DE2103146A1

DE2103146A1 - Mittels einer Gate Elektrode Steuer bares Schaltelement

Info

Publication number: DE2103146A1
Application number: DE19712103146
Authority: DE
Inventors: WoIfD Murrysville Pa Frobenius (V St A)
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1970-01-26
Filing date: 1971-01-23
Publication date: 1971-08-05
Also published as: FR2077332A7; FR2077332B3

Description

DiPL.-lNG. KLALJS NEU3E.CKER

Pat2ntr.nwai^f
4 Düsseldorf 1 ■ Schadowplatz 9

Düsseldorf, 22. Jan. 1971

41,336-A
7102

Westinghouse Electric Corporation
Pittsburgh, Pa., V, St. A.

Mittels einer Gate-Elektrode steuerbares Schaltelement

Die vorliegende Erfindung betrifft mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Halbleiter-Schaltelemente für hohe Stromstärken.

Es sind mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Halbleiter-Schaltelemente mit einer Mehrzahl von Kathodenbereichen, die jeweils von einem Gate-Bereich umgeben sind, bekannt, die so ausgelegt sind, daß damit theoretisch Ströme von 50 A oder mehr abgeschaltet werden können. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß im normalen Betrieb eine etwa gleichmäßige Aufteilung des Durchlaßstromes auf die Kathodenbereiche erfolgt, daß der Strom sich während des Sperrintervalls nach Zufuhr eines negativen Sperrimpulses jedoch nicht unbedingt gleichmäßig aufteilt.

Die für solche Schaltelemente maßgebliche Situation ist analog einer Gruppe parallel arbeitender mechanischer Schalter, die in einen Stromkreis mit konstanter Strombeiastung geschaltet sind. Wenn die Induktivität und/oder der Widerstand der Zuleitungen zu den Schaltern so niedrig ist, daß der Strom sich bei Sperrung der Schalter schneller wieder neu verteilen kann als Zeit zur Öffnung aller Schalter benötigt wird, so verbleibt ein letzter geschlossener Schalter, der den gesamten Strom führt. Wenn die Zuleitungen zu den einzelnen Schaltern eine genügend hohe Induktivität und/

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oder einen genügend hohen Widerstand haben, so sucht der Strom sich - je nach Größe der Impedanzen und/oder Widerstände im Verhältnis zur Last - gleichmäßiger auf die Schalter zu verteilen.

Die bekannten mittels einer Gate-Elektrode steuerbaren Halbleiter-Schalteinrichtungen enthalten keine Möglichkeit, um bewußt dafür sorgen zu können, daß der Strom sich bei Abschaltung im wesentlichen gleichmäßig auf die verschiedenen Kathodenbereiche verteilt. Die im Handel befindlichen Einheiten weisen nicht einmal eine Mehrzahl von Kathoden auf, so daß sie auf die Abschaltfähigkeit einer einzelnen Kathode beschränkt sind, d. h. typischerweise auf einen Scheitelwert von 10 A, maximal 30 A in einem sorgfältig ausgelegten Schaltkreis. Wenn höhere Ströme abschaltbar sein sollen, so sind dementsprechend mehrere Kathoden erforderlich. Wenn dann einer der Kathodenbereiche vor allen anderen Kathodenbereichen vollständig sperrt, so kann eine Umverteilung des Stromes auf dje andex-en Kathodenbereiche nur aufgrund der Geschwindigkeit, mit der der Strom in den anderen Kathodenbereichen ansteigt, verhindert werden, d. h. der Geschwindigkeit, mit der zusätzliche Ladungsträger in die Kathodenbereiche eindringen können, bzw. der Geschwindigkeit, mit der die Größe des leitenden Kathodengebietes beim Auftreten des Sperrimpulses vergrößert werden kann. Viele mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schaltelemente veisigen, weil zu viele Kathodenbereiche eher als die übgrigen vollständig sperren, so daß in dem letzten, noch im stromführenden Zustand verbleibenden Kathodenbereich ein Stromstoß hervorgerufen wird, der die Strombelastbarkeit dieses Bereiches übersteigt, so daß dieser Kathodenbereich ausbrennt und das Schaltelement zerstört wird.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist daher die Schaffung eines mittels einer Gate-Elektrode steuerbaren Schaltelemente^ bei dem für den Fall der Sperrung eine bessere Verteilung der Teilströme auf die einzelnen Kathodenbereiche als bisher gewährleistet ist, so daß sich damit auch höhere Ströme abschalten lassen, ohne daß es zu einer Zerstörung der Schalteinrichtung kommt.

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Zur Lösung dieser Aufgabe ist eine mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung für hohe Ströme, mit einer Halbleiterscheibe, die mehrere auf einer der Begrenzungsflächen der Scheibe angeordnete erste Bereiche eines Leitungstyps, einen zweiten Bereich entgegengesetzten Leitungstyps, der mit dem ersten Bereich einen pn-übergang bildet, einen mit dem zweiten Bereich einen pn-übergang bildenden dritten Bereich des erstgenannten Leitungstyps sowie einen mit dem dritten Bereich einen pn-übergang bildenden vierten Bereich entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, der sich von der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche der Halbleiterscheibe zu dem dritten Bereich hin erstreckt, mit einem an der einen Begrenzungsfläche der Halbleiterscheibe in gleichrichtendem Kontakt mit dem ersten bzw. zweiten Bereich angeordneten ersten und zweiten Kontakt, sowie mit einem an der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche der Halbleiterscheibe in nicht gleichrichtendem Kontakt mit dem vierten Bereich stehenden dritten Kontakt, wobei die ersten Bereiche durch einen Teil des zweiten Bereiches umgeben sind, erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter elektrischer Kontakt elektrisch leitend gleichzeitig an jedeiVder ersten elektrischen Kontakte angrenzt, der einen Teil der elektrischen Kathodenzuleitung bildet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der zugehörigen Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung für hohe Ströme nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Teil der Schalteinrichtung der Fig. 1 längs der Linie H-II;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete elektrische Kontaktanordnung für die Schalteinrichtung der Fig. 1;

