit hohen Lichtintensitäten wird der erhöhte Strom von Löcher-Elektronen-Paaren bewirkt, die in den Basiszonen entstehen. Beim Durchschalten durch Erhöhung der Spannung dagegen ist der Steuerstrom eine Folge von Ladungsverschiebungen aus der Verarmungszone, wenn sich am sperrenden PN-Übergang eine Spannung ausbildet, die ein Ansteigen der Stromdichte und damit ein Durchschalten des Halbleiterschalters bewirkt.

Damit auch mittels einer Steuerelektrode durchgeschaltet werden kann, ist eine N-leitende Steuerzone 19 vorgesehen, die in der P-Zone 13 eingelassen ist und in der Nähe der Emitterzone 14 und des von der Hauptelektrode 18 bedeckten Teils der Zone 13 liegt. Ein Steuer-PN-Übergang zwischen der N-leitenden Steuerzone 19 und der angrenzenden P-Zone ist imt Ja bezeichnet. Auf der Steuerzone 19 ist eine ohmsche Steuerelektrode 20 befestigt, die mit einem Steueranschluß 3 verbunden ist. Die Steuerelektrode 20 berührt sowohl den Steuer-PN-übergang /4 als auch die angrenzende P-Zone 13, damit, wie im folgenden erläutert wird, zusätzliche Steuerungsmöglichkeiten vorhanden sind. Es ist aber wichtig, daß eine Verlängerung der Schnittlinie zwischen der Oberseite des Halbleiterkörpers 10 und dem kurzgeschlossenen Teil des PN-Übergangs /3 über denjenigen Teil der angrenzenden P-Zone 13 verläuft, in welchem die Steuerzone 19 und die Steuerelektrode 20 gelegen sind. Die Bedeutung hiervon liegt darin, daß die Steuerzone 19 auf diese Weise für beide Stromrichtungen näher an den Hauptstromwegen liegt, als dies bei den meisten bekannten Halbleiterschaltern der Fall ist. Bei diesen bekannten Halbleiterschaltern ist die Steuerzone beispielsweise derart angebracht, daß der Hauptstromweg für die eine Stromleitungsrichtung zwischen der Steuerzone und dem Hauptstromweg für die entgegengesetzte Stromrichtung angeordnet ist.

Das Anlegen kleiner Steuerspannungen beliebiger Polarität bezüglich der Hauptelektrode 18 bewirkt einen Löcherstrom zwischen demjenigen Teil der Steuerelektrode 20 und demjenigen Teil der Hauptelektrode 18, die beide mit der P-Zone 13 in ohmschem Kontakt stehen. Nur ein dünner Streifen der P-Zone 13 trennt die Steuerzone 19 von der Emitterzone 14. Ein Teil des Stroms fließt auch in diejenigen Teile der P-Zone 13, die unterhalb der Emitterzone 14 und der Steuerzone 19 liegen. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen beträgt z. B. der Widerstand zwischen der Hauptelektrode 18 und der Steuerelektrode 20 100 bis 200 Ohm, d. h., ein Strom von 5 mA durch diesen Teil hebt die Spannung zwischen der Hauptelektrode 18 und der Steuerelektrode 20 auf mehr als 0,5 Volt. Wenn der Steueranschluß 3 negativ bezüglich des Hauptanschlusses 1 ist, dann werden aus dem Steuer-PN-Übergang /4 Elektronen längs des Randes der Hauptelektrode 18 neben der Steuerzone 19 und der P-Zone 13 injiziert. Wenn der Steueranschluß 3 positiv ist, dann ist der Steuer-PN-Übergang /₄ in Sperrichtung vorgespannt und die Elektroneninjektion geht vom Emitter-PN-Übergang/3 nahe der Steuerzone 19 aus.

An Hand der F i g. 1 bis 5 werden die verschiedenen Durchschaltungsarten erklärt Wenn beispielsweise der Hauptanschluß 2 bezüglich des Hauptanschlusses 1 positiv und der Steueranschluß 3 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 1 ist, dann ist der Durchschaltvorgang genauso wie bei einem Thyristor. Da der PN-Übergang /5 ein wenig in Sperrichtung vorgespannt ist, spielt er in diesem Fall keine besondere Rolle.

