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Thyristor Die Frfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Thyristor
mit einem verbesserten Verhalten für eine gleichförmige Finschaltung und einen Schutz
gegen Abschaltung.
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Bekanntlich ist bei torgesteuerten Thyristoren die Stromänderungsgeschwindigkeit,
die üblicherweise mit di/dt bezeichnet wird, begrenzt. Es wurde weiterhin beobachtet,
daß der maximale, sicher anwendbare Wert von di/dt für einen gegebenen Thyristor
eine direkte Funktion des Wertes des zur Steuerung des Thyristors verwendeten Gate-
oder Torsignales ist.
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Um die F Finschaltgeschwindigkeiten zu verbessern und um schwächere
Torsignale sicher verwenden zu können, wurde bisher vorgeschlagen, die Kathoden-Fmitterschicht
eines Thyristors in ein Haupt- und ein Hilfssegment zu unterteilen.
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Dabei schaltet dann das Torsignal das Hilfssegmet des Thyristors ein
und dieses Hilfssegment wird zur Finschaltung des Hauptsegmentes verwendet. Bei
dieser Anordnung ist ein schwaches Torsignal möglich, da der Thyristor-Hilfsabschnitt
klein ist im Vergleich zum Thyristor-Hauptabschnitt. Weiterhin wirkt der Thyristor-Hilfsabschnitt
wie ein Zwischenverstärker, indem er das Torsignal zum Thyristor-Hauptabschnitt
überträgt, um diesen einzuschalten.
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Obwohl die Verwendung eines Thyristor-0Iilfsabschnittes durchaus eine
Verbesserung hinsichtlich der Finschaltcharakteristiken darstellt, besteht eine
Schwierigkeit noch darin, daB eine nur lokalisierte Finschaltung entweder des Haupt-
oder des Hilfsabschnittes auftreten und eine lokalisierte hohe Stromdichte zu einer
Zerstörung des Flementes führen kann.
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Wenn weiterhin das Tor oder Gate zunächst bezüglich der Kathode positiv
ist, um das Einschaltsignal auf diese zu übertragen, so nähert sich, wenn einmal
ein lokalisierter Teil der Kathode eingeschaltet ist, das Potential der Kathode
dem Potential der Anode und kann bezüglich zum Tor positiv werden.
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Dies kann zu einem Abschaltstrom führen, der aus dem Torleiter herausfließt
und eine lokalisierte Stromanhäufung und eine Zerstörung des Bauelementes hervorruft.
Dies kann entweder infolge eines Stromflusses von dem Thyristor-ltilfsabschnitt
zum Torleiter oder vom Thyristor-Hauptabschnitt zuni Thyristor-Hilfsabschnitt geschehen.
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Fs ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Frfinduncr, einen torgesteuerten
Thyristor mit einem Thyristor-Hilfsabschnitt zu schaffen, der auf hervorragende
Weise gegen lokalisierte große Stromdichten geschützt ist, die durch eine lokalisierte
Überhitzung eine Zerstörung des Bauelementes hervorrufen können. Ferner soll der
torgesteuerte Thyristor mit einem Thyristor-Hilfsabschnitt in der Lage sein, den
Strom beim Finschalten schnell zu verteilen und den Stromfluß zu begrellzeno der
das Bauelement abzuschalten versucht.
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Diese und andere Auf gaben der Frfindung werden gemäß einem Ausführungsbeispiel
durch einen Thyristor gelöst, der aus einem Halbleiterelement mit vier Schichten
aus einem und dem entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufgebaut ist. Die Schichten
sind zwischen benachbarten Schichten des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps eingeschichtet
und bilden zahlreiche pn-Übergänge. Die Schichten weisen eine erste Emitterschicht
und benachbart hierzu eine erste Basisschicht auf. Die erste Fmitterschicht enthält
ein Hauptsegment und ein hierzu seitlich beabstandetes Hilfssegment. Finem ersten
Teil der ersten Basisschicht, der von dem Hauptsegment durch das Hilfssegment getrennt
ist, ist eine Gate- oder Torelektrode zugeordnet. Ferner sind Mittel vorgesehen,
um einen stromleitenden Pfad zur Überbrückung des Überganges vom Hilfssegment zu
einem zweiten Teil der ersten Basisschicht zu bilden, der zwischen den Haupt- und
Hilfssegmenten eingefügt ist. Ferner ist eine zweite Fmitterschicht vorgesehen und
erste und zweite Hauptkontakte sind dem Hauptsegment bzw. dieser zweiten Fmitterschicht
zugeordnet. Zu jedem Teil der Basisschicht gehören seitliche Widerstände zur seitlichen
Verteilung des hindurchtretenden Stromflusses, und wenigstens einer dieser seitlichen
Widerstände weist ein diffundiertes Balastsegment auf, das einen passiven Teil der
ersten Fmitterschicht bildet.
