DE1614844C3

DE1614844C3 - Bistabile, durch Impulse steuerbare Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE1614844C3
Application number: DE1614844A
Authority: DE
Inventors: Stanislas Paris Teszner
Original assignee: Constructions Electromecaniques Jeumont Schneider Ste; TESZNER STANISLAS
Current assignee: Constructions Electromecaniques Jeumont Schneider Ste; TESZNER STANISLAS
Priority date: 1966-07-22
Filing date: 1967-07-21
Publication date: 1978-09-14
Also published as: DE1614844B2; DE1614844A1; BE701300A; GB1198132A; NL160681C; NL6709879A; US3465216A; NL160681B; FR1497548A

Description

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Die Erfindung betrifft eine bistabile, durch Impulse, steuerbare Halbleitervorrichtung zum Ein- und Ausschalten eines Stromes, mit einem Halbleiterkörper aus wenigstens vier Halbleiterschichten abwechselnden Leitungstyps, mit Stromzuführungselektroden an den Endschichten und mit wenigstens einer Steuerelektrode an einer der Zwischenschichten.

Aus der FR-PS 14 15 025 ist eine nach Art eines Thyristors aufgebaute Halbleitervorrichtung zum Ein- und Ausschalten von Strömen bekannt. Eine solche Halbleitervorrichtung besitzt zwei stabile Zustände, nämlich den leitenden Zustand und den Sperrzustand, und kann durch einen kurzen Impuls verhältnismäßig sehr geringer Leistung aus dem Sperrzustand in den leitenden Zustand gekippt werden. Der umgekehrte Übergang aus dem leitenden Zustand in den Sperrzustand bietet dagegen erheblich größere Schwierigkeiten. Bisher hat sie industriell nur für geringe Leistungen ausgeführt werden können, nämlich für Ströme in der Größenordnung von einigen Ampere unter Spannungen in der Größenordnung von etwa hundert Volt, und zwar nur in der Ausführung als Gleichrichter und unter Inkaufnahme einer beträchtlichen Verschlechterung der Kenngrößen in leitendem Zustand, und zwar trotz einer beträchtlichen Erhöhung der Dauer und der Leistung des Steuerimpulses.

Bei der Unterbrechung von einigermaßen hohen Strömen nimmt die zulässige wiederkehrende Spannung schnell ab. Umgekehrt wird für höhere wiederkehrende Spannungen der unterbrechbare Strom schnell gering.

Die Hauptursache für dieses unbefriedigende Verhalten scheint die Tatsache zu sein, daß man sich bisher damit begnügt hat, zur Sperrung des Stromes die Aussendung von Ladungsträgern durch die hauptsächliche aussendende Grenzfläche zu unterdrücken, ohne sich um die Regenerierung der Räume zu kümmern, weiche die wiederkehrende Spannung aushalten müssen. Dies hat zur Folge, daß die Vorrichtung eine ungenügende Spannungsfestigkeit hat. Dies liefert eine gültige Erklärung für den Abfall der Leistungen bei einer Erhöhung der Amplitude und der Wiederkehrgeschwindigkeit der Spannung an den Klemmen im Sperrzustand.

Ein weiterer Grund ist die Tatsache, daß der Aufbau der Thyristoren, insbesondere ihrer den Impuls empfangenden Schichten, nicht genügend verteilt ist. Der Querwiderstand der Schicht erzeugt daher bei dem Durchgang des Impulsstromes einen Spannungsabfall in der Querrichtung, d. h. ein elektrisches Feld, welches sich dem Eindringen des Stromes widersetzt und seine gleichmäßige Verteilung verhindert. Hieraus ergibt sich, daß die Speisung der Basiselektrode schlecht verteilt ist, und dieser Fehler verstärkt sich natürlich mit der einer Erhöhung des Nennstromes entsprechenden Vergrößerung der Querabmessungen. Dies erklärt die Schwierigkeit, auf welche man trifft, wenn durch das obige Verfahren einigermaßen erhebliche Ströme unterbrochen werden sollen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei bekannten bistabilen Halbleitervorrichtungen, die zum Ein- und Ausschalten von Strömen dienen und im wesentlichen nach Art eines Thyristors aufgebaut sind, die beim Ausschalten auftretenden Schwierigkeiten zu beseitigen.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art, dadurch gelöst, daß die mit der Steuerelektrode versehene Zwischenschicht ein mit einer weiteren Steuerelektrode versehenes Gitter aus einem Halbleitermaterial, dessen Leitungstyp dem der Zwischenschicht entgegengesetzt ist, enthält.

Die Lösung der de Erfindung zugrunde liegenden

Aufgabe besteht, vereinfacht gesagt, darin, daß der Feldeffekt zum Sperren des Stromes herangezogen wird, indem aus Elementen eines bekannten Thyristors (FR-PS 14 15 025) und aus Elementen eines bekannten Gridistors (US-PS 32 27 896 und FR-PS 14 26 254) eine neue Halbleitervorrichtung geschaffen wird. Der bekannte bipolare Gridistor (US-PS 32 27896) und eine aus dessen Aufbau abgeleitete bivalente Triode (FR-PS 14 26 254) liefern die vorstehend angegebene Lösung für die geschilderten Schwierigkeiten einerseits durch einen vollständig gleichmäßig verteilten Aufbau und andererseits durch den Mechanismus der Sperrung des Stroms, welcher nacheinander das Herausziehen der Minoritätsladungsträger und die Abstoßung der Majoritätsladungsträger durch die Ausbildung der von der Wirkung des elektrischen Feldes herrührenden Raumladungen benutzt.

