DE2104726A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel
DipHng. Woiiycng Rsichel

6 Frankmri a. M. 1
Paiksiiaße 13

6581

GENERALELECTRIC COMPANY, Schenectady, N.Y., VStA |

Halbleiterbauelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, welches in seinem leitenden Zustand große Leistungen aufnehmen kann, welches in seinem Sperrzustand (selbst wenn es hohen Klemmenspannungen ausgesetzt wird) den durchfließenden Strom auf einen annehmbar niedrigen Leckstromwert begrenzt und welches gute Erholungseigenschaften mit kurzen Erholzeiten aufweist.

Es ist gut bekannt, daß ein Halbleitergleichrichter einen durchfließenden Strom auf einen geringen Leckstromwert begrenzen kann, wenn ein bestimmter Potentialunterschied einer bestimmten Polarität an seine Klemmen angelegt wird, selbst wenn der Potentialunterschied große Amplitude aufweist. Yfenn jedoch die Polarität der den Anschlüssen zugeführten Spannung umgekehrt wird, dann kann das Bauelement ohne weiteres große Ströme führen, wobei nur ein geringer innerer Spannungsabfall auftritt. Wenn die Polarität der den Anschlüssen zugeführten Spannung umgekehrt wird, so daß das Bauelement von seinem in Vorwärtsrichtung vorgespannten oder leitenden Zustand in seinen

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ORiQiNAL IN¹SfECTED

in Rückwärtsrichtung vorgespannten oder Stromsperrzustand umgeschaltet wird, dann fällt der Strom nicht sofort auf den Leckstromwert ab. Stattdessen ist ein bestimmter Zeitabschnitt, der als Erholzeit bezeichnet ist, notwendig, um die Ladungsträger aus dem Halbleiterkörper des Bauelements austreten zu lassen. Wenn man das den Anschlüssen eines Halbleitergleichrichters zugeführte Potential innerhalb eines kurzen Zeitabschnitts häufig umschalten möchte, dann ist es notwendig, die Erholzeit zu reduzieren,.damit der Gleichrichtungswirkungsgrad des Bauelements verbessert wird. Dies wird gewöhnlich dadurch erreicht, daß Löcher in das Kristallgitter des Halbleiterkörpers eingeführt werden, die die Trägerlebensdauer vermindern. Damit nun das Bauelement, wenn es sich in seinem Sperrzustand befindet, größere Potentialunterschiede aushalten kann, ist es notwendig, die Dicke des Halbleiterkörpers proportional zu erhöhen, da die Spannung, die von einem Halbleiterbauelement sicher gesperrt werden kann, direkt von der Dicke des Halbleiterkörpers abhängt, die zur Ausbreitung der Verarmungszone an dem in Sperrichtung vorgespannten Übergang verfügbar ist. Unglücklicherweise erhöht eine Vergrößerung der Dicke des Halbleiterkörpers die Zahl der Ladungsträger, die herauswandern müssen und sie erhöht damit die Erholzeit.

Es hat sich herausgestellt, daß es schwierig ist, ein Halbleiterbauelement zur Verwendung als Gleichrichter aufzubauen, welches im Sperrzustand höhe den Anschlüssen zugeführte Spannungen aushalten kann und welches kurze Erholzeiten beim Umschalten von dem leitenden Zustand in den Sperrzustand aufweist. Dies gilt sowohl für Gleichrichter mit einem Übergang als auch für Thyristor-Halbleiterkörper-Gleichrichter. Die Bauelemente, die sich zur Einhaltung der obigen Anforderungen ■als ausreichend erwiesen, zeigten jedoch ungewöhnlich hohe Vorwärtsspannungsabfälie. Der Nachteil dieses erhöhten inneren Widerstands ist natürlich ein geringer Wirkungsgrad bei geringen Strömen.,.und bei Bauelementen mit großen Leistungen die Schwierigkeit;,die Wärme mit einer Geschwindigkeit abzuleiten, die ausreicht, daß das Bauelement nicht bei der Verwendung schädlich beeinflußt wird.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leistungs-Halbleiterbauelement zu schaffen, welches als Gleichrichter verwendet werden kann und welches eine kurze Erholzeit aufweist, welches bei hohen Werten der den Anschlüssen zugeführten Spannung den Strom sperren kann, welches einen Strom bei geringem Vorwärtsspannungsabfall führen kann und welches die durch innere Verluste erzeugte Wärme ableiten kann.

Es ist ferner Ziel der Erfindung ein Halbleiterbauelement mit den obigen Eigenschaften vorzusehen, welches als eine Einheit aufgebaut ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Halbleiter- ^ bauelement zu schaffen, welches mehrere Thyristor-Halbleiterkörper enthält, die wahlweise mit Hilfe eines Steuersignals, welches dem einen Halbleiterkörper zugeführt wird, von ihrem Sperrzustand in ihren leitenden Zustand umgeschaltet v/erden können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelöst, ■daß zwei Leistungs-Halbleiterkristallkorper vorgesehen sind, die einen gleichrichtenden Übergang und ein wirksames mittleres Breiten zu Dicken Verhältnis von mindestens 50 : 1 aufweisen, daß zwei, eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisende Anschlußteile elektrisch und thermisch jj leitend auf einen flächenmäßig ausgedehnten Oberflächenteil jeweils eines der beiden Kristallhalbleiterkörper aufgesetzt sind, daß ein Wärmeaufnahmeteil, dessen WärmeSpeicherfähigkeit die der .Halbleiterkristallkörper zur Aufnahme der durch Stromstöße erzeugten Wärme überschreitet, zwischen den Halbleiterkristallkörpern angeordnet und mit diesen elektrisch in Reihe geschaltet ist, daß das Wärmeaufnahmeteil mit den anderen flächenraäßig ausgedehnten Hauptflächenteilen jedes der beiden Kristallkörper elektrisch und thermisch leitend verbunden ist und daß eine Hüllanordnung hermetisch abgedichtet mit den beiden Anschlußteilen verbunden ist und die Halbleiterkristall--" körper zu ihrem Schutz an ihrem Umfang umgibt, wobei die An-

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schlußteile, die Kristallkörper und die Hüllanordnung das Halbleiterbauelement bilden.

Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkristallkörper Thyristoren sind, daß eines der Anschlußteile auf dem als Hauptflächenteil ausgebildeten Katoden-Emitter-Oberflächenteil des einen Thyristors und das andere Anschlußteil auf dem als Hauptflächenteil ausgebildeten Anoden-Emitter-Oberflächenteil des anderen Thyristors aufgesetzt ist, daß ein Teil elektrisch leitend an dem Anodenoberflächenteil des einen Thyristors und an dem Katodenoberflachente.il des anderen Thyristors angeordnet ist und daß eine Steueranschlußklemme vorgesehen ist, die einen der Thyristoren von seinem Vorwärtssperrzustand in seinen Vorwärtsdurchlaßzustand schaltet, in dem die Klemmenspannung direkt an dem anderen Thyristor anliegt, der dann durch Lawinendurchbruch leitend wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung,

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch ein anderes Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil des HaIb-■ leiterbauelements nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Halbleiterbauelement nach Fig. 2, wobei der Schnitt senkrecht auf dem Schnitt nach Fig. 2 steht und

Fig. 5 eine Ansicht eines Teils des Halbleiterbauelements nach Fig. 2 von oben.·

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Bei allen Figuren ist die Dicke der Halbleiterkörper zur einfacheren Darstellung übertrieben, und die Halbleiterkörper sind nicht geschnitten, damit die Zeichnungen nicht unübersichtlich werden. In den Figuren 2 und 4 ist die Lage der Übergänge nicht dargestellt, da die Übergänge in Fig. 3 genau gezeigt sind.

In Fig. 1 ist ein Halbleiterbauelement 100 dargestellt, welches zwei Halbleiterkörper 102 und 104 .enthält, die genau gleich ausgebildet sein können. Jeder der Halbleiterkörper weist eine obere Zone oder Schicht 106 eines ersten Leitfä- | higkeitstyps und eine untere Zone oder Schicht 108 von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp auf, zwischen.denen sich ein gleichrichtender Übergang 110 befindet. Jeder der Halbleiterkörper ist mit einem planaren oberen Oberflächenteil 112 und einem im wesentlichen parallel dazu verlaufenden planaren un- teren Oberflächenteil 114 versehen. Jeder Halbleiterkörper weist eine ringförmige Umfangsflache 116 auf, die die gegenüberliegenden planaren Hauptflächen miteinander verbindet. Die Umfangsfläche kann, wie es nach dem Stand der Technik gut bekannt ist, entweder positiv oder negativ abgeschrägt sein, damit der Oberflächenfeldgradient an dem Übergang ausgebreitet wird. Dazu sei Bezug genommen auf den Auf satz:" Control of Electric Field at the Surface of P-N Junctions"von Davies und I Gentry in IEEE Transactions on Electron Devices, July 1946, p.313. Die Halbleiterkörper können aus irgendeinem bekannten .: monokristallinen Halbleiterwerkstoff hergestellt sein,* jedoch sind die Halbleiterkörper für die meisten Anwendungen aus Silicium hergestellt, weil· es eine überragende thermische Stabilität aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Dicke des Halbleiterkörpers zwischen den gegenüberliegen-', den Hauptflächen gegenüber seiner Breite parallel zu den Hauptflächen stark übertrieben. Die Halbleiterkörper haben für die meisten Anwendungen mit großer Leistung ein Breiten zu Dicken Verhältnis von mindestens 50 : 1. Wenn beispielsweise bei typischen Leistungsgleichrichtern die Dicke des

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Halbleiterkörper nicht mehr ist als 0,5 mm und gewöhnlich geringer ist als 0,25 mm, dann liegt die Breite der Halbleiterkörper in einem Bereich von 12 mm bis 50 mm oder mehr. Die Halbleiterkörper sind zwar der Einfachheit halber so dargestellt, als ob sie einen einzigen gleichrichtenden Übergang aufweisen, sie können Jedoch auch so ausgebildet sein, daß sie .mehrere Übergänge aufweisen. Beispielsweise können die Halbleiterkörper 102 und 104 als 4- oder 5-Schichten-Thyristoren ausgebildet sein, die mit Lawinendurchbruch schalten. Es ist nicht notwendig, daß die Halbleiterkörper, so wie es dargestellt ist, gleich ausgebildet sind.