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Fig. 4 einen Teilschnitt durch einen Bereich einer elektrischen Schalteinrichtung entsprechend der Schalteinrichtung der Fig. 1;

Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine elektrische Schalteinrichtung mit dem Aufbau der Fig. 1;

Fig. 6 eine Draufsicht auf eine gegenüber Fig. 1 etwas abgewandelte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7,

8 und 9 Querschnitte durch verschiedene Ausführungen von Kontaktanordnungen für ein Schaltelement mit dem Aufbau der Fig. 6;

Fig. 10 eine Draufsicht auf ein gegenüber dem Schaltelement der Fig. 6 weiter abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 11 eine Teildraufsicht auf eine erfindungsgemäße Weiterbildung des Schaltelementes der Fig, 6;

Fig. 12 einen Teilschnitt durch das Schaltelement der Fig. 11 längs der Linie XII-XII;

Fig. 13 eine Teildraufsicht auf eine erfindungsgeraäße Weiterbildung des Schaltelementes der Fig. 10;

Fig. 14 einen Teilschnitt durch das Schaltelement der Fig. 13 längs der Linie XIV-XIV; und

Fig. 15

und 16 in vergrößertem Maßstab Teilschnitte durch etwas abgewandelte Ausführungen der Fig. 10.

Im einzelnen zeigen Fig. 1 und 2 einen Kathodenaufbau einer mittels einer Gate-Elektrode steuerbaren Halbleiter-Schalteinrichtung für hohe Stromstärken, die ein Halbleiterelement 10 mit

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einer Mehrzahl jeweils von einem Gate-Bereich 14 umgebener Kathodenbereiche 12 aufweist. Das Halbleiterelement 10 ist von einer Halbleiterscheibe gebildet, auf deren Oberseite sich im Abstand voneinander die Kathodenbereiche 12 erstrecken. Darunter schließen sich der Gate-Bereich 14, ein Basisbereich 16 und ein Emitterbereich 18 an. An seiner Oberseite ist das Halbleiterelement 10 durch eine obere Begrenzungsfläche 20, an seiner Unterseite durch eine untere Begrenzungsfläche 22 abgeschlossen. Das Halbleiterelement 10 kann einen pnpn- oder einen npnp-Aufbau haben, und zwischen den aneinander angrenzenden Bereichen 12 und 14, 14 und 16 sowie 16 und 18 entgegengesetzter Leitfähigkeit ergeben sich dementsprechend pn-Übergänge 24, 26 bzw. 28. Entsprechend Fig. 1 bzw, 2 ν/eist das Halbleiterelement 10 Mesa-Struktur auf, so daß die Oberseiten der Kathodenbereiche 12 über die obere Begrenzungsfläche 20 des Halbleiterelementes 10 und damit auch die Oberseite des Gate-Bereiches 14 hinausragen. Auf die Darstellung weiterer Bearbeitungseinzel»heiten wie etwa die Bildung des konischen Kantenverlaufes sowie die Beschichtung der Umfangsfläche des Halbleiterelementes 10 wird hfer bewußt verzichtet, weil eine solche Bearbeitung allgemein bskannt und für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung ist.

Jeder der Kathodenbereiche 12 hat eine im wesentlichen konstante, gleichbleibende Breite, um den Gate-Vorgang unterhalb jedes einzeInen zusammenhängenden Kathodenbereiches 12 auszulösen. Erste, aus einer Lage elektrisch leitenden Metalls wie etwa Aluminium, Gold, Silber o. dgl. bestehende elektrische Kontakte 30 sind jeweils mit den Kathodenbereichen 12 elektrische verbunden. In ähnlicher Weise sind zweite elektrische bzw. Gate-Kontakte 32, die ebenfalls aus elektrisch leitendem Metall wie etwa Aluminium, Gold, Silber o. dgl. bestehen können, jeweils mit einem Teil der Bereiche 14 elektrisch verbunden.

Hinsichtlich einer dataillierteren Beschreibung der Herstellung des Halbleiterelementes 10 ist auf die auf die gleiche Anmelderin zurückgehende frühere Patentanmeldung P 20 64 110.5 vom 28.12.70 hinzuweisen.