Ist der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 positiv, der Steueranschluß 3 dagegen gegenüber dem Hauptanschluß 1 negativ, dann ist der Steuer-PN-Übergang /4 vorwärts vorgespannt. Infolgedessen werden aus der Steuerzone 19 Elektronen in die angrenzende P-Zone 13 injiziert. Der Durchschaltvorgang kann am besten an Hand der Fig.3 erklärt werden. Elektronen, die aus der Steuerzone 19 emittiert werden, erniedrigen das Potential der inneren-N-Zone

11 bezüglich der P-Zone 12 und spannen daher den PN-Übergang J\ in Vorwärtsrichtung mehr vor. Der

PN-Übergang /5 zwischen der P-Zone 12 und der Emitterzone 15 zwingt jedoch die durch den PN-Übergang J] unterhalb der Steuerzone 19 (durchgezogene Pfeile in Fig.3) fließenden Löcher, seitlich zwischen den PN-Übergängen J₁ und /5 in der zwischen der Emitterzone 15 und der N-Zone 11 liegenden P-Zonen

12 weiterzufließen. Der entstehende Spannungsabfall erzeugt eine Löcherinjektion aus der P-Zone 12 in die N-Zone 11 unterhalb der Emitterzone 14. Dieser Durchschaltvorgang ist von nun an von dem Verhältnis der Widerstände der N-Zone 11 von der P-Zone 12 abhängig. In jedem Fall wird jedoch der im rechten Teil der F i g. 3 liegende Teil des Halbleiterschalters, der die Emitterzone 14, die P-Zone 13, die N-Zone 11 und die P-Zone 12 enthält, in den leitenden Zustand durchgeschaltet. Denn zwischen den PN-Übergängen J\ und /5 können in Querrichtung Löcher fließen und den aus P-Zone 12, N-Zone 11, P-Zone 13 und Steuerzone 19 gebildeten Teil leitend machen. Beim Anwachsen dieses Stroms werden dann noch mehr Löcher aus der P-Zone

13 in die N-Zone 11 injiziert, was ein Durchschalten des rechten Teils des Halbleiterschalters zur Folge hat. Aber auch ein anderer Durchschaltvorgang ist möglich, wenn nämlich der PNPN-Teil im rechten Teil der F i g. 3 vor

so dem links liegenden, die Steuerzone 19 enthaltenden Abschnitt durchgeschaltet wird. In beiden Fällen wird jedoch der rechts in der Fig.3 liegende PNPN-Teil leitend.

Wenn der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 negativ und der Steueranschluß 3 gegenüber dem Hauptanschluß 1 ebenfalls negativ ist, dann ist der Steuer-PN-Übergang /4 in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Zur Erklärung wird in diesem Fall die Fig.4 herangezogen. Wie immer ist hier der Elektronenstrom durch einen gestrichelten und der Löcherstrom durch einen durchgezogenen Pfeil dargestellt Da der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 negativ ist, bewirken die Elektronen, die vom PN-Übergang /2 zwischen der P-Zone 13 und der N-Zone 11 eingesammelt werden, daß die N-Zone 11 noch negativer wird. Die Folge davon ist eine Injektion von Löchern aus der P-Zone 13 über den PN-Übergang /2 in die N-Zone 11. Wenn die N-Zone 11 ein genügendes

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Potential erreicht hat, dann wird der aus P-Zone 13, N-Zone 11, P-Zone 12 und N-Zone 15 gebildete Teil des Halbleiterkörpers VO in den leitenden Zustand übergehen.