Die Halbleiterkörper sind durch einen Wärmeaufnahmeteil oder Wärmeableiter 118,der zwischen dem Hauptflächenteil 114 des Halbleiterkörpers 102 und dem Hauptflächenteil 112 des Halbleiterkörpers 104 angeordnet ist,elektrisch in Reihe zueinander angeordnet.Der Wärmeableiter weist eine Metallscheibe 120 auf, die mit den danebenliegenden Oberflächenteilen der Halbleiterkörper durch Kontaktscheiben 122 thermisch und elektrisch in gutem Kontakt sind. Damit ein guter elektrischer Leitungsweg mit geringer Impedanz und auch ein guter thermischer Leitungsweg zwischen dem Hauptflächenteil 112 des Halbleiterkörpers 102 und dem Hauptflächenteil 114 des Halbleiterkörpers 104 und den Anschlußteilen 124 bzw. 126 entsteht, sind Kontaktscheiben 128 zwischen diesen Hauptflächenteilen und den Anschlußteilen vorgesehen. Die Metallscheibe ist so bemessen, daß ihre Wärmeaufnahmefähigkeit die der Halbleiterkörper übersteigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Metallscheibe aus einem hitzebeständigen Metall, beispielsweise Wolfram oder Molybdän, hergestellt, so daß sie nur geringste thermisch hervorgerufene Beanspruchungen für die Halbleiterkörper als Folge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Scheibe und den Halbleiterkörpern verursacht. Die Kontaktscheiben 122 und 128 sind zwar als Einheitsmetallschichten dargestellt, sie können jedoch aus einer oder mehreren Schichten bestehen und irgendeinen bekannten Aufbau aufweisen. Die Wahl besonderer

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Kontaktscheiben bildet nicht Teil der Erfindung. Wenn die Anschlußteile und/oder Metallscheiben aus einem Metall, beispielsweise Kupfer, Messing oder Aluminium, gebildet sind, dann können die Kontaktscheiben 128 und/oder 122 Stützscheiben aufweisen, die aus einem hitzebeständigen" Metall,ähnlich wie bei der bevorzugten Ausführungsform die Metallscheibe, gebildet sind, um die in den Halbleiterkörpern auftretenden thermischen Beanspruchungen möglichst'gering zu halten.

Die Anschlußteile weisen neben den zugehörigen Kontaktscheiben 128 einen Fuß 130 auf. Die Kontaktscheiben, die Füße und der Wärmeableiter sind vertikal neben einer bestimmten Fläche angeordnet, die neben einem großen Anteil (oder den ganzen) der Hauptoberflächenteile 112 und 114 der Halbleiterkörper angeordnet ist. Die Anschlußteile weisen äußere Oberflächenteile 132 mit vergrößerter Fläche auf, die zu der Fläche des Fußes, die mit der Kontaktscheibe in Berührung ist, parallel verläuft und deren Oberfläche, wie bereits gesagt, etwas größer ist. Die äußere Oberfläche jedes Anschlußteils ist mit einer Aussparung 134 zum Ausrichten versehen.

C-

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Ränder der Halbleiterkörper, die seitlich über die Kontaktscheiben hinrausragen, die Füße und die Metallscheibe von einem ringförmigen Teil 136 umschlossen. Das ringförmige Teil ist aus einem einen Übergang passivierenden Werkstoff hergestellt, der einen relativ hohen Isolierwiderstand und eine relativ hohe Durchschlagfestigkeit aufweist und der für Übergangsverunreinigungen im wesentlichen undurchdringlich ist. Es ist jedoch vorzuziehen, Passivierungsmittel zu verwenden, deren Durchschlagsfestigkeit mindestens 40 χ 10 V/cm und deren Isolierwiderstand mindestens

10
10 Ohm χ cm beträgt. Zahlreiche im Handel erhältliche Arten von Silicongummi entsprechen diesen elektrischen Anforderungen. Die Verwendung von nachgiebigen Passivierungswerkstoffen zur Herstellung des ringförmigen Teils ist, wie es weiter unten noch beschrieben wird, besonders vorteilhaft, jedoch kann auch

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- ΊΛ^η zusammen eine Änc^än'irig, die die Halbleiterkörper ^s-• '"-■■ 3ei eiKsr ^ev^rsuo-^^Ti insfuhi'imErsforii; schließt die Anr-.'dr-^ng die Halbleiterbruelemente hermetisch ein. Wie man " "^s gr-sift d£.2 ringfirn-,ge Teil in die Innenfläche des

rIn-. ^Qdr:.rrli die HaIbIe^ 18rkcrper gegenüber den

^:■''■■"· der Anrchiußtaile ausgerichtet werden,. Wenn das rig -.-ν·:- ^''JiI v/ie bei der -inan Ausführuiigsform nachgiebig ist, -■-?:^. schützt ^s die H»llrl-^a"t'>rkorp3r vcr seitlichen x-chaniv.lier StöBen, Ms Ilachgisbigiisit bringt auch den Vorteil mit \£h₅ daB gsraue "Toleranter zwischen dem Fuß und der Innen-

. -?- £'04726

fläche des Isolierrings nicht eingehalten werden müssen. Der untere und der ober© Gehäuseteil eind so ausgebildet, daß beim Zusammenschweißen des mit csinein Rand versehenen Flansches 148 imd fies ürafangsrings 140 su einer Kalbleiterbauelementanord-· aimg die Ansehlußtsil© ©is® leicht© Druckkraft aiii die Halb-Isiterirär-perausüben_c

Bei im^j&adusg de;= Es-lblsit-sr-bauslemant-g wird eiL suB&ver Wärmeableiter an d^n äiißsr-an 0&e;"fI#oiie».to5,S:^:i d-sx- Aa^v-^lußteile 124 ΐΏ,ώ 126 o;ge-t>Ä=dr>etc Über ciiw ^äi^lmssiöl6itsr wj-rc. ;a:i die Anscliltißtiiil© eiii rsi'v^rör Di-iicl: aiiSgoife^r. \^duroh dl-i tern-inche Xmpedans zwieeb@i:_;- dea _C1ovj®iligea halbliii'c-eritörpar im el dem zugshörigsn Anseniußteil ver-i^iridsr-v, ^irde Di.s Sußersn Warmeab-Isitervtgreifan normaisr-v^is-g in ά:..^ g^saaten :^ißor&n O'berfiä- i

