DE1936603U

DE1936603U - Halbleiterschalter.

Info

Publication number: DE1936603U
Application number: DEG33787U
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1965-01-22
Filing date: 1966-01-20
Publication date: 1966-04-14
Also published as: US3372318A; FR1465105A; GB1120869A

Description

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4562

General Electric Company, Schenectady Ή.Y./USA

Halbleiterschalter

Die Neuerung betrifft Zweiweg-Halbleitersehalter, durch die der Strom in beide Richtungen fließen kann und die für beide Stromrichtungen zwischen einem hohen und einem niedrigen Impedanzwert umgeschaltet werden 'können. Insbesondere betrifft die Neuerung Halbleiterschalter mit einer Steuerelektrode, mit der beide Halbwellen eines AusgangsSigna Us einer Wechselspannungsquelle, das an zwei Hauptelektroden des Halbleitaschalters angelegt wird, gesteuert werden können.

Ein solcher Zweiweg-Halbleiterschalter mit drei Anschlüssen kann auf vielen Gebieten angewendet werden. Er kann beispielsweise in Schaltungen als aktives Element verwendet werden, 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 geringe Impedanz und ist für den Strom nahezu ein Kurzschluß. Der Strom kann für eine Spannung eingeschaltet werden, die in einer oder auch in beiden Eichtungen an den Hauptelektroden liegt. Das bedeutet, daß der Halbleiterschalter entweder in beiden Stromrichtungen als hohe

Impedanz oder in der einen Richtung als none Impedanz und in der anderen Richtung als Kurzschluß oder auch in beiden Riehtungen als Kurzschluß betrieben werden kann. Weiterhin kann die Zeitspanne, während der der Halbleiterschalter innerhalb einer Halbperiode leitend sein soll, Tariiert werden. In üblicher Weise wird der Halbleiterschalter dadurch leitend gemacht, daß eine Spannung angelegt wird, die über eine dritte Zuleitung oder Elektrode (Durchsehaltoder StQBrelektrode) einen Strom einführt oder herauszieht, der den Stromfluß durch den Halbleitersehalter erhöht. Dieser Vorgang wird als Durchschalt- oder Einschaltvorgang bezeichnet

Bei Zweiweg-Halbleiterschaltern, wie sie hier betrachtet werden, genügt eine Steuerelektrode zum Einschalten des Schalters bei beiden möglichen Stromrichtungen durch den Schalter. Beim Einschalten des Stroms in entgegengesetzte Richtungen finden verschiedene Bewegungen der Ladungsträger statt und auch die Stromwege sind verschieden. Das bedeutet, daß für entgegengesetzte Stromrichtungen verschiedene DurchschaItarten zur Anwendung kommen. Aus diesem Grunde ist es schwierig, die Durchschaltung mit einem gleich großen Steuerstrom und mit einer gleich großen Steuerspannung für beide Stromrichtungen einzuleiten, ©erade das ist aber in vielen Fällen sehr erwünscht.

Der leuerung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Zweiweg-HalbleiterschaIter vorzuschlagen, der eine nahezu symmetrische Durchsteuerung für die beiden mögliehen Stromrichtungen gestattet. Da es außerdem stets erwünscht ist, mit möglichst

geringen Steuerspannungen und Steuerströmen auszukommen, soll gleichzeitig der Steuerstrom derart eingeengt werden, daß die zum Durchsteuern benötigte Stromdichte schon bei geringen Gesamtströmen und Ge samt spannung en. erhalten wird.

Die !Teuerung besteht in einem Halbleiterschalter mit drei Anschlüssen, der für beide Polaritäten des AusgangsSignaIs einer Wechselspannungsquelle durchgestmuert werden kann« Zur Einstellung der zum Durchschalten erforderliehen Stromdichte bei geringen Steuerströmen und zum Durchsteuern bei niedrigen Steuerspannungen ist ein begrenzter, räumlich definierter Strompfad geringen Widerstandes vorgesehen, der zwischen einer Steuerelektrode und dem nächst liegenden Emitterübergang liegt.