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Das soweit beschriebene Halbleiterelement 10 eignet sich für den Einsatz in einem elektrischen, durch Druckkapselung zusammengehaltenen Schaltelement, bei dem eine zentral gezündete Gate-Elektrode unter Federvorspannung in elektrischem Druckkontakt mit dem Kontakt 32 des Gate-Bereiches 14 gehalten wird. Die Gate-Elektrode 34 ist in einer großflächigen Kathodenelektrode angeordnet, die durch Federdruck an die Kontakte 30 der Kathodenbereiche 12 angedrückt wird. Praktisch grenzt der gesamte Oberflächenbereich der Kontakte 30 an die großflächige Kathodenelektrode an, so daß die mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung mit dem Halbleiterelement 10 Ströme von bis zu 90 A in weniger als 2 MikroSekunden abschalten kann.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß sich mit demselben Halbleiterelement 10 ein wesentlich größerer Strom abschalten läßt, wenn nur ein Teil der Oberfläche der einzelnen Kontakte 30 von der Kathodenelektrode erfaßt wird. Wie mit Fig. 1 gezeigt, haben die Kathodenbereiche 12 jeweils einen bogenförmigen Verlauf, wobei sie in vier Gruppen unterteilt sind. Mit jeder Gruppe steht eine Kathodenelektrode 24 über einen Teil der Oberfläche der Kontakte 30 der einzelnen Kathodenbereiche 12 elektrisch in Verbindung. Die Elektroden 34 können mit den Kontakten 30 durch Federvorspannung allein und/oder durch feste Verbindung entweder mit einer Gruppe von Kontakten 30 oder einer großflächigen Kathodenelektrode in Kontakt gehalten werden. Vorzugsweise sind die Elektroden 34 in der mit Fig. 3 wiedergegebenen Weise Bestandteil einer Kontaktanordnung 50, die eine genaue Ausrichtung der Elektroden 34 im Verhältnis zu den Kontakten 30 ohne Befestigung der Elektroden 34 an einer großflächigen Kathodenelektrode oder einem Kontakt 30 ermöglicht. Die Kontaktanordnung 50^hat einen Grundkörper 52 aus elektrisch isolierendem Material, in dem eine Mehrzahl von Schlitzen 54 sowie eine Öffnung 56 vorgesehen sind, die jeweils übeijfclle gesamte Höhe des Grundkörpers 52 reichen. Die Elektroden 34 können dann in den Schlitzen 54 untergebracht sein und von diesen gehalten werden, so daß eine genaue Ausrichtung im Verhältnis zu dem HalbleiteißLement 10 gewährleistet ist. Die Kontakte 34 bestehen aus einem geeigneten elektrisch leitenden Metall

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wie etwa Kupfer, Gold, Silber, Aluminium oder Legierungen daraus.

Es ließ sich feststellen, daß das Halbleiterelement 10 bei der besonderen Anschlußweise entsprechend Fig. 1 bzw. 2 in der Lage ist, Ströme von 150 A undmehr in weniger als 2 MikroSekunden abzuschalten. Dies trifft auch dann zu, wenn infolge von Herstellungsungenauigkeiten nicht alle Kontakte 30 im wesentlichen in derselben Ebene liegen, sondern die Elektroden 34 zwar an einige Kontakte 30 unmittelbar angrenzen, mit anderen Kontakten 30 dagegen nur einen punktförmigen Übergang bilden und schließlich mit einigen weiteren Kontakten.30 der entsprechenden Gruppe Kathodenbereiche 12 überhaupt nicht in elektrischer Verbindung stehen. Es scheint, daß der Strom sich mit den den Sperrstrom führenden Kathodenbereichen in zufriedenstellendei Weise beherrschen läßt, ohne daß es zu einem Ausbrennen kommt. Wenn die Elektroden 34 an jedem der Kontakte 30 der entsprechenden Gruppe von Kathodenbereichen 12 unter elektrischer Kontaktbildung voll anliegen, so ist es möglich, mit dem Halbleiterelement 10 Ströme von 200 A abzuschalten.

Für die Herstellung des Grundkörpers 52 eignet sich Material, wie es für Grundplatten mit elektrischen Bauelementen und gedruckte Schaltungsplatten infrage kommt, beispielsweise geschichtetes Papier sowie Gewebe und Fiberglas, diqmit einem Phenol- oder Mela- Ji minharz getränkt sind. Der Grundkorper 52 weist dann eine genügend ^ große Druckfestigkeit auf, um einer Verformung infolge Druckbeanspruchung zu widerstehen. Die Elektroden 34 sollen an der Ober- und Unterseite des Grundkörpers 52 leicht überstehen, so daß sich zwischen einer Kathodenzuleitung und den an die Elektroden 34 angrenzenden Kathodenbereichen 12 des Halbleiterelementes 10 ein guter elektrischer Kontakt ergibt.

Wenn jedoch aus Konstruktionsgründen zur Aufrechterhaltung eines guten elektrischen Kontaktes mit den Kathodenbereichen 12 und dem Gate-Bereich 14 sowie zwischen dem Eraitterbereich 18 und einem dritten elektrischen Kontakt Druckkräfte erforderlich sind, durch die das Halbleiterelement 10 infolge der Spannungskonzen-

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trationen in den kleinen Kontaktflächen zwischen den Elektroden 34 und den Kontakten 30 zu Bruch gehen könnte, so wird der Grundkörper 52 vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das bei Druckbeanspruchung ein Kaltfließen ermöglicht. Das Kaltfließen erfolgt nur in einem bestimmten Umfang, um dann im wesentlichen aufzuhören, so daß der Grundkörper 52 sich dann als starres Element verhält. Wenn der Grundkörper 52 diesen einem starren Körper entsprechenden Zustand angenommen hat, so überträgt das Material der Kontaktanordnung 50 an einer der beiden Fläche 58 bzw. 60 angreifende Kräfte, ohne das es zu einem weiteren nennenswerten Kaltfließen kommt. Im Betrieb eines durch Druckkapselung zusammengehaltenen elektrischen Schaltelementes bei einer Temperatur von 200° C bis 250° C, vorzugsweise jedoch weniger, und einem vorzugs-

weise mehr als etwa 56 kg/cm betragenden Druck soll die zulässige weitere Verformung des Grundkörpers 52 so gering wie möglich bleiben,um die Funktionsfähigkeit des elektrfe chen Schaltelementes mit dem Halbleiterelement 10 und der Kontaktanordnung 50 zu gewährleisten.