Eine weitere Einschaltungsart, die an Hand der F i g. 5 beschrieben wird, ergibt sich, wenn der Hauptanschluß 1 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 2 und der Steueranschluß 3 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 1 ist. In diesem Fall ist der Steuer-PN-Übergang /» in Sperrichtung vorgespannt und daher unwirksam. Da aber der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 negativ ist, werden aus der Emitterzone 14 durch den Emitter-PN-Übergang J₃ Elektronen in die P-Zone 13 injiziert. Diese werden am nächsten PN-Übergang/₂ gesammelt. Dadurch wird das Potential der N-Zone 11 gegenüber dem der P-Zone 13 verringert, so daß der PN-Übergang /2 mehr in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird. Im rechten Abschnitt der Figur werden Löcher injiziert (durchgezogene Pfeile), die auf den PN-Übergang J₁ zwischen der N-Zone 11 und der P-Zone 12 hin diffundieren. Sie werden durch einen Löcherstrom in der P-Zone 13 längs eines Weges zugeführt, der beim Hauptanschluß 1 nahe der linken Seite der Emitterzone 14 beginnt und dann zwischen den PN-Übergängen /2 und J₃ in der P-Zone 13 nach rechts verläuft, bis die Stelle der Löcherinjektion erreicht ist. Dieser Löcherstrom erzeugt längs dieses Wegs einen Spannungsabfall, der den PN-Übergang J₂ zusätzlich vorwärts vorspannt und bewirkt, daß die Stelle der Löcherinjektion von der äußersten rechten Seite des Halbleiterkörpers iO in die Nähe der äußersten linken Seite der Emitterzone 14 verschoben wird. Da die Stromdichte wächst, diffundieren diese Löcher durch die N-Zone 11 hindurch und werden durch den PN-Übergang J\ gegenüber der Stelle der Injektion gesammelt. Nach der Sammlung bei dem PN-Übergang Jx fließen die Löcher seitlich in die P-Zone 12 und verursachen einen seitlichen Spannungsabfall in dieser Zone zwischen den PN-Übergängen J\ und Js- Erreicht der Spannungsabfall einige Zehntel Volt, dann werden durch die N-Zone 15 Elektronen injiziert und derjenige Teil des Halbleiterkörpers H), der die P-Zone 13, die N-Zone 11, die P-Zone 12 und die Emitterzone 15 enthält, wird in den leitenden Zustand überführt.

Bei allen Durchschaltarten findet auf Grund der erfindungsgemäßen Anordnung der Steuerzone 19 für beide Stromrichtungen ein möglichst rascher Stromaustausch mit dem Hauptstromweg statt.

Außer dem oben beschriebenen sind noch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich. Die F i g. 6 zeigt beispielsweise einen im wesentlichen rechteckigen Halbleiterkörper 25 mit einer kammartigen Emitter-Hauptelektrode, die ebenfalls in beide Richtungen leitend gemacht werden kann. Wie das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 5 enthält der Halbleiterkörper nach der F i g. 6 eine mittlere Zone (nicht gezeigt), die an den beiden entgegengesetzten Seiten mit zwei untereinander gleich, gegenüber dieser mittleren Zone aber entgegengesetzt dotierten äußeren Zonen verbunden ist (nur eine äußere Zone 28 ist gezeigt). Die Emitterzonen sind in die äußeren Zonen eingelassen, wobei nur eine Emitterzone 29 sichtbar ist. Wie auch bei dem vorigen Ausführungsbeispiel besitzt die auf der entgegengesetzten Seite liegende Emitterzone die gleiche Form wie die an der Oberseite des Halbleiterkörpers, wenn man den von der oberen Emitterzone (hier 29) bedeckten Teil des Halbleiterkörpers nicht mitzählt. Aus diesem Grunde ist hier nur eine Draufsicht gezeigt.