Die Heuerung wird nun auch anhand der Figuren beschrieben:

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Zweiweg-Halbleiterschalter mit drei Anschlüssen nach der Erfindung entlang der Linie I-I der Fig. 2.

Die Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Zweiweg-Halbleitersehalter nach der Fig. 1.

Die Fig. 3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

lach den Figuren 1 und 2 enthält ein Zweiweg-Halbleiterschalter drei Anschlüsse 1, 2 und 3, die in einen Stromkreis eirgefügt werden. Die den Hauptstrom führenden Anschlüsse 1 und

liegen im Hauptstromweg dieses Schaltkreises, während der Steueranschluß 3 mit einer Quelle verbunden ist, die ein Einschaltsignal geeigneter Polarität liefert, wenn z.B. der zwischen den Anschlüssen 1 und 2 liegende Stromweg in einen hochleitenden Zustand gebradt werden soll. Der gezeigte HalbleiterschaIter kann mit einer positiven oder negativen Vorspannung (Steuerstrom) in Bezug auf den Anschluß

1 durehgesehaltet werden. Wenn daher der untere Anschluß

2 positiv oder negativ bezüglich dem oberen Anschluß 1 ist, dann stellt entweder ein positiver oder ein negativer Steuerstrom den Zustand hoher Leitfähigkeit im Halbleiterschalter her.

Das Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 kann als fünfsehichtiger Halbleiterkörper 10 mit einer inneren IT-Basiszone 11 und zwei P-Zonen 12 und 13 auf deren gegenüberliegenden Seiten angesehen werden. Die beiden P-Zonen 12 und erfüllen bei der Stromleitung in entgegengesetzte Eichtungen durch den Halbleiterkörper Io verschiedene Aufgaben. Wenn beispielsweise der Anschluß 2 positiv bezüglich dem Anschluß 1 ist, dann wirkt die P-Zone 12 als Emitter und der Übergang J₉ zwischen der P-Zone 12 und der inneren !"-Zone 11 ist ein Emitterübergang. In diesem lall stellt die P-Zone 13 eine Basiszone dar, die von der !"-Basiszone 11 durch den Übergang J-, getrennt ist. Bei einer Yertausehung der Polaritäten zwischen den Anschlüssen (Anschluß 1 positiv gegen Anschluß 2) ist die P-Z_one 13 Emitter und die P-Zone 12 eine innere Basiszone.

Eine Η-Zone 14 liegt neben einem Teil der inneren P-Zone 13 bzw. grenzt an diesen Teil an -and ist von ihm durch.

einen PH-Übergang 3. getrennt. Diese Zone ist, wie die Figuren zeigen, von den beiden Seitenflächen des Halbleiterkörpers beabstandet. Wenn der Anschluß 2 positiv gegenüber dem Anschluß 1 ist, dann ist die H-Zone 14 eine Emitterzone und der Übergang J. ist ein Emitterübergang. Die H-Zone wird daher als Hauptemitter bezeichnet. Bei einer Stromleitung in der entgegengesetzten Sichtung ist sie nicht Teil des Hauptstromweges.

TJm auch für einen Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung (Anschluß 1 positiv gegen Anschluß 2) einen entsprechenden Emitter und einen entsprechenden Emitterübergang herzustellen, sind zwei H-Zonen 15 und 16 vorgesehen, die einem Teil der P-Zone 12 benachbart sind bzw. an diesen Teil angrenzen und PH-Übergänge J, und JV ausbilden, die bei dieser Polarität Emitterübergänge sind. Die H-Zonen 15 und 16 grenzen nur an einen Teil der P-Zone 12 an und sind voneinander beanstandet,

14 damit ein Teil der P-Zone 12 unterhalb des Hauptemitters frei bleibt. Der Hauptemitter 14 überlappt also einen freibleibenden Teil der P-Zone 12, da es der Leitungsmechanismus erfordert. Außerdem besitzen die H-Zonen 15 und 16 Teile, die unterhalb des Η-leitenden Hauptemitters 14 liegen, und Teile, die freiliegenden Teilen der P-Zone 13 gegenüberliegen, damit, wie es für den Mechanismus des Schalters erforderlich ist, Überlappungen gebildet wsrden.