Bevorzugte Materialien mit diesen gewünschten Eigenschaften sind Polytetrafluoräthylen und Trifluoräthylen. Diese beiden Materialien weisen außer den vorgenannten gewünschten Eigenschaften auch ein gutes elektrisches Isolierverhalten für durch Druckkapselung zusammengehaltene elektrische Schalteinrichtungen mit Arbeitstemperaturen bis zu etwa 250° C auf.

Ein Beispiel für den Einsatz eines teilweise deformierbaren Grundkörpers 52 in der Kontaktanordnung 50 zeigt Fig. 4. Das Halbleiterelement 10 (Halbleiterscheibe) ist mit einem elektrisch leitenden Stützkörper 62 verbunden, der das Halbleiterelement 10 fest hält. Der Stützkörper 62 hat gute elektrische und thermische Eigen-

das
schäften, außerdem ein eng an/das Halbleiterelement 10 bildende Material angepaßtes thermisches Verhalten. Die Verbindung des Halbleiterelementes 10 mit dem Stützkörper 62 kann über eine Schicht 64 aus einem geeigneten Hart- oder Weichlot erfolgen, wie es allgemein bekannt ist.

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Als Lotmaterial für die Schicht 64 kann beispielsweise eine Silber- , eine Gold-/Zinn- , eine Silber-ZBleiantimon- oder eine Gold-/Germaniumlegierung mit einem Schmelzpunkt über 350° C und größerer Festigkeit und Härte als die allgemein üblichen Legierungen von Blei und Zinn dienen. Ein solches Lotmaterial ist als Hartlot bekannt. Es kommt aber auch die Verwendung eines sog. Weichlots mit einem unterhalb etwa 350° C liegenden Schmelzpunkt infrage. Solche Weichlote sind üblicherweise Blei~/Zinnlegierungen, jedoch muß dies nicht notwendigerweise der Fall sein.

Das im Einzelfall verwendete Lot hängt naturgemäß von&em zu erwartenden Arbeitstemperaturbereich des Elementes 10 sowie den besonderen, an die ohmschen Kontakte zu stellenden Anforderungen ab.

Das mit dem Stützkörper 62 vereinigte Halbleiterelement 10 ist innerhalb eines hermetisch abgeschlossenen Teils einer durch Druckkapselung zusammengehaltenen elektrischen Schaltanordnung mit einer die Außenseite des Gehäuses begrenzenden Wandung 166 eingeschlossen. Der Stützkörper 62 ruht auf einer Abstützung 112 mit einem Umfangsflansch 114 und einer oberen Befestigungsfläche 118 auf. Der Urafangsflansch 114 hat eine obere Schulterfläche 122, und ein nach oben ragender Aufsatz 116 ist durch eine Umfangsflache 124 begrenzt.

Die Abstützung 112 besteht aus Kupfer, Silber, Aluminium oder Legierungen daraus oder auch eisenhaltigen Legierungen, Kupfer sowie Messing als Legierung auf der Basis von Kupfer haben sich für diesen Zweck als besonders geeignet erwiesen.

Die Wandung 166 begrenzt ein in der Zeichnung aufwärts gerichtetes hohlzylindrisches Gehäuse 126, das mit der Abstützung 112 verbunden ist. Dies innere Umfangsflache des zylindrischen Gehäuses 126 entspricht der seitlichen Umfangsflache 124 des Aufsatzes 116. Zur Befestigung des zylindrischen Gehäuses 126 und der Abstützung 112 kann jedes geeignete Material dienen, beispielsweise ein zwischen der Schulterfläche 122 sowie der seitlichen Umfangsflache

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124 der Abstützung 112 sowie dem gegenüberliegenden Abschnitt des zylindrischen Gehäuses 126 angefipdnetes Lot 128.

Eine auf der Innenseite der Wandung 166 angeordnete Ringnut 130 ist in Nähe des Endes der Wandung 166 bzw. des Gehäuses 126 angeordnet, das dem mit der Abstützung 112 verbundenen Ende abgewandt ist» Ein nach oben vorspringender integraler Bund 132 bildet den oberenkbschluß der Wandung 166. Längs der oberen Begrenzungsfläche des zylindrischen Gehäuses 126 verläft eine ringförmige integrale Schweißnaht 134.

Das zylindrische Gehäuse 126 besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff auf Eisenbasis, obwohl andere geeignete Materialien, insbesondere Metalle, Verwendung finden können.

Der podestartige Aufsatz 116 der Abstützung 112 mit der oberen Begrenzungsfläche 118 ist zwar nicht unbedingt erforderlich, stellt jedoch eine vorteilhafte Ausführungsform der Abstützung 112 dar. Durch den Aufsatz 116 wird die Befestigungsfläche 118 für das Halbleiterelement über den Bereich hinaus angehoben, in dem zylindrisches Gehäuse 126 und Abstützung 112 aneinander angrenzen. Auch geringe überschüssige Mengen an Lot 128 können die Befestigungsfläche 118 daher nicht beeinträchtigen, so daß unter normalen Umständen keine weitere abschließende Behandlung der Befestigungsfläche 118 erforderlich ist. Sollte eine solche Abschließende Bearbeitung der Befestigungsfläche 118 bzw. eines daran angeschlossenen Teils doch erforderlich sein, so steht genügend Spielraum zur Verfügung, um dort eine Bearbeitung mittels eines Werkzeuges vorzunehmen,ohne die Innenfläche des zylindrischen Gehäuses 126 zu beschädigen.