Beim Halbleiterschalter nach der F i g. 6 ist eine Steuerzone 26 im wesentlichen rechteckig ausgebildet und längs der einen Kante des rechteckigen Halbleiterkörpers 25 in diesen eingelassen, während eine Steuerelektrode 27 die in der F i g. 6 angegebene Lage einnimmt. Sie ragt über die Steuerzone 26 hinaus und kontaktiert auch die Oberfläche der angrenzenden Zone 28, in die die Steuerzone 26 eingelassen ist. Die Emitterzone 29, die den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Steuerzone 26 und den entgegengesetzten wie die angrenzende Zone 28 aufweist, ist in der angrenzenden Zone 28 eingelassen. Sie ist kammförmig ausgebildet und besitzt streifenförmige Teile 30, die auf die Steuerzone 26 zu gerichtet sind und einen derartigen Abstand aufweisen, daß sich zwischen den benachbarten Teilen der Steuerzone 26 und der Emitterzone 29 ein Stück der angrenzenden Zone 28 befindet. Die Emitterzone 29 ist von der Hauptelektrode 31 kontaktiert. Diese Hauptelektrode 31 kontaktiert außer der Emitterzone 29 auch einen Teil der angrenzenden Zone 28, damit ein kurzgeschlossener Emitter-PN-Übergang entsteht. Wie auch in dem vorigen Ausführungsbeispiel sind die Emitterzone 29 und die angrenzende Zone 28 Hauptstromwege für einen Stromfluß in entgegengesetzte Richtungen durch den Halbleiterkörper 25. Außerdem sind die Steuerzone und die Steuerelektrode, wie im Anspruch 1 angegeben, in der Nähe beider Hauptstromwege angeordnet.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Zweiweg-Halbleiterschalters nach der Erfindung mit einer ähnlichen kammartigen Emitterzonenform zeigt die F i g. 7. Auch hier ist nur eine Draufsicht gezeigt, da die Erfindung die Lage der Steuerzone und der Steuerelektrode im Halbleiterkörper bezüglich den beiden Hauptstromwegen betrifft und die anderen Zonen wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen angeordnet sind. Nach der F i g. 7 ist der Halbleiterkörper 35 rund, und eine Emitterzone 36, die wieder im wesentlichen kammförmig und außerdem an einer Seite und an ihrem Kammrücken dem runden Halbleiterkörper 35 angepaßt ist, ist in eine angrenzende Zone 37 eingelassen. Sie besitzt daher einen Kammrückenteil 38, der relativ schmal und dabei bogenförmig ist, der innen an der angrenzenden Zone 37 anliegt. Außerdem hat sie streifenförmige Teile 39, die längs der Oberseite des Halbleiterkörpers 35 in Richtung auf eine Steuerzone 40 abstehen, die hier die Form eines Kreisabschnittes aufweist (ein Abschnitt desjenigen Kreises, der den äußeren Rand der kammförmigen Emitterzone 36 begrenzt). Eine Steuerelektrode 41 kontaktiert die Steuerzone 40 und außerdem einen Teil der angrenzenden Zone 37. Der Kontakt liegt am äußeren Rand des Halbleiterkörpers 35. Weiterhin ist auf der Oberseite

5f> des Halbleiterkörpers 35 eine Hauptelektrode 42 befestigt, die einen größeren Teil der Emitterzone 36 und mindestens die zwischen ihren streifenförmigen Teilen 39 liegenden Abschnitte der angrenzenden Zone 37 kontaktiert. Wie es die F i g. 7 zeigt, bildet die

fco Hauptelektrode 42 den Abschnitt eines Kreises, dessen Durchmesser kleiner als der des die Emitterzone 36 begrenzenden Kreises ist. Die Hauptelektrode 42 kann aber so groß sein, daß sie auch denjenigen Teil der angrenzenden Zone 37 berührt, der zwischen dem