cnesteil® 132 der /inschli>3t®il$ elQ,_: «-oliiiigegea eic iontaktscheiben 12S in die gesamte;']. <Ύο&ν-ϊ1".οΐι®'ΰ d^r- Füßi 130 der Ansöhli23teils eingreiisa_r Jiide Kom-ftirtßoliei'b© *^:2t _;*it-E"t ferner s.uf fast ο,θε genne?- Η©ιτρΐί1^Λ-ΪΛΰί*ΐ^:Ί d/'-r äw-Θ'χ-^".legenden Halbleiterkorpers aufo Bis Folgt cmigis ist_; daß van Jedem eier K^ltoleiterliör-per au dss danetJialiiffsndeii aiißii-wi W^meabj. eiter eia ¥äi^amelis.i"i\;j®g sit geringer itßpsd^^E vOrgcssh^a .'rri. Das Kühlen der Ji^lblaits-rkörper- ui^rr ^i'ia ^r-c-.^-s ΡΙΐε.^^ΐ- !"t wichtig, isrsil b@i .inSiülir-un-i.sfoiYu®;'· iüi^: £r-3ß<s Jl.ois-^a-ge/it bei denen das Breitsii au DiG^ei^erMItDii" :."-jahv- hoch ™ ά..':■·,- ü&or pO : 1 ist ρ di© üafangsfläoben IIS '/©rglica&a mit den H&iiptflächen so _rkI©iK. sind.₅ daß si© keinen beträchtlichen Teil der durch Stromleitung i>i dsa Halßlsiterkös/jjern srzeugteii Wäriae abführen könaen₀ Bisiisr wurde es nicht als möglioh erachtet_?zwei Hochlei-Sialbleitszisörp©? in ©inssi ©insigen Halbleiterbauelement ©ä©ac Bis3 vjii^ö ar.cter-sh ?scg^:li=3h_s daß für jadsn Halbleipsr ein Pfad s«r Wäi^eablsi-iiaig mit geringer Impedanz

Das EalalsitarssLucIemeat ist auet äußerst gut gegen Stromstöße über dam maximal suitssigsn, ststigan Strom dadurch geschützt,

cLsj3 die MsiGJlschGiAie $ die an den Ifei-ptflächentedlen der Halbleiterkörper gegsnüfcar den Anschlußteilen sitzt, eine große ¥ärmespeioh.erfäh±gt:ext aufweist» Ohne diesen inneren Wärmeableiter höimten U.1& Ifeuptfläohenteile der Kalbleiterkörper» die nicht Ώ.Θ~ύ®Ώ. den As^ohlußteilan liegen? durch Stromstöße ohne weiteres üb-srhitgt *Qr&en_} 6-; die ϊΙγκϊ nicht durch die gssamte Dic-i:® asu- Halbleiterkörper- mit der i;:.^:;rorderl_v.hen Geschwindigkeit transportiert '.-.'erden. If^nnte, ^7;/'"'' "-T.il.fc O.-v innei^san ivärniiatleitv«· :::&ϊΐη i:!>-:\;Ghü-i-ei;.;^ ¥äi^:;.=c ve η diise;.. Oberflächen-ΐΐίIi¹O. ÄC-rii-l'iitet v.f-rcisn ui;-U .;ϊι c·-.:; V- /-^eableiter gespeichert

"Κ,ογώβτ cn ά^χΐ ätiß~^r5;^r5:] Wäi ßiSableiTC^ii al'ili^Bert, bis die M&™ t?,llsc;Ii-A-iu3 sine i-sm-peratur· orreici:,t_f aiß e~wa der der daneben-= llii^end?:.: O^s^flftc'io? der Halbleiter κ c"^;p er entspricht. Folglich

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daten verglichen salt vergleichbaren Halbleiterbauelementen aufweist, die einen einzigen Halbleiterkörper enthalten. Mit anderen Worten, wean ein mcno^riställines H&..Vblei!-erbauelement bekannter Ausführung zwei der- ob-.--: Ärv/su-itttan drei dynamischen Kenndaten enthält» die denen des ·; 3 ^ errieten an Halbleiterbauelements entsprechen, dann y/elst das beschriebene Halbleiterbauelement einen -deutlichen Vorteil hinsichtlich der verbleibenden Kenndaten auf. Dies wird als sin neues lind unerwarteten Merkmal angesehen, Es gibt ferner kaine^ den Betrieb verändernde Nachteile. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement stellt ein überlegenes Halbleitergleichrichterbauelement dar.

Es hat sich auch ganz unerwartet herausgestellt, daß das Halbleiterbauelement auch als gesteuerter Thyristor verwendet wer- | den kann. Figuren 2 bis 5 seigen eine bevorzugt« Ausführung;= ~ fcrm iinss g>yz"3u-3rten Thyristor-Halblsiterbauelesients 200 gemäß der- Erfindung. Da alle Betriebsvorteile, die an Hand des Halbleiterbauelements 100 beschrieben worden sind, auch bei ·:ίβ». ; Thyristor-Halbleiterbauelsment 200 erreicht werden können, müssen nur die zusätzlichen Merkmale des Thyristor-Halbleiterbauelements in Einzelheiten "beschrieben