Die Elektroden für den Hauptstromweg durch den Halbleiterschalter bestehen in ohmschen Elektroden 17 und 18 auf den

beiden Hauptfläclien des Halbleiterkörper 10. Die Elektrode 17 berührt die beiden !-Zonen 15 und 16 und den freien Teil der angrenzenden P-Zone 12. Daher schließt diese Elektrode 17 die Übergänge J, und Jg kurz. Die andere Elektrode 18 ist mit dem Hauptemitter 14 und demjenigen freiliegenden Teil der P-Zone 13 in Berührung, der der U-Zone 16 gegenüberliegt (sie überlappt), und schließt daher den Übergang J. kurz. Die Elektroden 17 und 18 sind mit den Anschlüssen 1 und 2 elektrisch verbunden.

Zur Durchsteuerung ist eine !-leitende Steuerzone 19 vorgesehen. Diese grenzt neben den Hauptemitter 14 an die P-Zone 13, doch liegt sie an der entgegengesetzten Seite des Hauptemitters 14, an der die Elektrode 18 die P-Zone^nicht berührt. Zwischen der U-Iextenden Steuerzone 19 und der P-Zone 13 entsteht so ein PN-Steuerübergang J₁-. Die Steuerzone

19 ist mit einer ohmschen Steuerelektrode 2o versehen, damit ein Steueranschluß 3 angebracht werden kann. Die Steuerelektrode

20 ragt über den Steuerübergang J₁- hinaus und berührt auch die P-Zone 13, wie am besten aus der Pig.2 ersichtlich ist, wobei der die P-Zone berührende Teil 21 der Steuerelektrode relativ klein im Vergleich zu dem die !-Zone 19 berührenden Teil ist. Weiterhin liegt der Teil 21 der Steuerelektrode auf einem Steg 22 auf der Oberseite des Halbleiterkörpers auf. Der Steg 22 ist in diesem Pail durch das Einätzen von Kerben 23 und 24 zwischen der Steuerzone 19 und dem Hauptemitter 14 entstanden, wobei der erhobene Steg 22 aus P-Material zwischen der Steuerelektrode 19 und dem Haupfcemitter,

z.B. mittels einer Wachsmaske erhalten wird. Die Kombination aus dem kurzschliessenden Teil 21 der Steuerelektrode und dem Steg 22 stellt einen Strompfad mit geringem Widerstand und vorgegebener Lage zwischen der Steuerelektrode 2o und dem Emitterübergang J. her. Der Grund für die Ausbildung eines derartig begrenzten und räumlich definierten Strompfades mit geringem Widerstand ist der, daß der Gesamtwert des Steuerstroms, der die zum Einschalten des Halbleiterschalters erforderliche Emitterstromdichte herstellen kann, und die zum Durchsteuern des Halbleiterschalters erforderliche Spannung verringert werden sollen.

Zum Besseren Verständnis des begrenzten und räumlich definierten Strompfades mit geringem Widerstand sei nun die Wirkungsweise des Halbleiterschalters besehrieben. Der Halbleiterschalter wird auf mindestens zwei verschiedenen irten durehgeschaltet, was bei beiden möglichen Polaritäten mittels der gleichen Steuerelektrode an den Anschlüssen

1 und 2 geschehen kann. Die beiden wichtigen Durchsteuerungsarten werden hier mit Durchsteuerung am Steuerübergang und mit GSG-Durchsteuerung bezeichnet. Beide Durchsteuerungsarten können bei beiden Polaritäten zwischen den Anschlüssen 1 und