Weiterbildungen der Erfindung bilden den Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme'20 auf die Zeichnungen beispielshalber erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis 3 übliche Thyristoren zur Erläuterung ihrer Eigenschaften,

F i g. 4 und 5 im Schnitt bzw. in Draufsicht einen bekannten bipolaren Leistungsgridistor,

F i g. 6 im Schnitt eine erste Ausführungsform der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 7 im Schnitt eine zweite Ausführungsform der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung,

Fi g. 8 eine Steuerschaltung für die Halbleitervorrichtung von F i g. 7,

F i g. 9 im Schnitt eine bekannte bivalente Triode,

Fig. 10 im Schnitt eine dritte Ausführungsform der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung,

F i g. 11 im Schnitt eine vierte Ausführungsform der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 12 und 13 Steuerschaltungen für die Halbleitervorrichtung von F i g. 11,

F i g. 14 im Schnitt einen industriell herstellbaren Aufbau der Halbleitervorrichtung von F i g. 6 und

Fig. 15 im Schnitt einen industriell herstellbaren Aufbau der Halbleitervorrichtung von F i g. 10.

Die F i g. 1 und 2 geben den grundsätzlichen Aufbau eines nur in einer Richtung leitfähigen Thyristors und seine übliche Zerlegung in zwei komplementäre Transistoren (NPN und PNP), welche miteinander verschachtelt sind und sich gegenseitig speisen, wieder. So bedeuten schematisch 1 die Kathode, 2 die Anode, 3 die Steuerelektrode des Thyristors, 4 die Emitterschicht, welche dem NPN-Transistor entspricht, 5 die erste Basiselektrode des Thyristors, welche der Basiselektrode des NPN-Transistors und dem Kollektor des PNP-Transistor entspricht, 6 die zweite Basiselektrode des Thyristors, welche dem Kollektor des NRN-Transistors N-P-N und der Basiselektrode des PNP-Transistors entspricht, und schließlich 7 die Anodenschicht des Transistors, welche der Emitterschicht des PNP-Transistors entspricht.

Die Grenzfläche 4-5 ist bekanntlich in der Durchlaßrichtung polarisiert, wobei die Polaritäten der Spannung in F i g. 1 dargestellt sind (Vorwärtsspannung). Es findet also eine Aussendung von Ladungsträgern statt, welche immer merklicher wird, sobald eine gewisse Spannungsschwelle (in der Größenordnung von 0,5 V bei Silizium) überschritten wird. Die Grenzfläche 6-7 ist ebenfalls in der Durchlaßrichtung polarisiert. Nur die Grenzfläche 5-6 ist in der Sperrichtung polarisiert, und sie ist es, welche die Sperrung bewirkt.

In gesperrtem Zustand ist der Reststrom etwa umgekehrt proportional zu

b = [1 -(oc[+<x₂)l

worin /x\ bzw. tx₂ die statischen Stromverstärkungsfaktoren (Verhältnis zwischen dem Kollektorstrom und dem Emitterstrom) der komplementären Transistoren sind. Diese Faktoren <xi und oci sind bekanntlich eine Funktion der diese Transistoren durchfließenden Ströme I\ und I₂ und des Verhältnisses LJA W, worin La die Diffusionslänge der der Basis des betreffenden Transistors zugeführten Minoritätsladungsträger und A Wdie Dicke dieser Basis ist. Bei den üblichen Ausführungen sind Maßnahmen getroffen, damit diese Faktoren im Sperrzustand so klein sind, daß b wenig von eins verschieden ist. Der Gesamtstrom /,(siehe Fig. 1) ist dann größenordnungsmäßig gleich dem Leckstrom der gesperrten Grenzfläche 5-6.

Zur Erzielung der Entsperrung wird der Strom von Minoritätsladungsträgern der Basis eines der Transistoren zugeführt, hier dem NPN-Transistor, d. h. der Schicht 5, durch die Elektrode 3, wobei der Impuls an die Klemmen 1 mit negativer Polarität und 3 mit positiver Polarität angelegt wird (die Einführung kann jedoch auch in die Basis des PNP-Transistors bei einem umgekehrten Aufbau erfolgen). Dieser zugeführte Strom bewirkt eine plötzliche Zunahme von «ι, was eine beträchtliche Vergrößerung des der Basis des PNP-Transistors zugeführten Stroms zur Folge hat, welcher seinerseits die Zunahme von txi erzeugt. Das »Kippen« des Thyristors in den leitenden Zustand erfolgt, wenn die Summe der Faktoren (αϊ + K₂) 1 erreicht, selbst wenn dies nur auf einem geringen Abschnitt des Querschnitts der beiden komplementären Transistoren der Fall ist. Der Strom /, zeigt dann eine plötzliche Zunahme, welche von einem Zusammenbruch der Spannung an den Klemmen des Thyristors begleitet ist. Diese Summe (λι+λ₂) nimmt übrigens in dem sogenannten Zustand der Überspeisung weiter zu, der Strom /₍nimmt weiter zu, und die beiden komplementären Transistoren arbeiten in einem Zustand gegenseitiger Überspeisung, wobei die Spannungen an ihren Klemmen in der sogenannten Sättigungszone liegen. Zur Entsperrung des Thyristors genügt also ein verhältnismäßig kleiner Basisstrom, welcher größenordnungsmäßig ein Tausendstel des nach der Entsperrung erreichten Stroms /, beträgt.