Das Halbleiterbauelement 200 enthält Thyristor-Halbleiterkörper 300 und 400. Gesäß FIg, 5 ist der Halbleiterkörper 300 mit einem ersten Hauptflächenteil 302 und einem zweiten im wesentlichen dazu parallelen Hauptflächenteil 304 versehen. Der Halbleiterkörper 300 besteht aus vier aufeinanderfolgend angeordneten Zonen oder Schichten sich ändernden Leitfähigkeitstyps, die eine PNPN-Folge von Zonen oder Schichten bilden. Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste Zone 306 in einen ringförmigen Hilfsabschnitt 306A und einen im wesentlichen konzentrischen ringförmigen Hauptabschnitt 30βΒ, der.in einem gewissen Abstand nach außen von dem ersten Abschnitt angeordnet ist, unterteilt. Eine zweite Zone 308 trennt die ersterZone von einer dritten Zone 310 und sie

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^f^^gsteil 308E; der aeitlio)! wei"i-^r- a-.iß^ii t.Is die e^st-ä ^kä -s.£ .._e i3i:i3 Ylsrts Zone 312 I:L-jgt ^visc-j^i;. der dirv't-sri "οϊ:5 :.d ;«3ni ζ~:ΐ·£L'C3:L· uauptilJlG^vni^il, ISi~ ts'-^io Zone "c-ild-ΐ-ΐ iüi'i sr zweiten Zon© neben döBi Hilf sabschnitt der ersten Z<me eln LIfaemitterubergang 314 yiid lieben dem Hauptabschnitt der

Zen® einen Hauptemitteiⁱübergang 3^6, Zwischen der dri.*i= clssr Yl^rten Zone iäv .,«η s^-si^er Haupxeciittei^ubergana' ■:-. gebildete Z^iscbSii der ^"weiten imä iei dr·:,";':;en Zone ist -_ ^olleistarubergciiig 320 .νί ü"-Ic^t, S_:a ist eine flach aogs- -iirägts ümfangsflachs 322 v::r-ffisel".eji,- die deti '„iniangai-iiia i-

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■= ssitlieii® Fläohe des ^aibleiterkör-pers für die Abschrägung -^wendet wird.

yr Jliyrisior=-Halbltit3ric^;5rpc.r 4GC ist mit iinsiri ersten Hauptfi^läslienteil -^02 imn -i-ir.ssi zweiten im wesentlichen dazu a^:äu.ielez Hauptobei⁵fläciieiitai,l 4G^ versehen. Der Halbleiter- z^'tr 4C0 weist visr s^:::'.:"?:.Lderf^rgx:; angs^rdne^fe Zonen

leitenden Zonen oder Schichten bilden. Die vier Zonen bestehen aus einer ersten Emitterzone 406 neben dem ersten Hauptoberflächenteil, einer zweiten Zone 408, einer dritten Zone 410 und einer vierten Zone 412 neben dem zweiten Hauptoberflächenteil. Zwischen der ersten und der zwieten Zone ist ein erster Emitterübergang 414 gebildet, zwischen der zweiten und der dritten Zone ist ein Kollektorübergang 416 gebildet und zwischen der dritten und der vierten Zone ist ein zweiter Emitterübergang 418 gebildet. Der erste Emitterübergang und der Kollektorübergang werden von einer ersten abgeschrägten Umfangsflache 420 geschnitten,und der zweite Emitterübergang wird von einer zweiten abgeschrägten Umfangsfläche 422 geschnitten. Die abgeschrägten Umfangsflachen breiten den Oberflächenfeldgradienten aus, der dann entsteht, wenn die Übergänge in Rückwärtsrichtung vorgespannt werden. Es kann auch anstelle der beiden abgeschrägten Umfangsflächen-, die dargestellt sind, eine einzige abgeschrägte ümfangsflache vorgesehen sein. Ferner können drei voneinander getrennte abgeschrägte Umfangsflachen vorgesehen sein, von denen je eine jeweils einen der drei Übergänge schneidet.

Die Halbleiterkörper sind elektrisch mit einem Wärmeableiter 202 in Reihe geschaltet, der zwischen den Hauptoberflächenteilen 304 und 402 des Halbleiterkörpers 300 bzw. des Halbleiterkörpers 400 angeordnet ist. Der Wärmeableiter 202 kann in gleicher Weise ausgebildet sein wie der Wärmeableiter 118 und er führt im wesentlichen.die gleiche Funktion aus. Mit dem Hauptoberflächenteil 404 des Halbleiterkörpers 400 ist über eine dazwischenliegende" Kontaktscheibe 206 eine Stützplatte 204 verbunden, Eine zweite Kontaktscheibe 208 ist auf die untere Hauptflache der Stützplattö aufgesetzt. Auf den Hauptöberflachenteil 302 des Halbleiterkörpern 300 ist ein Hauptemitterkontakt 210 aufgesetzt, dü.r übm" dom Ilauptemitterabschnitt 30SB der ersten Emitterzone X>.^;ä-, ;■,(;.,;! der reitiich äox-h ;:\>ι£-~;ϊι üb^:Si^T diß erste Emitterzone h· h-hl-, λ:/!'., so daß er ^"I Λ iten ZoΗ*- .0-5" s· »r-iiiv^;.. 'jiicl cien

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äußeren Rand des Hauptemitterübergangs 316 kurzschließt. Über ' dem Hilfsabschnitt 3O6A der ersten Emitterzone ist ein Hilfskontakt 212 angeordnet, der seitlich derart nach außen ragt, daß er auch über dem Abstandsteil 308C der zweiten Zone angeordnet ist. Der Kontakt 212 schließt den äußeren Rand des Hilfsemitterübergangs. 314 kurz, er ist jedoch mit einem. Abstand von dem inneren Rand des Hauptemitterübergangs 316 angeordnet. Eine ringförmige Stützplatte 214 ist über dem Kontakt 210 angeordnet,und über der ringförmigen Stützplatte ist wiederum ein Kontakt 216 angeordnet. Die Stützplatten bestehen vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Metall, beispielsweise Wolfram oder Molybdän. Die Kontakte 206, 208, 210, 212, 214 und 216 können in bekannter Weise ausgeführt sein, und sie können als eine von vielen Schichten gebildet werden«