2 angewendet werden. Die Durchsteuerung am Steuerübergang tritt jedoch auf, wenn der Steueransehluß 5 negativ bezüglich dem Anschluß 1 ist, während die GSG-Durehsteuerung auftritt, wenn der Steueransehluß 3 positiv bezüglich dem Anschluß 1 ist. Beide Durchsteuerungsarten sind ausführlich in einer früheren Anmeldung (Deutsche Patentanmeldung G 42 524 YIIIc/21g vom 12. Jan. 65) und in dem Buch "Semiconductor Controlled Rectifiers, Principles and Applications of PHPB-Devices"

von Gentry, G-utwiler, Holonyak, Jr. und E.E. von Zastrow, Copyright 1964 bei Prentice Hall, Kap. 3,9 Seiten 143 - 148 beschrieben. Da die Durehsteuerungsarten also bereits vorgeschlagen bzw. bekannt sind, wird hier nicht weiter auf die Bewegungen der positiven oder negativen Ladungsträger eingegangen, die zum Durchschalten in beide Richtungen notwendig sind. Dagegen ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die Durchsteuerung am Steuerübergang von der Injektion von Elektronen aus der Steuessne 19 abhängt, die stattfindet, wenn der Steueranschluß 3 negativ bezüglich dem .Anschluß 1 ist, während die G-S G-Dur ansteuerung auftritt, wenn aufgrund der Steuerspannung eine Ladungsträgerbewegung von der P-Zone 13 und eine Elektroneninjektion aus dem Emitterübergang J, einsetzt, welche sich bei einem positiven Steueransehluß 3 gegenüber dem inschluß 1 ergibt.

Im allgemeinen erfordert die Durehsteuerung am Steuerübergang einen geringeren Steuerstrom und eine geringere Steuerspannung als die G-SG-Durchsteuerung. Um den Steuerstrom und die Steuerspannung für die GSG-Durchsteuerung zu erniedrigen bzw. um eine nahezu symmetrische Durchsteuerungscharakteristik zu erhalten, wird mittels des Teils 21 der Steuerelektrode 2o der Steuerübergang Jj- kurzgeschlossen. Dadurch, daß nunniir der Steuerübergang Jj- nicht mehr mit dem für die GSG-Dur chsteuerung erforderlichen Strompfad in Serie liegt, werden Steuerstrom und Steuerspannung bei der GSG-Durchsteuerung erniedrigt. Aber selbst bei kurzgeschlossenem Steuerübergang J₁- kann die Durchsteuereharakteristik immer noch unsymmetrisch sein und höhere Steuerstrom- und Steuerspannungswerte ergeben. Zur weiteren Verbesserung dieser Verhältnisse wird daher

nach der !Teuerung der Vorteil ausgenutzt, daß die Stromdichte des Hauptemitters das Durchsteuern des Halbleiters cha It ers ■bewirkt. Um die Stromdichte des Hauptemitters mit einem verringerten Steuerstrom und einer verringerten Steuerspannung zu erhöhen, ist ein "begrenzter und räumlieh definierter Strompfad mit geringem Wi/derstand zwischen der Steuerelektrode 2o und dem Übergang J, hergestellt. Dieser Strompfad besteht aus einem relativ kleinen Teil 21 der Steuerelektrode 2o und dem Steg 22, der dicker (wenn man von der oberen Cfoe rflache bis zum übergang J-, unterhalb des Emitterübergangs J. mißt) als irgendein anderer Strompfad zwischen der !.Steuerelektrode und dem Emitterübergang J, ist. Da die Zonen 12 und 13 außerdem diffuHionsdotiert sind, ist der Strompfad auch kleiner, weil der Yerunreinigungsgrad an der oberen Oberfläche (Auf dem Steg 22) einen geringeren spezifischen Widerstand als weiter unten in Richtung des Überganges J-, einstellt.