Um den Thyristor wieder in den Sperrzustand zurückzubringen, erscheint es logisch, in umgekehrter Weise vorzugehen, d. h. der Basis (hier der Basis 5) durch Anlegen eines Impulses mit einem zu dem obenerwähnten entgegengesetzten Vorzeichen einen Strom von Majoritätsladungsträgern zu entziehen, welcher ausreicht, um die Summe (tx\+oc₂) unter den Wert eins zu bringen. Eine elementare Rechnung zeigt übrigens, daß hierfür die Abfuhr des folgenden Basisstroms genügt:

+ OC₂) - 1 «1

Man richtet es dann in den »sperrbaren« Thyristoren so ein, daß durch geeignete Kunstgriffe die Summe («i +/X₂) wenig größer als eins gemacht wird, selbst im Zustand der Überspeisung, wobei oc\ wenig kleiner als

eins ist. Hierdurch stellt man die sogenannte Verstärkung bei der Öffnung sicher, da der gesperrte Strom /, gemäß der Gleichung (1) ein Vielfaches (ein Mehrfaches und sogar ein Zehnfaches) des Steuerstroms /ßsein muß.

Hierfür muß offenbar der Wert des Faktors <%2 möglichst begrenzt werden, woraus sich ergibt, daß der zweite Transistor, hier der PNP-Transistor, wenig wirksam wird.

Infolgedessen ist die Dichte des Stroms /, im leitenden Zustand erheblich verringert, und trotzdem ist der Spannungsabfall erheblich gesteigert. Diese doppelte Einbuße an den Kenngrößen des leitenden Zustands wird nun kaum durch die Leistungen beim Übergang in den Sperrzustand ausgeglichen, welche wie bereits oben angedeutet, äußerst bescheiden bleiben. Oben waren bereits die Gründe für diese mangelhaften Leistungen angegeben worden, zum besseren Verständnis der Erfindung werden sie jedoch jetzt noch genauer betrachtet.

Hierfür sei auf F i g. 3 Bezug genommen, welche schematisch gestrichelt die Entwicklung der Grenzzonen des Thyristors der F i g. 1 im Sperrzustand zeigt. Die Grenzflächen 4-5 und 6-7 sind in der Durchlaßrichtung polarisiert, und die Dicke ihrer Zonen ist sehr gering. Diese Zonen sind zwar praktisch von freien Trägern frei, dies rührt jedoch nur davon her, daß der Strom durch die in der Sperrichtung polarisierte Grenzfläche 5-6 gesperrt wird. Die Raumladung dieser letztereren Grenzfläche ist daher sehr ausgedehnt. Die Dicke der Schicht 6 muß daher entsprechend reichlich bemessen werden.

Im leitenden Zustand werden nun alle diese Zonen einschließlich der beträchtlich geschwächten Grenzflächen von einem Plasma von freien Trägern beider Vorzeichen verhältnismäßig hoher Dichte überflutet. Durch Ableitung der Majoritätsentladungsträger aus der Basis 5 kann man die Emission von Trägern der Grenzfläche 4-5 verringern oder bestenfalls unterbrechen, aber nicht, wie es der Fall sein müßte, die Regenerierung der Raumladung der Grenzfläche 5-6 erzwingen. Wenn nämlich die Abfuhr von Majoritätsentladungsträgern aus der Schicht 5, d. h. hier der Löcher, verhältnismäßig einfach ist, ist die erzwungene Abfuhr von Majoritätsentladungsträgern der Schicht 6, d. h. der Elektronen, erheblich schwieriger.

Um dies zu verstehen, genügt es, zu bemerken, daß bei dem betrachteten Beispiel (die Überlegungen bleiben mutatis mutandis auch für die entgegengesetzten Polaritäten und die entgegengesetzte Reihenfolge der Schichten gültig) die Löcher durch die Elektrode 3 abgeführt werden, während die Elektronen durch die Elektrode 1 nach Durchfließen der Schichten 6 und 7 und schließlich der Belastungswiderstände, oder, was noch besser wäre, einer zwischen 1 und 2 angeschlossenen Kapazität abgeführt werden müssen. Damit dies jedoch geschieht, müssen die Polaritäten der Elektroden 3 und 1 aufrechterhalten bleiben, wobei die Elektrode 3 negativ gegenüber der Elektrode 1 ist. Hier tritt nun eine der Hauptschwierigkeiten auf, da die wiederkehrende Spannung diese Polaritäten umzukehren sucht, so daß die Elektrode 3 positiv gegenüber 1 wird. Die Abfuhr muß also stattfinden, bevor die Spannung wiederkehrt, so daß ein Kompromiß zwischen der Impulsspannung und der wiederkehrenden Spannung sowie der Geschwindigkeit der Wiederkehr geschlossen werden muß. Praktisch führt dies zu einer ernsthaften Begrenzung der Leistungen hinsichtlich der Betriebsspannung.

Die Strombegrenzung ist ebenfalls leicht verständlich. Zunächst ist die Abfuhr der freien Ladungsträger um so schwieriger, je größer die Stromdichte ist. Bei sehr kleinen Stromdichten genügt dagegen die Rekombination an Ort und Stelle, um das Verschwinden der Ladungsträger sicherzustellen. Ferner wird bei gleicher Dichte der Vorgang um so schwieriger, je größer die Querabmessungen der Anordnung sind, d. h. je größer der Gesamtstrom ist. Einer der Hauptgründe dieser Klippe ist die wachsende Schwierigkeit, eine gleichmäßige Verteilung der Wirkung des Sperrimpulses in dem gesamten Querschnitt der Schicht sicherzustellen, welcher dieser Impuls zugeführt wird. Es darf nämlich nicht vergessen werden, daß im Gegensatz zu dem Entsperrungsvorgang der Sperrvorgang sich für seine Wirksamkeit lückenlos über den ganzen Querschnitt der Vorrichtung erstrecken muß.

Es soll nun gezeigt werden, daß der Aufbau des bipolaren Leistungsgridistors die Möglichkeit liefert, die obigen beiden Hauptschwierigkeiten des Sperrvorgangs auszuschalten. F i g. 4 und 5 geben schematisch diesen Aufbau wieder.