Das Halbleiterelement 10 ist oberhalb der Befestigungsfläche 118 des Aufsatzes 116 der Abstützung 112 angeordnet.

Der dazwischen liegende Stützkörper 62 ist von der Befestigungsfläche 118 durch eine nichtreagierende, verformbare und sowohl elektrisch als auch thermisch leitende Schicht 146 getrennt. Als

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Material für die Schicht 146 kommt Gold, Silber, Zinn oder Aluminium infrage. Diese Schicht 146 sorgt für einen Ausgleich gegenüber evtl. in der Befestigungsfläche 118 enthaltenen Unregelmäßigkeiten. Sie kann auf die Befestigungsfläche 118 in jeder geeigneten Form aufgebracht werden, beispielsweise durch elektrolytischen Niederschlag oder als vorgeformte Scheibe aus geeignetem Metall, die dann mit der Befestigungsfläche 118 vereinigt und entsprechend den speziellen Erfordernissen gestaltet wird.

Wie mit Fig. 4 gezeigt, kann die Kontaktanordnung 50 auf dem Halbleiterelement 10 und unterhalb einer Mehrfachkontaktanordnung 70 angeordnet sein. Die Mehrfachkontaktanordnung 70 weist eine ^l großflächige Kathodenzuleitung 72 und eine Gate-Elektrode 74 auf, die in einer Axialbohrung 76 angeordnet, aber von dieser durch einen Isoliereinsatz 78 elektrisch getrennt ist.

nach

An die Kathodenzuleitung 72 schließt sich/oben hin ein gegebenenfalls damit integraler elektrischer Leiter 80 an. Die Axialbohrung 76 setzt sich teilweise durch den Leiter 80 hindurch nach oben fort, um dann in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise in eine seitliche Öffnung 82 auszumünden. Die Gate-Elektrode 74 folgt mit dem isolierenden Einsatz 78 dem Verlauf der Axialbohrung 76 und tritt durch die seitliche Öffnung 82 aus. An ihrem unteren Ende steht die Gate-Elektrode 74 elektrisch mit dem Kontakt 30 in Verbindung.

Oberhalb der Mehrfachkontaktanordnung 70 liegt eine Isolierscheibe 154, die den Leiter 80 umgibt. Die Isolierscheibe 154 besteht aus Keramik, Mika, Glas, Quarz oder Fluorocarbon.

Oberhalb der Isolierscheibe 154 umgibt den elektrischen Leiter eine Druckscheibe 156, an die mindestens eine Federscheibe 158 angrenzt. In der Ringnut 130 sitzt ein etwa nach Art eines Sprengringes ausgebildeter Haltering 160,an dem sich die Federscheibe 158 abstützen kann, um so über die Druckscheibe 156 und die Isolierscheibe 145 einen Druck auf die Kathodenzuleitung 72, das Halbleiterelement 10, den Stützkörper 62 sowie die Befestigungsfläche

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auszuüben und damit für eine einwandfreie elektrische Verbindung zwischen den einzelnen^nelnander angrenzenden Elementen sicherzustellen. Bei Bedarf kann die erwähnte mindestens eine Federscheibe 158 durch weitere gleichartige weitere Federscheiben ergänzt sein.

Zur Vervollständigung des zylindrischen Gehäuses 126 zu einem geschlossenen Gehäuse ist ein Kopfstück 162 vorgesehen, das an seinem unteren Ende in ein Flanschstück 164 übergeht.

Das Kopfstück 162 ist über das Flanschstück 164 mit dem zylindrischen Gehäuse 126 durch die ringförmige Schweißnaht 134 verbunden. Der Bund 132 dient dabei zur Ausrichtung des Kopfstückes 162 beim Zusammensetzen und Verbinden von Kopfstück 162 und Gehäuse 126.

An ihrem unteren Ende setzt sich die Abstützung 112 in e inen gegebenenfalls mit ihr integralen Stutzen 168 fort, über den das Bauelement mit eine*m elektrischen Leiter sowie einem Kühlkörper verbunden werden kann.

Entsprechend Fig. 1 haben die Kathodenbereiche 12 einen gebogenen Verlauf. Jedoch können die Kathodenbereiche auch anders ausgestaltet sein, wie das etwa in Fig. 6 für das dort mit 200 bezeichnete Halbleiterelement gezeigt ist. Die Kathodenbereiche verlaufen hier speichenartig in hier radialer Richtung und haben über ihre gesamte Länge eine gleichblebende konstante Breite. Jeder Kathodenbereich 202 steht mit einem elektrischen Kontakt 204 in Verbindung. Außerdem sind die einzelnen Kathodenbereiche 202 wieder längs ihres gesamten Umfangs durch Teile eines Gate-Bereiches 206 umgeben, an den ein elektrischer Kontakt 208 angeschlossen ist. An ihren Enden sind die Kathodenbereiche 202 jeweils abgerundet. Der zwischen benachbarten Kathodenbereichen liegende Teil des Gate-Bereiches 206 ist groß genug, um überschüssige Ladungsträger gleichförmig von den unterhalb der elektrischen Kontakte 204 liegenden Bereichen 202 und im wesentlichen auch gleichzeitig abzuführen, um ein Ausbrennen des Halbleiterelementes 200 zu verhindern. Im übrigen ist der Aufbau des HaIb-