Wie man am besten in Fig. 2 erkennt, werden der Wärmeableiter 202 und die Thyristor-Halbleiterkörper durch ein Anschlußteil 218 gehaltert, welches einen ringförmigen Fuß 220 aufweist, der mit einer Stützscheibe 204 über eine Kontaktscheibe 208 verbunden ist. Das Anschlußt3il 216 ist abgedichtet mit einem ringförmigen Plansch 222 verbunden, der wiederum an seinem Außenuisfang lait dem einen Ende eines Isolierrings 224 verbunden ist. Der Isolierring weist ringförmige Vorsprünge 226 auf, durch die die äuSere Oberflächenlänge zwischen seinen gegenüberliegenden Enden vergrößert wird. Ein mit einem Rand versehener Flansch 228 ist mit dam anderen Ende des Isolierrings abgedichtet verbunden. Der Isolierr-xng ist mit einer Steuer·™ anschlußklemae 230 versahen, die in ihn abgedichtet eingepaßt ist. Die Steueranscnlußklemme.weist eine an ihrer einen Seite abgeschlossene Aussparung 232 auf, die zum Innern gös Isc— Herrings hin geöffnet ist. Das Anschlußteil 218, Her ringförmige Flansch 222, der Isolierring 224 und der mit eln-,ίίπ Rand versehene Flansch 228 bilden zusammen den unteren Gehäuseteil des Halbleiterbauelements»

Eine nachgiebige Feder 234 bildet zwischen -lern mittleren Teil der zweiten Zone des Halbleiterkörpsrs 500 dar Steueranschlußklemme eine elektrische Verbindung geringer Impedanz. Die Feder _ hat ein erstes Teilstück 236 j welches von dem mittleren Teil. nach oben ragt und mit seineir untren äußersten Ende an dem mittlere?! Teil dsr zweiten Zone d^fixögt. Ein aweites Teilstück 238 der Feder ragt seitlich von toa ersten Teilstück weg zu der Steueranschlufiklemsie. Sin drittee Teilstück 240 ragt von dem zweiten Teilstüek bis zu der HoLe der Aussparung und ein viertes Teilstück 242 ist in die Aussparung eingepai?.t, Bei der dargestellten Ausführungsform sind das erste, das zweite, das dritte und das vierte Teilstück der Feder dadurch gebildet, daß ein durchgehender Streifen aus nachgiebigem Metall gebogen ist. Das viert© Teilstück der Feder ist zwar so ~J dargestellt, als ob es nahezu parallel au dem zweiten Teilstück verläuft, jedoch bildet es, w&tiü. die Feder aus der Aussparung herausgenommen wird, mit dein zweiten feilstück einen spitzen Winkel, der insbesondere z-7/isehen 15 und 45° liegt. Wenn die Feder in ihre Arbeitsstellung gebracht wire, darm drückt die untere Oberfläche der Aussparung gegen das äuerste Ende der Feder, während die οcere Oberfläche der Aussparung gegen einen weiter- innen liegenden Teil des vierten Teilstücks nach unten drückt, Weiterhin werden beim Einsetzen der Feder in ihre Betriebsstellimg das erste, zweite und dritte-Teilstück gegenüber dem vierten Tsilstüek verbogen, so daß das unterste Ende des ersten Seilstücks stetig nach unten auf die Oberfläche des mittleren Teils der zweiten Zone drückt ( und eine Verbindung mit geringer Impedanz bildet« Der Betrag der Druckkraft, mit der die Feder den mittleren Teil berührt, ist durch die Feder allein bestimmt.

Bei einer besonderen Ausführungsferm des Halbleiterbauelement.?. 200 ist die Stützscheibe 214 nicht direkt mit dem Hauptoberflächenteil 302 des Halbleiterkörpers 300 verbunden. Um die ringförmige Stützscheibe gegenüber dem ersten Teilstück der Feder konzentrisch anzuordnen, ist eine Zentrierscheibe 244 ~

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vorgesehen, die eine Öffnung 246 aufweist. Das erste Teilstück der Feder paßt in die Öffnung, während der äußere Rand der Zentrierscheibe mit dem Innenrand der ringförmigen Stützscheibe abschließt. Um de Ränder der Halbleiterkörper zu passivieren und um diese Halbleiterkörper seitlich gegenüber dem Anschlußteil 218 auszurichten, wobei die Stützscheibe 204 nicht mit diesem Anschlußteil und/oder dem Halbleiterkörper 400 verbunden ist, ist ein ringförmiges Teil 248 vorgesehen, welches in ähnlicher Weise wie das ringförmige Teil 136 aus einem Passivierungsmittel besteht. Das ringförmige Teil 248 ähnelt in φ seinem Aufbau und seiner Wirkungsweise dem ringförmigen Teil 136 mit der Ausnahme, daß das ringförmige Teil 248 die Halbleiterkörper gegenüber dem Anschlußteil 218 und nicht gegenüber dem Isolierring zentriert. Damit ist es nicht mehr notwendig irgendwelche Toleranzen zwischen dem Isolierring und dem Anschlußteil 218 einzuhalten.