In Fig.4 ist der Aufbau in einer geschnittenen Seitenansicht dargestellt. Er besitzt drei Elektroden, nämlich zwei Stromzuführungselektroden, d. h. die Kathode 8 und die Anode 9, und eine Steuerelektrode 10. Der wesentliche Teil dieser Anordnung ist ein Gitter, welches in die Zwischenschicht 11 eingebaut ist, welche hier ein Halbleiter des Typs N (z. B. Silizium) ist. Das Gitter 12 ist vom P-Typ, wobei die Maschen mit Kanälen 13 des Typs N ausgefüllt sind. Das Gitter ist in einer geschnittenen Draufsicht in Fig.5 dargestellt, wobei natürlich die Geometrie der Maschen nur beispielshalber angegeben ist. Die Anordnung enthält ferner die N+-Kathodenschicht 14 und die P + -Anodenschicht 15. Diese letztere enthält Kanäle 16 des Typs N, welche die Grenzfläche 15-11 überbrücken, wie aus der US-PS 32 27 896 bekannt. Es ist jedoch klar, daß die Anodenschicht 15 auch durchgehend vom Typ P⁺ sein kann, also keine Überbrückungskanäle zu enthalten braucht.

In leitendem Zustand wird diese Anordnung bekanntlich zwischen den Elektroden 8 und 9 von einem Fluß von Trägern beider Zeichen durchflossen, wobei die Elektrode 10 nicht gespeist wird. Zur Sperrung des Stroms wird diese Elektrode in bezug auf die Elektrode 8 durch Anlegung einer geeigneten Spannung an diese beiden Elektroden negativ gemacht. Hierdurch wird das Trägerplasma abgeführt und nach Maßgabe seiner Abfuhr entwickelt sich die Raumladung in den Maschen des Gitters und schließlich beiderseits des Gitters. Hierdurch werden die leitenden Kanäle tatsächlich aufgehoben und der Strom wird unterbrochen, abgesehen von dem praktisch vernachlässigbaren Leckstrom der Grenzflächen.

Es ist zu bemerken, daß die zwischen den Elektroden 8 und 9 während des Sperrvorgangs wiederkehrende Spannung hier diesen Vorgang sowohl für die Abfuhr des Plasmas als auch für die Entwicklung der Raumladungen zu unterstützen sucht. Ferner ist zu bemerken, daß diese Wirkung auf den ganzen Querschnitt der Anordnung bemerkenswert verteilt ist. Der bipolare Leistungsgridistor ist also tatsächlich durch seinen Aufbau in der Lage, eine wirksame Sperrung großer Ströme unter hohen wiederkehrenden Spannungen sicherzustellen.

Erfindungsgemäß wird dieser Aufbau, wie schematisch in Fi g. 6 und 7 dargestellt, so abgeändert, daß der

Gridistor bistabil wird, und zwar in einer nur in einer Richtung leitenden Halbleitervorrichtung (Fig.6) und einer in beiden Richtungen leitenden Halbleitervorrichtung (F ig. 7).

Der Aufbau der Fig.6 unterscheidet sich von dem der Fig.4 nur durch die Einschaltung einer Schicht 17 (P + ) zwischen den Schichten 11 und 14 (N bzw. N + ). Ferner ist eine vierte, mit 18 bezeichnete Elektrode vorgesehen.

Eine derartige bistabile, nur in einer Richtung leitende Halbleitervorrichtung arbeitet folgendermaßen. Wenn sich die Vorrichtung in leitendem Zustand befindet und die Steuerelektroden 10 und 18 nicht gespeist sind, wird der Strom dadurch gesperrt, daß zwischen diese Elektroden ein Impuls mit einer entsprechenden Spannungsamplitude und einem entsprechenden Vorzeichen (wodurch die Steuerelektrode 10 negativ gegen die Steuerelektrode 18 wird) angelegt wird, welcher die vollständige Abschnürung der Kanäle 13 bewirkt. _t Hinsichtlich der vorherigen Abfuhr des Plasmas ist zu bemerken, daß es infolge der bistabilen Eigenschaft der Vorrichtung genügt, das sehr begrenzte Volumen der Kanäle 13 freizumachen, um ihre Sperrung zu ermöglichen, welche einen steilen Abfall der Faktoren αϊ und oc₂ der Vorrichtung und ihr »Kippen« in den Sperrzustand bewirkt.

Um dann zu dem leitenden Zustand zurückzukehren, legt man einen Impuls zwischen den Elektroden 18 und 9 an, welcher die Elektrode 18 und somit die ganze Schicht 11 (N) negativ in bezug auf 9 und somit auf die Schicht 15 (P + ) macht, so daß eine Zufuhr von Löchern erfolgt. Hierdurch wird das »Kippen« in den leitenden Zustand ausgelöst, wie bei den bekannten bistabilen PNPN-Anordnungen.

Wie bei dem ursprünglichen Gridistor ist die Überbrückung der Schicht 15 durch Kanäle 16 nicht unbedingt erforderlich. Die Überbrückung der beiden Endschichten ist dagegen bei einer in beiden Richtungen leitenden bistabilen Halbleitervorrichtung sehr zweckmäßig.

Diese Halbleitervorrichtung enthält, wie in Fig.7 dargestellt, fünf Schichten abwechselnden Leitungstyps, z.B. NPNPN, wobei die N-Zwischenschicht das P + -Gitter enthält (es ist jedoch zu bemerken, daß auch die PN PN P-Anordnung möglich ist). Auch hier bezeichnet die Bezugszahl 12 den Gitterkörper und 13 die mit N-Kanälen gefüllten Maschen, welche die beiden Abschnitte der Schicht 11 verbinden. Diese Schicht ist auf ihren beiden Seiten von zwei P+-Schichten 24 und 25 überzogen, welche ihrerseits mit zwei N ⁺ -Endschichten 27 und 29 überzogen sind, welche durch P + -Kanäle 28 und 30 überbrückt sind.