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- 13 leiteräementes 200 der gleiche wie für das Halbleiterelement

Die elektrische Leistungsfähigheit des Halbleiterelementes 200 wird zum größten Teil durch Verwendung eines kreisförmigen oder unterlegscheibenartigen elektrischen Kontaktes 210 ausgenutzt. Der Kontakt 210 braucht nur an die Kontakte 204 angedrückt zu werden, kann jedoch auch in Dauerverbindung mit diesen stehen. Es wurde gefunden, daß durch diese Abwandlung Ströme gesperrt werden können, die 50% größer als die Ströme sind, die sich mit Hilfe eines Halbleiterelementes entsprechend Fig. 6, das aber mit einer Kontaktanordnung nach dem Stand der Technik zusammenarbeite¹^ r abschalten lassen. Diese Möglichkeit, hohe Ströme abzuschalten, W wird in unerwarteter Weise wieder unabhängig davon erhalten, wo der elektrische Kontakt 210 an die Kontakte 204 der Bereiche angreift, wie das mit den Fig. 7-9 angedeutet ist. Auch in diesem Fall gilt dies auch dann wieder, wenn einer oder mehrere der elektrischen Kontakte 204 mit dem elektrischen Kontakt 210 nur mangelhaft oder sogar überhaupt nicht in Berührung stehen. Das zeigt, daß die maximale elektrische Leistungsfähigkeit des Halbleiterelementes 200 nicht voll ausgentutztwird.

Der Kontakt 210 kann durchgehend ausgebildet sein oder aus zwei bzw. mehreren gebogenen Teilstücken zusammengesetzt sein. Die Kontaktanordnung 50 ist entsprechend angepaßt, so daß der Kontakt M 210 anstelle der Elektrode 34 von ihr aufeenommen werden kann. ™

Das Element 200 wird in der gleichen Weise wie das Element 10 in ein elektrisches Schaltelement eingebaut.

Wenn nur ein elektrischer Kontakt an einem Ende oder in der Mitte der einzelnen Kathodenbereiche 202 hergestellt wird, so lassen sich mit der Anordnung der Fig. 6 bis zu 90 A sperren, wogegen man mit dem gleichen Halbleiterelement, jedoch einer Kontaktanordnung nach dem Stand der Technik, mit der die gesamte Kontaktfläche der Kontakte 204 erfaßt wird, nur 50 A oder weniger sperren kann,

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Mit Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform eines hier mit 250 bezeichneten und gegenüber dem Halbleiterelement 200 weiter abgewandelten Halbleiterelementes wiedergegeben. Das Halbleiterelement 250 ist durchweg in der gleichen Weise wie das Halbleiterelement 200 ausgebildet, mit dem Unterschied, daß zwischen benachbarten Kathodenbereichen 202 zusätzliche kürzere Kathodenbereiche 252 angeordnet sind. Die Kathodentereiche 252 haben genau die gleiche Breite wie die einzelnen Kathodenbereiche 202 und weisen dabei auch dieselbe konstante, gleichförmige Breite über ihre gesamte radiale Länge auf, abgesehen von den Abrundungen an ihren Enden. An jeden der Bereiche 252 ist ein einzelbner elektrischer Kontakt 254 angeschlossen. Ebenso wie die einzelnen Bereiche 202 sind auch die Bereiche 252 jeweils vollständig durch einen Teil des Gate-Bereiches 206 umgeben.

Wenn der elektrische Kontakt 210 sicb/in der mit 210" angedeuteten Lage befindet, so kann das Element 250 in der gleichen Weise wie das Element 200 Ströme bis zu 90 A abschalten. Dies trifft ebenfalls auch dann wieder zu, wenn der Kontakt 210" nicht alle Kontakte 254 berührt oder aber mit diesen nur mangelhaft verbunden ist.

Nimmt der Kontakt 210 die mit 210'bezeichnete Lage ein, so kann das Element 250 Ströme über 150 A und bis zu 200 A abschalten, und zwar auch hier wieder, wenn der Kontakt 210 nicht alle Kontakte 254 und 204 berührt oder mit diesen jedenfalls nur mangelhaft verbunden ist. Im übrigen kann das Element 250 in der gleichen Weise wie das Element 200 bzw. das Element 10 in eine elektrische Schalteinrichtung eingesetzt werden.

Mit den Fig. 11 und 12 sowie 13 undA.4 ist eine weiter abgewandelte Ausführungsform der Halbleiterelemente 200 bzw. 250 veranschaulicht, bei denen Schaltelemente 300 bzw. 350 hoher Leistung an sich die gleichen Merkmale wie die Halbleitereleraente 200 bzw. 250 aufweisen, sich jedoch hinsichtlich der Kontaktierung der entsprechenden Bereiche 202 und 252 unterscheiden. Bei dem Schaltelement 300 gehen die einzelnen Kathodenbereiche 202 an ihren

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äußeren Enden jeweils unmittelbar ineinander über. Ein elektrischer Kontakt 304 ist elektrisch mit diesem zusammenhängenden Kathodenbereich 302 verbunden. Der elektrische Kontakt 210 steht mit dem äußeren Umfangsbereich des Kontaktes 304 in Verbindung. Diese Art der Kontaktierung des Kathodenbereiches 302 ist als günstig anzusehen, weil anzunehmen ist, daß bei dieser Kathodenform die überschüssigen Elektronen gleichmäßiger aus dem Bereich unterhalb des Kontaktes 304 als bei den anderen zuvor beschriebenen Kathodenformen abgezogen werden können. Außerdem ist der Kontakt 210 hier über seine gesamte Ringlänge durch das äußere Umfangsgebiet des Kontaktes 304 abgestützt. Ein elektrisch isolierendes und leicht deformierbares Druckstück 308, das aus einem der Materialien besteht, wie sie auch für den Grundkripper 52 Verwendung finden sollen, kann zur gleichmäßigeren Verteilung der Druckkraft F^f auf das Halbleiterelement dienen.