t>5 kreisförmigen Rand der Emitterzone 36 und dem kreisförmigen Rand des Halbleiterkörpers 35 liegt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zweiweg-Halbleiterschalter mit einem Halbleiterkörper mit mindestens fünf schichtförmig aufeinanderfolgenden, PN-Übergänge bildenden Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, von denen die beiden äußeren, die die Emitterzonen bilden, derart in einen Teil der an sie angrenzenden Zonen eingelassen sind, daß sie einen Teil der Ober- bzw. der Unterseite des Halbleiterkörpers bilden, mit je einer Hauptelektrode an der Ober- und Unterseite des Halbleiterkörpers, die mindestens einen Teil der Emitterzone und der an sie angrenzenden Zone ohmisch kontaktiert, mit einer im Abstand von der Emitterzone an der Oberseite in die an sie angrenzende Zone eingelassenen Steuerzone, die ebenfalls einen Teil der Oberseite bildet und den gleichen Leitungstyp wie die danebenliegende Emitterzone aufweist, und mit einer die Steuerzone und einen Teil der an die Emitterzone angrenzenden Zone an der Oberseite des Halbleiterkörpers ohmisch kontaktierenden Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß derjenige Teil des Randes der Kontaktfläche der Steuerelektrode (20), der die Schnittlinie des PN-Übergangs zwischen der Steuerzone (19) und der angrenzenden Zone (13) mit der Oberseite des Halbleiterkörpers kreuzt, und derjenige Teil des ihm zugewandten Randes der Kontaktfläche der einen Hauptelektrode (18) an der Oberseite, der die Schnittlinie des PN-Übergangs zwischen der Emitterzone (14) und der angrenzenden Zone (13) mit der Oberseite des Halbleiterkörpers kreuzt, mit überall gleichem Abstand aneinander angrenzen, so daß die Steuerzone (19) und die Steuerelektrode (20) in der Nähe der Hauptstromwege für beide Stromrichtungen liegen, und daß eine geradlinige Verlängerung mindestens eines Teils der Schnittlinie des PN-Übergangs (73) zwischen der Emitterzone (14) und der angrenzenden Zone (13) mit der Oberseite des Halbleiterkörpers, die beide von der Hauptelektrode (18) an der Oberseite kontaktiert sind, die Kontaktfläche der Steuerelektrode (20) kreuzt, und daß ein weiterer Teil der Schnittlinie des PN-Übergangs (J3) zwischen der Emitterzone (14) und der angrenzenden Zone (13) mit der Oberseite des Halbleiterkörpers zwischen den einander zugewandten Randteilen der Kontaktflächen der Hauptelektrode (18) und der Steuerelektrode (20) verläuft.

2. Zweiweg-Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von den schichtförmig aufeinanderfolgenden, PN-Übergänge bildenden Zonen (15, 12, 11, 13, 14) abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps die an der Unterseite eingelassene Emitterzone (15) die gleiche Gestalt hat, wie der Teil der an die Emitterzone (14) an der Oberseite angrenzenden Zone (13), der einen Teil der Oberseite bildet.

3. Zweiweg-Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Oberseite eingelassene Emitterzone (14) rechteckförmig und dabei so bemessen und angeordnet ist, daß der Teil der an die Emitterzone angrenzenden Zone (13), der einen Teil der Oberseite bildet, L-förmig ist, daß die Hauptelektrode (18) an der Oberseite ebenfalls rechteckförmig ist und sich über einen Arm des L-förmigen Teils der an die

Emitterzone (14) angrenzenden Zone (13) erstreckt und daß eine im wesentlichen rechteckförmige Steuerzone (19) in dem anderen Arm des L-förmigen Teils der an die Emitterzone angrenzenden Zone (13) eingelassen ist.

4. Zweiweg-Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnittlinie des PN-Übergangs zwjschen der Emitterzone (29,36) an der Oberseite undde? an sie angrenzenden Zone (28, 37) auf der Oberseite eine kammartige Form hat, die durch einen Kammrückenteil (38) der Emitterzone (29,36) längs der einen Kante des Halbleiterkörpers (25,35) und mindestens zwei voneinander Abstände aufweisende streifenförmige Teile (30, 39) entsteht, die vom Kammrückenteil (38) abstehen und zwischen sich jeweils einen Teil der an die Emitterzone angrenzenden Zone (28, 37) an der Oberseite treten lassen, und daß ferner die Hauptelektrode (31, 42) an der Oberseite die Emitterzone (29, 36) und Teile der an sie angrenzenden Zone zwischen den streifenförmigen Teilen (30,39) der Emitterzone (29,36) kontaktiert.