Die Mg. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen begrenzten, räumlieh definierten Strompfad mit geringem Widerstand zwischan der Steuerelektrode und dem Hauptemitter, das im wesentlichen zu den gleichen Ergebnissen führt. Die lig. 3 ist eine Draufsicht auf einen Zweiweg-Halbleiterschalter, der den gleichen Querschnitt wie der Schalter nach der Mg. 1 aufweist und der auch sonst nahezu gleich ist. Der Unterschied des Halbleiterschaltsrs 3 zu dem Halbleiterschalter nach den Fig. 1 oder 2 besteht darin, daß der Strompfad 25 geringen Widerstades zwischen dem Steg 21 der Steuerelektrode 2o und dem Übergang J. dadureh hergestellt wird,

-lo-

daß innerhalb eines engen Streifens P+-Material eindiffundiert wird, das trotz des gleichen leitfähigkeitstyps einen wesentlich geringeren spezifischen Widerstand als das P-Material der Zone 13 hat. In diesem Pail sind keine Kerben zwischen der Steuerzone 19 und dem Hauptemitter 14 eingeätzt, obwohl beim Einätzen solcher Kerben 23 und 24 gemäß der Pig. 2 noch bessere Ergebnisse erzielt werden können.

Schließlich zeigt die Pigur 4 noch eine andere Möglichkeit zur Herstellung eines Strompades mit geringem Widerstand zwischen der Steuerelektrode und dem Übergang unter dem Hauptemitter. Hier ist die Steuerzone 19 mit einem Einschnitt 26 yersehen, der die angrenzende P-Zone 13 frei läßt. Eine Steuerelektrode 27 besteht in einer Aluminiumzuführung, die durch Fltraschallsehweißung derart an die Steuerzone angesehweißt ist, daß der frei liegende Teil der P-Zone 13 im Einschnitt der Steuerzone überbrückt wird. Auf diese Weise wird zwischen der Steuerelektrode 27 und der P-Zone 13 ein eng begrenzter Kurzschluß hergestellt, und da dieser relatiT klein und räumlieh definiert ist, ist der Strompfad zwischen der Steuerelektrode und dem Übergang 3» ebenfalls klein und räumlich definiert.

Claims

-11- Schutzansprüehe

1. Zweiweg-Harbleitersclialter zum Durchsehalten zwischen leitenaen und nichtleitenden Zuständen eines zwischen zwei Haupt elektroden liegenden Stromwegeis mittels einer Steuerelektrode, der einen Halbleiterkörper mit mehreren durch gleichrichtende Übergänge getrennte** Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthält, von denen die eine an der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers einen Haupt emitter darstellt^, und derart in einen Teil der nächsten angrenzenden Zone eingelassen ist, daß ein Teil derselben an dieser Oberfläche frei bleibt, während eine Steuerzone des gleichen leitfähigkeitstyps wie der Hauptemitter ebenfalls in die angrenzende Zone eingelassen ist und an die gleiche Oberfläche des Halbleiterkörpers angrenzt, wobei mit der Steuerzone und der angrenzenden Zone eine ohmsche Elektrode verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Teil der in die angrenzende Zone eingelassenen Steuerelektrode (X-9-) und dem gleichrichtenden Übergang (J,) zwischen den angrenzenden Zone (15) und dem Hauptemitter (14) ein begrenzter, räumlich definierter Strompfad (2X, 22) mit geringem Widerstand vorgesehen ist.

2. Zweiweg-Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch g ekennz e i ohne t:^ daß der Strompfad (ί^> 22) durch einen Steg (22) aus dsm Material der angrenzenden Zone (13) gebildet wird, der dicker als irgendein anderer Teil der angrenzenden Zone zwischen der Steuerelektrode CLQ-)* und dem Übergang (J^) ist, wenn zwischen der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers (Io) und dem Übergang (J-, ) gemessen wird, der zwischen der angrenzenden Zone (13) und der dem Hauptemitter (14) gegenüberliegenden Zone (11) liegt.

3. Zweiweg-Halbleiterschalter nach Anspruch 1, da durch gekennz eichnet, daß der Strompfad (27, 13) durch eine Steuerzone (19) mit einem relativ kleinen Einschnitt (26), der einen Teil der angrenzenden und in die Steuerzone hineinragenden Zone (15) frei läßt, und durch eine Steuerelektrode (27) hergestellt wird, die mit der Steuerzone in ohmsehem Kontakt ist, mindestens einen Teil des Einschnittes überbrückt und die angrenzende Zone (13) dort berührt, wo sie in die Steuerzone hineinragt.