Diese Überbrückung hat folgende Gründe: Bekanntlich kann eine bistabile, in beiden Richtungen leitende Halbleitervorrichtung mit fünf Schichten in zwei miteinander verschachtelte Transistoren zerlegt werden, wie dies in F i g. 2 für den Aufbau mit vier Schichten dargestellt ist, wobei jedoch außerdem eine Diode in Reihe geschaltet ist. Je nach der Halbwelle ist diese Diode an dem einen oder dem anderen Ende des Ersatzschaltbildes angeordnet, sie ist jedoch stets in der Sperrichtung polarisiert. Damit nun eine derartige Diode den Spannungsabfall in leitendem Zustand nicht in unzulässiger Weise erhöht, muß die Ausbildung so getroffen werden, daß der Spannungsabfall an ihren Klemmen in der Sperrichtung sehr gering ist. Eine hierfür benutzbare Lösung ist eine Überbrückung der betreffenden Grenzfläche, welche bereits zu anderen Zwecken bei dem bipolaren Leistungsgridistor vorgenommen wurde.

Die Anordnung enthält fünf Elektroden, nämlich drei Steuerelektroden, d. h. die obenerwähnte Gitterelektrode 10 sowie die Elektroden 20 und 21, welche mit den beiden beiderseits des Gitters 12 liegenden Abschnitten der Schicht 11 verbunden sind, und zwei Stromzuführungselektroden 22 und 23, welche abwechselnd als Kathode und Anode arbeiten.

Der Steuerimpuls für den Sperrvorgang wird zwischen die (negativ polarisierte) Elektrode 10 und diejenige der Elektroden 20 oder 21 angelegt, welche sich auf der Seite der zu dem betrachteten Zeitpunkt als Kathode arbeitenden Stromzuführungselektrode befindet. Der Steuerimpuls zur Entsperrung wird zwischen der als Kathode arbeitenden Elektrode und der ihr am nächsten liegenden der Elektroden 20 und 21 angelegt. Das Schema der F i g. 8 mit Dioden 33,34,35,36,37,38 gestattet die Erfüllung dieser Bedingungen, indem es den an die Klemmen 31 angelegten Sperrimpuls und den an die Klemmen 32 angelegten Entsperrungsimpuls an die richtige Stelle leitet.

Der Aufbau der bistabilen Halbleitervorrichtung kann durch Einbau des Sperrsystems in eine der .Basiselektroden der Anordnung etwas vereinfacht werden, indem als Grundelement die eingangs erwähnte bekannte bivalente Triode benutzt wird, die in Fig.9 dargestellt ist.

Diese Triode wurde bivalent genannt, da sie je nach dem Vorzeichen der an die Steuerelektrode angelegten Vorspannung entweder als Transistor mit Zufuhr von Ladungsträgern, oder als eine Feldeffekt-Vorrichtung arbeitet. Bei ihrer Benutzung als Basiselement einer bistabilen Halbleitervorrichtung soll sie das »Kippen« in den leitenden Zustand durch ihr Arbeiten als Transistor und die Sperrung durch ihr Arbeiten als Feldeffekt-Vorrichtung bewirken.

Wie in F i g. 9 dargestellt, enthält die Triode im wesentlichen eine N-Schicht 43, welche im Schnitt ein gezahntes Profil hat, wobei die Vertiefungen zwischen den Zähnen und die Zähne selbst von einer P+-Schicht 44 überzogen sind. Diese beiden Schichten sind ihrerseits von N+-Endschichten 42 und 45 überzogen, mit weichen die Stromzuführungselektroden 39 bzw. 40 verbunden sind, welche als Anode bzw. Kathode arbeiten. Die Steuerelektrode 41 ist mit der Schicht 44 verbunden.

Die gezahnte Schicht 44 kann als ein verhältnismäßig dickes Gitter angesehen werden, dessen Maschen durch dünne Schichten 46 verschlossen sind. Diese Schichten bilden die Basiselektrode von NP⁺N+-Transistoren, wenn die Vorspannung der Schicht 44 durch die Elektrode 41 positiv in bezug auf die Kathode 40 ist. Bei Fehlen einer Vorspannung oder bei einer negativen Vorspannung an der Schicht 44 liegt dagegen eine Triode mit sogenannter begrenzter Raumladung oder mit Feldeffekt vor.

Bei Fehlen einer Vorspannung ist die Dicke der Ladung auf die der Schichten 46 begrenzt. Unter der Wirkung der negativen Vorspannung nimmt ihre Dicke durch die zentripetale Einschnürung 47 der Zähne der Schicht 43 zu, wodurch die Höhe dieser Zähne allmählich verkürzt wird.

In der eingangs genannten FR-PS 14 26 254 ist nachgewiesen, daß, wenn in erster Näherung die Geometrie dieser Zähne der eines Kegelstumpfs gleichgesetzt wird, die Änderung der Dicke der Raumladung L mit der Vorspannung V_s infolge der

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zentripetalen Einschnürung durch folgenden Ausdruck gegeben ist:

AL =

a A V₉ Ir Xg β

worin rder Halbmesser an der Spitze des Kegelstumpfs, β der Erweiterungswinkel des Kegelstumpfs und

a —

Qo

^fO

(in rationalisierten Giorgieinheiten),

wobei Oo die Dichte der Ladung, εο die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und e._T die Dielektrizitätskonstante des benutzten Halbleitermaterials ist.

Man kann so eine schnelle Änderung der Dicke der Raumladung in Abhängigkeit von V^, durch eine geeignete Wahl des Halbmessers r und des Wink'els β für eine Ladungsdichte ρ in der gegebenen Schicht 43 erhalten. Die negative Vorspannung wirkt so einerseits durch Abfuhr der Majoritätsladungsträger aus der Schicht 44 und der Minoritätsladungsträger aus der Schicht 47, aber auch durch eine Veränderung der geometrischen Verhältnisse, welche im Grenzfall zu der Sperrung des Stroms führt.