In ähnlicher Weise wie das HalbleiteräLement 200 abgewandelt wird, um das Schaltelement 300 zu erhalten, kann das Halbleiterelement 250 eine Abwandlung erfahren, um zu dem Schaltelement 350 zu gelangen. Die Kathodenbereiche 202 und 252 gehen an ihren äußeren Umfangsenden unmittelbar ineinander über, so daß ein zusammenhängender Kathodenbereich 352 entsteht. An den Bereich 302 ist ein elektrischer Kontakt 304 angeschlossen, und der ringförmige Kontakt 210 verbindet die Zuleitung 72 unter. Druckeinwirkung mit dem Kontakt 304. Zwischen der Zuleitung 72 und dem Kontakt 304 kann ein leicht verformbares Druckstück 308 angeordnet sein, um den Druck F* wieder gleichmäßiger über das Halbleiterelement zu verteilen. Das Druckstück 308 besteht aus elektrisch isolierendem Material, wie es auch für den mit dem Halbleiterelement 10 zusammenwirkenden Grundkörper 52 verwendet wurde.

Mit Fig. 15 ist ein Hochlefetungsschaltelement 400 wiedergegeben, das eine Abwandlung des Halbleiterelementes 250 darstellt. Die Bestandteile des Hochleistungsschaltelementes 400 sind die gleichen wie bei dem Halbleiterelement 250, jedoch erfolgt hier die elektrische Kontaktierung der Bereiche 202 auf andere Weise. Bei dem Hochlefe tungssschaltelement 400 sind die elektrischen Kontakte

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204 und 210 miteinander integral, so daß sie eine Mehrzahl von elektrischen Kontakten 402 bilden, die jeweils an einen Kathodenbereich 202 angeschlossen sind. Die elektrische Kathodenzuleitung 72 und die Gruppe von Kontakten 402 werden vorzugsweise durch die miHfteinander in Richtung der gezeigten Pfeile zusammenwirkenden Druckkraft F und F* in gegenseitiger Verbindung gehalten. Wie in Fig. 15 gezeigt, kann der Gate-Bereich 206 des Hochleitsungsschaltelementes 400 mit der Gate-Elektrode 74 in Verbindung stehen, die an einem Teil des elektrischen Kontaktes 208 unter der Einwirkung der in Richtung der gezeigten Pfeile zusammenwirkenden Kräfte F und F¹ anliegen, so daß auch an dieser Stelle ein elektrischer Druckkontakt erhalten wird.

Jeder der Kontakte 402 weist einen Abschnitt 404 auf, der über den Kontakt 402 hinausragt und an der Kathodenzuleitung 72 anliegt. Wie die elektrischen Kontakte 210, so kann auch der Abschnitt an jeder Stelle des elektrischen Kontaktes 402 angeordnet sein. Insgesamt wirken die Abschnitte 404 wie ein geschlossener ringförmiger Kontakt 210.

Um die Druckbeanspruchung des Kontaktes 72 güchmäßiger auf das Halbleiterelement zu verteilen, kann ein leicht verformbares Druckstück 406 aus dem gleichen Material wie der Grandkörper 52 in der mit Fig. 16 gezeigten Weise zumindest unterhalb des Kontaktes 72 angeordnet sein.

Zur Zeit ist anzunehmen, daß durch die Kontaktierung jeweils nur eines kleinen Bereiches der elektrischen Kontakte der Kathodenbereich/^eine bessere und gleichförmigere elektrische Leitung ergibt, so daß die Strombelastbarkeit von Schalteinrichtungen nach der Erfindung gegenüber entsprechenden Schalteirr ichtungen nach dem Stand der Technik mit großflächigen Kontakten auf das Zweibis Dreifache erhöht werden kann. Diese Ergebnisse ließen sich wiederholt auii dann ermitteln, wenn, wie zuvor beschrieben, einige der Kathodenbereiche mit den kleinflächigen Kathodenkontakten nach der Erfindung gar nicht oder nur mangelhaft in Verbindung standen.