Ein zweites Anschlußteil 250 ist mit einem Fuß 252 versehen, der eine verhältnismäßig große Oberfläche hat, die über eine Kontaktscheibe 210 mit der ringförmigen Stützscheibe verbunden ist und mit dieser zusammenwirkt. Damit die Feder mit dem mittleren Teil des Halbleiterkörpers 300 verbunden werden kann, _ ist das zweite Anschlußteil mit einem Schlitz 254 versehen, in ™ den eine isolierende Auskleidung 256 eingepaßt ist, damit ein elektrischer Kontakt zwischen der Feder und dem Anschlußteil verhindert wird. Das zweite Anschlußteil ist abgedichtet mit einem ringförmigen Flansch 258 verbunden, der einen Umfangsring 260 aufweist. Das zweite Anschlußteil und der ringförmige Flansch bilden zusammen den oberen Gehäuseteil. Der obere Gehäuseteil und der untere Gehäuseteil bilden zusammen ein Gehäuse, welches die Halbleiterkörper umgibt und welches mit . Ausnahme der Steueranschlußklemme 230 dem Gehäuse des Halb leiterbauelements 100 ganz ähnlich ist.

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Es hat sich herausgestellt, daß ein Thyristorbauelement, bei- . ;

spielsweise das Halbleiterbauelement 200, welches gemäß der ! Erfindung aufgebaut ist, die dynamischen Vorteile, die im Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement 100 erwähnt wurden, mit den einfachen Gate-Zündeigenschaften eines Thyristors mit einem einzigen Halbleiterkörper verbindet. Wenn beispielsweise '. das Thyristor-Halbleiterbauelement 200 zwischen zwei äußeren, gegeneinander drückendenWärmeableitem262 und 264 angeordnet wird, wie es in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, dann kann ■ das Anschlußteil 218 als Anode und das Anschlußteil 250 als j Katode dienen, wenn die Zonen 306, 310, 406 und 410 N-leitend j sind und die übrigen Zonen P-leitend sind. Wenn an der Steuer- ! | elektrode kein Steuersignal anliegt, dann kann das Thyristorbauelement Strom in beiden Richtungen b'is zu einer Spannung sperren, die der Summe der maximalen Vorwartssperrspannungen oder der Summe der Spitzensperrspannungen der Halbleiterkörper 300 und 400 entspricht. Wenn das Anschlußteil 218 gegenüber dem Anschlußteil 250 positiv vorgespannt ist - d.h. wenn das { Bauelement in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist - und wenn die ^: Steueranschlußklemme 230 positiv gegenüber dem Anschlußteil , 250 vorgespannt wird, dann kann das Thyristorbauelement sehr . ! rasch in seinen leitenden Zustand umgeschaltet werden. Das ! .Leitendwerden des Halbleiterbauelements 300 wird dadurch beschleunigt, daß der Hilfsabschnitt 306A'und der Hilfskontakt [ , 212 vorgesehen sind, die bewirken, daß der mittlere Teil des . " Halbleiterbauelements 300 als ein integrierter Hilfsthyristor [ wirkt, der das ursprüngliche Stuersignal verstärkt und rasch '; den leitenden Bereich des Halbleiterkörpers 300 ausdehnt. Wenn

eine große Vorwärtsspannung an das Bauelement angelegt wird '

und wenn der Halbleiterkörper 300 in seinen leitenden Zustand ■· umgeschaltet wird, dann muß die gesamte Spannung an den Anschlußklemmen, wenn sie gesperrt, werden soll, von dem Halbleiterkörper 400 gesperrt werden. Wenn der Potentialunterschied an dem Halbleiterkörper 400 einen Wert über der maximalen Vorwärtssperrspannung erreicht, dann wird jedoch auch dieser Halbleiterkörper durch den Lawineneffekt leitend, und es fließt" ein Strom durch die Halbleiterkörper des Thyristorbauelements.

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Da der Halbleiterkörper 400 nach dem Lawineneffekt gezündet wird, muß Passivierungswerkstoff und/oder die Abschrägung an den Rändern vorgesehen sein, damit vor allem Oberflächendurchbrüche,und zwar eher als innere Durchbrüche, an dem Kollektorübergang verhindert werden. Oberflächendurchbrüche auf Grund des Potentialunterschieds an dem Kollektorübergang würden natürlich den Halbleiterkörper 400 erheblich verschlechtern.

Es wurde zwar ein Thyristorbauelement an Hand der bevorzugten Ausführungsform des Bauelements 200 erläutert, jedoch sind auch zahlreiche andere Ausführungsformen möglich. Beispielsweise kann anstelle des verwendeten Bauelementgehäuses irgendein bekanntes Gehäuse zur Schutzkapslung der Halbleiterkörper 300 und 400 verwendet werden. Wenn das Gehäuse hermetisch abgedichtet ist, dann kann das ringförmige Teil 248 aus Passivierungsstoff auf Wunsch weggelassen werden. Wenn der Passivierungsstoff Glas ist, dann müssen die Halbleiterkörper nicht abgeschrägt sein, da schon das Glas allein den Oberflächenfeldgradienten entsprechend ausbreiten kann, wenn auch nicht in dem gleichen Maße, wie wenn eine Abschrägung zusammen mit Glas vorgesehen ist. Bei bestimmten Schaltungen, bei denen Stromstöße nicht auftreten oder ein Schutz gegen diese auf ^; andere Weise vorgesehen ist, kann der innere Wärmeableiter 202 weggelassen werden. Anstelle der ringförmig ausgebildeten Thyristor-Halbleiterbauelemente mit einer mittleren Steuerelektrode kann irgendeine bekannte geometrische Anordnung und auch eine andere Anordnung der Steuerelektrode verwendet werden. Um beispielsweise ein äußerst . schnelle.s Schalten zu erreichen, kann die äußere ümfangsfläche des Hilfsteils 306a nach bekannten Interdigitationsverfahren vergrößert werden. Verwiesen sei dazu auf den Aufsatz*High Frequency Capabilities of New Power Thyristor von Davies, der von dem American Institute of Chemical Engineers auf Seite 987 in dem Bericht über die 4th Intersociety Energy Conversion ,