Die durch Versuche ermittelten, dem Arbeiten der bivalenten Triode als Transistor bzw. als Triode mit begrenzter Raumladung und Feldeffekt entsprechenden Kennlinienscharen sind in der genannten FR-PS 14 26 254 dargestellt. Diese Scharen gleichen denen eines Transistors mit Trägerzufuhr bzw. denen einer Hochvakuumtriode.

Fig. IO zeigt schematisch die Ausbildung dieser Anordnung als bistabile Halbleitervorrichtung. In prinzipieller Hinsicht unterscheidet sie sich von der von F i g. 9 nur durch den Ersatz einer N +-Endschicht durch eine P ⁺ -Schicht und durch die Hinzufügung einer zweiten Steuerelektrode. Wie man sieht, bildet das Gitter mit den verschlossenen Maschen eine der Basiselektroden der N PN P-Anordnung. Die anderen Unterschiede betreffen die Abmessungen, welche von dem Übergang aus dem Schwachstromgebiet in das Starkstromgebiet herrühren.

Die Halbleitervorrichtung von F i g. 10 enthält so eine erste N+-Schicht 48, die gezahnte P+-Schicht 49, die in diese passende zweite gezahnte N-Schicht 50, und schließlich eine zweite P + -Endschicht 51. Die Stromzuführungselektroden sind die Anode 52 auf der Schicht 51 und die Kathode 53 auf der Schicht 48. Die beiden Steuerelektroden sind die mit der Schicht 49 verbundene Elektrode 54 und die mit der Schicht 50 verbundene Elektrode 55.

Zur Sperrung des Stroms wird ein Impuls an die Steuerelektroden angelegt, welcher die Elektrode 54 negativ gegen die Elektrode 55 macht. Dieser Impuls bewirkt eine massive Verringerung des Stroms und eine Veränderung der geometrischen Verhältnisse infolge der Füllung der Aushöhlungen 56 durch Raumladungen. Dies hat infolge dieser beiden Ursachen eine Verringerung der obigen Faktoren oci und <X2 und das Kippen der Vorrichtung in den Sperrzustand zur Folge.

Es ist zu bemerken, daß im Gegensatz zu der bivalenten Triode die Spannung hier unmittelbar an die N-Schicht 50 angelegt ist, anstatt über Raumladungen, wenn der Kontakt an der N +-Schicht 48 erfolgen würde. Dies bewirkt eine schnellere Abfuhr der freien Ladungsträger und eine bessere Wirksamkeit des Feldeffekts. Ferner wirkt hier die wiederkehrende Spannung in dem gleichen Sinn wie die Steuersperrspannung.

Gemäß einer Ausführungsabwandlung ist es jedoch auch möglich, die Elektrode 55 bei verhältnismäßig kleinen Strömen und Betriebsspannungen fortzulassen und den Sperrimpuls zwischen den Elektroden 53 und 54 anzulegen, derart, daß die erstere negativ gegenüber der

ίο letzteren wird.

Zur Rückkehr zu dem leitenden Zustand wird jedenfalls der Impuls zwischen den Elektroden 53 und 54 angelegt, derart, daß die erstere positiv gegenüber der letzteren wird. Der Entsperrungsvorgang ist hier dem bereits oben hinsichtlich der Thyristoren von F i g. 3 und der bistabilen Halbleitervorrichtung mil Gitter von F i g. 6 gleich.

Schließlich zeigt F i g. 11 schematisch den Aufbau dieser Ausführungsabwandlung der bistabilen HaIb-

2ü leitervorrichtung ihrer Ausbildung als in beiden Richtungen leitende Vorrichtung. Beispielshalber ist ein NPNPN-Aufbau angegeben, eine PNPNP-Anordnung ist jedoch ebenfalls möglich. Sie weist fünf Elektroden auf, darunter zwei abwechselnd als Anode und Kathode arbeitende Stromzuführungselektroden 57 und 58 und drei Steuerelektroden 59,60 und 61.

Die Vorrichtung enthält eine erste N+-Schicht 62, welche durch P + -Brücken 63 überbrückt ist, eine erste gezahnte P + -Schicht 64, von welcher die Brücken 63 ausgehen, die mittlere N-Basis 65, eine zweite gezahnte P + -Schicht 66 und schließlich eine zweite N+-Endschicht 67, welche durch von der Schicht 66 ausgehende P+ -Brücken 68 überbrückt ist.
Die Sperrung oder die Entsperrung können gemäß der Schaltung der Fig. 12 durch Impulse gesteuert werden, welche von der Quelle 69 bzw. 70 kommen und den Elektroden 60 und 59 oder 60 und 61 entsprechend der Halbwelle durch die Dioden 71 und 72 für die Sperrung und die Dioden 73 und 74 für die Entsperrung zugeführt werden.

Als Ausführungsabwandlung kann die Schaltung der Fig. 13 benutzt werden. In dieser ist der Steuerkreis für die Sperrung der gleiche wie in Fig. 12. Der Entsperrungskreis unterscheidet sich jedoch dadurch, daß die Entsperrung hier durch einen Impuls gesteuert wird, welcher von der Quelle 75 geliefert und je nach der Halbwelle zwischen den Elektroden 57 und 59 oder 58 und 61 angelegt wird. Die Zufuhr des Impulses zu den entsprechenden Klemmen erfolgt durch die Dioden 76, 77,78 und 79.

Schließlich zeigen Fig. 14 und 15 beispielshalber die gemäß den weiter unten erläuterten Verfahren in industrieller Form hergestellten Anordnungen von Fi g. 6und Fig. 10.