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Claims

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Patentansprüche ;

1, Mittels einer Gate-Elektrode steuerbare Schalteinrichtung für

- hohe Ströme, rait einer Halbleiterscheibe, die mehrere auf einer der Begrenzungsflächen der Scheibe angeordnete erste Bereiche eines Leitungstyps, einen zweiten Bereich entgegengesetzten Leitungstyps, der mit dem ersten Bereich einen pn-übergang bildet, einen mit dem zweiten Bereich einen pn-übergang bildenden dritten Bereich des erstgenannten Leitungstyps sowie einen mit dem dritten Bereich einen pn-übergang bildenden vierten Bereich entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, der . sich von der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche der Halb- äk leiterscheibe zu dem dritten Bereich hin erstreckt, mit einem an der einen Begrenzungsfläche der Halbleiterscheibe in gleichrichtendem Kontakt mit dem ersten bzw, zweiten Bereich angeordneten ersten und zweiten Kontakt, sowie mit einem an der gegenüberliegenden Begrenzungsfläche der Halbleiterscheibe in nicht gleichrichtendem Kontakt mit dem vierten Bereich stehenden dritten Kontakt, wobei die ersten Bereiche durch einen Teil des zweiten Bereiches umgeben sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein vierter elektrischer Kontakt elektrisch leitend gleichzeitig an jeden der ersten elektrischen Kontakte angrenzt, der einen Teil der elektrischen Kathodenzuleitung bildet,

2, Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ^j der vierte elektrische Kontakt zwei oder mehr getrennte elektrische Kontakte aufweist, die gleichzeitig nur an einen gesonderten bestimmten Teilbereich der ersten elektrischen Kontakte angrenzen,

3, Schalteinrichtung nach Anspruch 2, bei der die ersten Bereiche einen gebogenen Verlauf haben, ■ dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder mehr gesonderten elektrischen Kontakte sich in radialer Richtung von dem zentrischen Bereich der einen Begrenzungsfläche aus erstrecken,

daß

4, Schaltungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichneV,

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die ersten Bereiche sich um denizentrischen Bereich der einen Begrenzungsfläche in radialer Richtung erstrecken und daß der vierte elektrische Kontakt zwei oder mehr gesonderte, bogenförmig verlaufende Kontakte aufweist, die gleichzeitig nur an einen gesonderten bestimmten Bereich der ersten elektrischen Kontakte angrenzen und in radialer Richtung äquidistant von dem zentrischen Bereich der Begrenzungsfläche angeordnet sind.

5. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche zwei Gruppen abwechselnd abgeordneter radialer langgestreckter Streifen aufweisen, von denen die Streifen der ersten Gruppe länger als die Streifen der zweiten Gruppe sind, und daß der vierte elektrische Kontakt zwei oder mehr gesonderte bogenförmige elektrische Kontakte aufweist,

an
die gleichzeitig nur/einen gesonderten bestimmten Bereich der ersten elektrischen Kontakte der beiden Gruppen abwechselnd angeordneter radialer langgestreckter Streifen angrenzen und in radialer Richtung äquidistant von dem zentralen Bereich der einen Begrenzungsfläche angeordnet sind.

6, Schalteinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte elektrische Kontakt ringförmig ausgebildet und in einem bestimmten Abstand von dem zentrischen Bereich der einen Begrenzungsfläche angeordnet ist.

7. Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, gekennzeichnet durch auf den vierten elektrischen Kontakt einwirkende und dabei einen elektrischen Druckkontakt zwischen dem vierten elektrischen Kontakt und dem ersten elektrischen Kontakt schaffende Druckmittel.

8. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Bereiche dieselbe Länge haben oder o zwei Gruppen abwechselnd angeordneter, radialer langgestreckter Streifen aufweisen, daß die ersten langgestreckten Streifen der einen Gruppe eine größere Länge als die langgestreckten Streifen der anderen Gruppe haben, daß die elektrischen Kon-

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takte einen integralen Bereich aufweisen, der über den übrigen Bereich dieser Kontakte hinausragt, und daß der vierte elektrische Kontakt nur an den integralen vorragenden Teilen der ersten Kontakte anliegt.

9. Schalteinrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch auf den vierten elektrischen Kontakt wirkende und dabei einen elektrischen Druckkontakt zwischen dem vierten elektrischen Kontakt und dem integralen' hinausragenden Teil der einzelnen ersten elektrischen Kontakte bildende Druckmittel.

10. Schalteinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen mindestens einem Teil des vierten Kontakte s und mit diesem nicht in unmittelbarer Berührung stehenden Bereichen der ersten Kontakte ein leicht verformbares Druckstück (4°6) angeordnet ist.

11. Schalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die ersten Bereiche in radialer Richtung um den zentrischen Bereich einer Begrenzungsfläche angeordnet sind, daß benachbarte erste Bereiche unmittelbar durch Bereiche gleicher Halbleitfähigkeit miteinadner verbunden sind, so daß sie einen in sich zusammenhängenden Bereich bilden, und daß die ersten elektrischen Kontakte räumlich durchfelektrisches Kontaktmaterial miteinander verbundenfeind, das mit den Bereichen gleicher Halbleitfähigkeit elektrisch in Verbindung steht und auf diesen angeordnet ist, so daß der elektrische Kontakt für den einen ersten Bereich gebildet wird.

12. Schalteinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der vierte elektrische Kontakt eine ringförmige Gestalt hat und mit dem Bereich der ersten elektrischen Kontakte elektrisch in Verbindung steht, der im Verhältnis zu dem Teil des vierten elektrischen Kontakte s ausgericltet und mit diesem räumlich vereinigt ist, der an die die ersten Bereiche miteinander verbindenden Bereiche gleicher Halbleitfähigkeit angeschlossen ist.

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13. Schalteinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche gleicher Halbleitfähigkeit die ersten Bereiche im äußeren Umfangsgebiet der ersten Bereiche räumlich miteinander verbinden.

14, Schalteinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

1 - 13, dadurch gekennzeichnet, daß der erste, zweite, dritte und vierte Bereich n- , p- , n- bzw. p-leitend ist und die ersten, zweiten und dritten Kontakte die Kathoden-, Emitter-, Gate- bzw. Anodenkontakte bilden.

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