Engineering Conference vom 22. bis zum 26. September 1968 in ^! Washington D.C. veröffentlicht ist. Wenn kurze aber etwas ge- "~

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ringere als maximal mögliche Schaltzeiten erforderlich sind, dann können der Hilfsabschnitt der ersten Zone ebensowie der Hilfskontakt weggelassen werden. Wenn auch die erfindungsgemäße Anordnung insbesondere bei Leistungs-Halbleiterbauelementen vorteilhaft ist, die ein Breiten zu Dicken Verhältnis von mindestens 50 : 1 haben, so kann auch die erfindungsgemäße Anordnung, wie sie bei Thyristorbauelementen verwendet wird, bei Bauelementen mit geringer Leistung angewendet werden, bei denen das Breiten zu Dicken Verhältnis geringer ist und die Anforderungen an die Wärmeableitung nicht so hoch sind.

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Claims (9)

1. Patentansprüche

   r 1./Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Leistungs-Halbleiterkristallkör« per (102,104) vorgesehen sind, die einen gleichrichtenden übergang und ein wirksames mittleres Breiten zu Dicken Verhältnis von mindestens 50 : 1 aufweisen, daß zwei, eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisende Anschlußteile (124,126) elektrisch und thermisch leitend auf einen flächenmäßig ausgedehnten Oberflächenteil jeweils eines der beiden Kristallhalbleiterkörper (102,104) aufgesetzt sind, daß ein Wärmeaufnahmeteil (118), dessen Wärmespeicherfähigkeit die der Halbleiterkristallkörper zur Aufnahme der durch Stromstöße erzeugte Wärme überschreitet, zwischen den Halbleiterkristallkörpern (102,104) angeordnet und mit diesen elektriscl^ in Reihe geschaltet ist, daß das Wärmeaufnahmeteil (118) mit den anderen flächenmäßig ausgedehnten Hauptflächenteilen jedes der beiden Kristallkörper (102,104) elektrisch und thermisch leitend verbunden ist und daß eine Hüllanordnung (138,142,144, 148) hermetisch abgedichtet mit den beiden Anschlußteilen (124, 126) verbunden ist und die Halbleiterkristallkörper zu ihrem Schutz an ihrem Umfang umgibt, wobei die Anschlußteile, die Kristallkörper und die'Hüllanordnung das Halbleiterbauelement bilden.
2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet', daß das Wärmeaufnahmeteil (118), welches die bei einem Stromstoß entstehende Wärme aufnimmt, eine hitzebeständige Metallscheibe ist.
3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Halbleiterkristallkörper (102,104) zur Passivierung der Umfangsränder, die von den gleichrichtenden Übergängen geschnitten werden, zusätzlich ein Teil (136) vorgesehen ist.
4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiterkristallkörper (102,104) am Umfang abgeschrägt sind, damit der Feldgradient an ihren Umfangsrändern, die von den gleichrichtenden Übergängen geschnitten werden, ausgebreitet wird.
5. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Anschlußteile (124,126) eine äußere Wärmeübertragungs^pläche aufweist, auf die unter Druck ein äußerer, von dem Bauelement abnehmbarer Wärmeableiter aufgesetzt ist. d
6. 6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkristallkörper Leistungsti3ristören (300,400) sind, daß eines der Anschlußteile (218) auf den als Hauptflächenteil ausgebildeten Katoden-Emitter-Oberflächenteil des einen Thyristors (400) und das andere Anschlußteil (250) auf den als Hauptflächenteil ausgebildeten Anoden-Emitter-Oberflächenteil des anderen Thyristors (300) aufgesetzt sind, daß das Wärmeaufnahmeteil (202) zwischen der Anodenhauptflache des ersten Thyristors (300) und der Katodenhauptflache des anderen Thyristors (400) angeordnet ist.
7. 7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Steueranschlußklemme (230,232,234) vorgesehen ist, die einen der Thyristoren (300) von seinem Vorwärtssperrzustand in seinen Vorwärtsdurchlaßzustand schaltet,bei dem die Klemmenspannung direkt an dem anderen Thyristor (400) anliegt, der dann durch Lawinendurchbruch leitend wird.

   2 0 f j B Π / 0 9 3 B

   21G4726
8. 8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkristallkörper Thyristoren sind, daß eines der Anschlußteile auf dem als Hauptflächenteil ausgebildeten Katoden-r Emitter-Oberflächenteil des einen Thyristors (400) und das andere^Anschlußteil auf dem als Hauptflächenteil ausgebildeten Anoden-Emitter-Oberflächenteil des anderen Thyristors (300) aufgesetzt ist, daß ein Teil elektrisch leitend an dem Anodenoberflächenteil des einen Thyristors und an dem Katodenoberflächenteil des anderen Thyristors angeordnet ist und daß eine Steueranschlußklemme (230,232,234) vorgesehen ist, die einen der Thyristoren (300) von seinem Vorwärtssperrzustand in seinen Vorwärtsdurchlaßzustand schaltet, in dem die Klemmenspannung direkt an dem anderen Thyristor (400) anliegt, der dann durch Lawinendurchbruch leitend wird.
9. 9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß der mit der Steuerelektrode Verbundene Thyristor eine integrierte Signalverstärkungsvorrichtung (306A, 308A, 308B, 314) zur Beschleunigung des Umschaltens aufweist. '

   Rei/Gu

   Ί η 3 3 / Π (13 6

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