Fig. 14 zeigt das Wesentliche des Aufbaus der bistabilen, nur in einer Richtung leitenden Halbleitervorrichtung mit umhülltem Gitter. Sie enthält insbesondere eine emittierende P+-Schicht 80 mit einer eine Anode bildenden Elektrode 81, eine erste N-Basis mit zwei Abschnitten 82 und 83, welche durch N-Kanäle 84 vereinigt sind, welche durch das in diese Basis eingebettete Gitter 85 treten, hierauf eine zweite P + -Basis 86, und schließlich eine emittierende N+-Schicht 87, welche durch von der Basis 86 ausgehende P + -Keile 88 überbrückt ist. Die Schicht 87 ist mit einer als Kathode arbeitenden Elektrode 89 versehen. Ferner sind zwei Steuerelektroden 92 und 93 an zwei Ringen 90 bzw. 91 befestigt, von denen der eine

mit dem Gitter 85 und der andere mit dem Abschnitt 83 der ersten Basis in Verbindung steht.

Zur Herstellung dieser Vorrichtung können folgende Herstellungsverfahren benutzt werden. Man nimmt eine Halbleiterplatte, z. B. Silizium, des Typs N mit verhältnismäßig hohem spezifischem Widerstand in der Größenordnung von lOOß/cm. Diese Platte wird auf beiden Seiten tadellos poliert, wobei ihre Dicke z. B. größenordnungsmäßig 150μιη beträgt. Diese Dicke entspricht dem Abstand zwischen den beiden gestrichelten Linien A und ßin F i g. 14.

Man nimmt dann auf den beiden Flächen die Vordiffundierung einer Verunreinigung der Gruppe III, ζ. B. Bor, auf einer Seile über eine Oxidschablone zur Bildung des Anfangs des Gitters 85 und auf der anderen vollständig freiliegenden Seite zur Bildung des Anfangs der Basis 86 vor. Die Diffusion sowohl des Gitters 85 als auch der Basis 86 wird während der folgenden Arbeitsgänge fortgesetzt.

Diese sind der Reihe nach folgende: Nach Entfernung des Oxids auf der Oberseite, Aufbringen durch epitaxiales Wachsen einer N-Schicht, deren spezifischer Widerstand vorzugsweise die gleiche Größenordnung wie die Unterlage hat, wobei jedoch eine sehr weite Toleranz zulässig ist (in dem betrachteten Fall kann dieser spezifische Widerstand ohne weiteres zwischen 10 und 100 ö/cm liegen), hierauf Diffusion des Bors mit sehr hoher Konzentration, d. h. mit großer Geschwindigkeit, zur Bildung des Ringes 90, hierauf Diffusion der emittierenden Schicht 87 durch eine Schablone hindurch (Diffusion einer Verunreinigung der Gruppe V, z. B. Phosphor), und schließlich Diffusion der emittierenden Schicht 80 durch eine Schablone hindurch (ebenfalls eine Bordiffusion wie für das Gitter 85 und die Basis 86). Es ist zu bemerken, daß die Schicht 87 hier ebenfalls kontinuierlich und homogen und vom Typ N+ sein muß. Ferner ist klar, daß andere Epitaxievorgänge gewisse Diffusionsvorgänge ersetzen können, z. B. bei der emittierenden N+ -Schicht, wenn diese kontinuierlich ist.

Die Vorrichtung wird durch die Anlötung der Elektroden 81,89,90 und 91 vervollständigt.

Die praktische Ausbildung der bistabilen, in beiden Richtungen leitenden Halbleitervorrichtung kann aus F i g. 7 ohne weiteres in der gleichen Weise abgeleitet werden. Es ist übrigens zu bemerken,daß in Fig. 14 der N-Ring 94, welcher den oberen Abschnitt 82 der mittleren Basisschicht dieser Anordnung an die Oberfläche bringt, bereits zur Aufnahme der für die in beiden Richtungen leitende Vorrichtung erforderlichen dritten Steuerelektrode bereit ist. Natürlich muß in diesem letzteren Fall die epitaxiale Schicht erheblich dicker sein, ohne daß die Aufbringung sich übermäßig auf die Diffusion der vorher vordiffundierten Schichten auswirkt. Dieser Vorgang wird daher vorzugsweise bei verhältnismäßig niedriger Temperatur vorgenommen, z. B. bei etwa 1000° C durch Pyrolyse, welche aus einer Zersetzung von S1H4 in einem Strom von H2 besteht.

Fig. 15 zeigt die industrielle Herstellung der in Fig. 10 dargestellten bistabilen, nur in einer Richtung leitenden Halbleitervorrichtung.

Diese Vorrichtung enthält eine emittierende N+-Kathodenschicht 95, eine erste P + -Basisschicht 96, welche in der unter Bezugnahme auf F i g. 10 erläuterten Weise gezahnt und zur Herstellung des Kontakts durch den Ring 97 an die Oberfläche gebracht ist, eine zweite, ebenfalls gezahnte N-Basisschicht 98, welche in die vorhergehende paßt und durch den Ring 99 an die Oberfläche geführt ist, und schließlich eine emittierende P+-Anodenschicht 100. Diese bistabile Halbleitervorrichtung enthält vier Elektroden, darunter zwei Stromzuführungselektroden, nämlich die Kathode 101 und die Anode 102, und zwei Steuerelektroden 103 und 104.

Sie kann in der folgenden Weise einfach durch Diffusionsvorgänge hergestellt werden. Man nimmt eine verhältnismäßig dicke Platte in der Größenordnung von 200 μπι, welche auf beiden Seiten poliert ist und z. B. aus Silizium des Typs N mit verhältnismäßig hohem spezifischem Widerstand, z. B. in der Größenordnung von 100ß/cm, besteht. Hierauf wird eine Verunreinigung der Gruppe III, z. B. Bor, diffundiert, weiche einerseits unter einer Seite die Anodenschicht 100 und andererseits unter der anderen Seite durch eine Schablone hindurch das den Anfang der gezahnten Basisschicht % bildende Gitter bildet. Diese Basisschicht wird durch Diffusion derselben Verunreinigung nach Entfernung der ersten Schablone und ihrem Ersatz durch einen einfachen Rahmen, welcher einfach den Ring 99 überdeckt, beendet. Die letzte Diffusion durch eine Schablone hindurch einer Verunreinigung der Gruppe V, z. B. Phosphor, mit sehr hoher Konzentration bewirkt die Bildung einer emittierenden N+ -Kathodenschicht 95. Schließlich werden die Elektroden 101, 102, 103 und 104 angelötet.

Die Herstellungsvorgänge sind also verhältnismäßig einfach und erfordern nicht die Zuhilfenahme der Epitaxie. Es ist jedoch klar, daß diese durchaus benutzt werden kann, z. B. zur Bildung der Schicht 100, wenn eine scharfe Grenzfläche erwünscht ist und auch zum Ersatz der das Gitter verschließenden Diffusion der P+-Schicht, um die seitliche Diffusion möglichst klein zu halten.

Ebenso können, was auch für die unter Bezugnahme auf Fig. 14 erläuterte Vorrichtung gültig ist, gewisse Diffusionsvorgänge, insbesondere zur Bildung der emittierenden Schichten, durch Legierungsvorgänge, z. B. mit Aluminium oder Gold-Antimon, ersetzt werden.

Die Übertragung der oben erläuterten Herstellungstechnik auf die Herstellung der in beiden Richtungen leitenden Halbleitervorrichtung von F i g. 11 bietet keine besonderen Schwierigkeiten. Es wird stets von einer homogenen Platte des Typs N mit hohem spezifischem Widerstand ausgegangen, und man geht symmetrisch vor, d. h. in gleicher Weise auf den entgegengesetzten Seiten. Es sind zwei Endschichterj vorhanden, z.B. des Typs N + , welche durch eine Schablone hindurch diffundiert werden und Überbrükkungsstege des Pyps P+ bestehen lassen. Ferner sinci im ganzen fünf Elektroden vorhanden, darunter drei Steuerelektroden und zwei Stromzuführungselektroden.

Die obigen Vorrichtungen sind nur beispielshalber beschrieben worden; so können insbesondere andere Stoffe der Gruppe IV oder Zwischenmetallverbindungen der Gruppen III und V verwendet werden.

Als Anhaltspunkt seien einige Kenndaten angegeben, welche mit diesen Halbleitervorrichtungen erreicht werden können:

Einschaltbarer oder ausschaltbarer
Dauerbetriebsstrom 100 A

Spannungsabfall im leitenden Zustand 1,5 V
Bei der Ausschaltung zulässige
wiederkehrende Spannung 500 V

Hierzu-4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bistabile, durch Impulse steuerbare Halbleitervorrichtung zum Ein- und Ausschalten eines Stromes, mit einem Halbleiterkörper aus wenigstens vier Halbleiterschichten abwechselnden Leilungstyps, mit Stromzuführungselektroden an den Endschichten und mit wenigstens einer Steuerelektrode an einer der Zwischenschichten, dadurch ge- ίο kennzeichnet, daß die mit der Steuerelektrode (18; 55) versehene Zwischenschicht (ti; 50) ein mit einer weiteren Steuerelektrode (10; 54) versehenes Gitter (12) aus einem Halbleitermaterial, dessen Leitungstyp dem der Zwischenschicht (11; 50) r> entgegengesetzt ist, enthält.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschen (13) des Gitters (12) mit Halbleitermaterial der mit der Steuerelektrode (18) versehenen Zwischenschicht

(11) ausgefüllt sind.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, daß das Gitter an eine der Endflächen der mit der Steuerelektrode (55; 60) versehenen Zwischenschicht (50; 65) angrenzt, so daß die Maschen (56) des 2> Gitters durch die benachbarte Zwischenschicht (49; 64), deren Leitungstyp gleich dem des Gitters ist, verschlossen sind (F ig. 10).

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der das Gitter

(12) enthaltenden Zwischenschicht (11) und einer (29) der beiden Endschichten (27, 29) noch eine weitere Halbleiterschicht (25) angeordnet ist, daß eine zusätzliche Steuerelektrode (21) mit der das Gitter enthaltenden Zwischenschicht (11) derart verbunden ist, daß die beiden beiderseits des Gitters (12) liegenden Abschnitte dieser Zwischenschicht (U) je eine Steuerelektrode (20, 21) aufweisen, und daß die fünf Halbleiterschichten (27, 24, U, 25, 29) abwechselnde Leitungstypen haben (F i g. 7).

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein ebenfalls mit einer Steuerelektrode (61) versehenes weiteres Gitter an die andere Endfläche der mit der Steuerelektrode (60) versehenen Zwischenschicht (65) angrenzt und daß die Maschen des weiteren Gitters durch eine benachbarte fünfte Halbleiterschicht (66) verschlossen sind, deren Leitungstyp gleich dem des weiteren Gitters ist, und daß die fünf Halbleiterschichten (62, 64, 65, 66, 67) abwechselnde Leitungstypen haben (Fig. 11).

6. Verwendung der Halbleitervorrichtung nach Anspruch 5 in einer Schaltungsanordnung, bei der eine Steueranordnung mit entsprechend geschalteten Gleichrichterdioden (71, 72, 73, 74 bzw. 71, 72, 76, 77, 78, 79) je nach Halbwelle der einen oder der anderen der mit den Gittern verbundenen Steuerelektroden (59,61) Steuerimpulse zuführt.