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Die Frfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand
der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnun.s>ren zweier Ausführungsbeispiele
beschrieben.
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Fig. 1 ist ein schematischer Vertikalschnitt eines ersten Ausführungsbeispieles
der Frfindung.
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Fig. 2 ist eine I)raufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel clr-r
Frfindung, in der ein lIalbleiterelement zusammelt mit einem Torleiter, ltolltakten
und einer leitenden S<liicht gezeigt sind.
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Fig. 3 ist eine schematische Schnittdarstellung entlang der -Schnittlinie
3-3 in Fig. 2 und enthält zusätzlich eine obere Stützplatte und einen dielektrischen
Abstandshalter, die in Fig. 2 weggelassen sind.
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Die in den Figuren gezeigten Schnittbilder sind mit einer stark vergrößerten
Dicke im Vergleich zur Breite dargestellt, um die strukturellen Merkmale der Ausführungsbeispiele
besser darstellen zu können. Die Schnittlinien sind in den Halbleiterelementen weggelassen,
damit sie die zeichnerischen Darstellungen nicht stören.
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In Fig. 1 ist ein Halbleiterelement 100, das monokristallines Silicium
sein kann, mit einer ersten Hauptfläche 102 und einer zweiten Hauptfläche 104 dargestellt.
Das Halbleiterelement wird von vier der Reihe nach angeordneten Schichten gebildet,
die sich zwischen den gegenüberliegenden Hauptflächen erstrecken. Fine erste Fmitterschicht
106 liegt neben der ersten Hauptfläche. Dieser ersten Fmitterschicht benachbart
ist eine erste Basisschicht 108, von der sich Teile bis zur ersten Hauptfläche erstrecken.
Fine zweite Basisschicht 110 liegt neben der ersten Basisschicht, und eine zweite
Fmitterschicht 112 liegt zwischen der zweiten Basisschicht 110 und der zweiten Haupt
fläche 104. Die einander benachbarten Schichten sind aus einem entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp gebildet, so daß zwischen ihnen pn-Übergänge eingefügt sind. Auf
diese Weise wird ein Fmitterübergang 114 zwischen der zweiten Fmitter- und Basisschicht
und ein Basisübergang 116 zwischen den Basisschichten gebildet.
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Die erste Fmitterschicht ist seitlich durch Zwischenabschnitte der
ersten Basisschicht segmentiert, so daß zwischen diesen Schichten zahlreiche funktionell
unabäie Übergänge gebildet werden. Die erste Fmitterschicht weist ein Hauptsegment
118 und ein Hilfssegment 120 auf, die seitlich beabstandet sind. Die erste Basisschicht
umfaßt eine Hauptzone 122, die
unter dem Hauptsegment liegt, und
eine Hilfszone 124, die unter dem Hilfssegment liegt. Tine Gatezone 126 liegt innerhalb
der Hilfszone, während eine Seitenzone 128 sich zwischen der Haupt- und Hilfszone
erstreckt, Fin erstes diffundiertes Ballastsegment 130 der ersten Emitterschicht
ist so gebildet, daß es bezüglich des Hilfssegmentes innen zu liegen kommt.
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Fin zweites diffundiertes Ballastsegment 132 der ersten Emitterschicht
ist der Seitenzone zwischen dem Haupt- und Hilfssegment zugeordnet. In dem gezeigten
Ausführungsbeispiel ist jedes Segment der ersten Fmitterschicht in der Konfiguration
kreisförmig und konzentrisch angeordnet.
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Fin erster Hauptkontakt 134 ist leitend mit dem Hauptsegment 118 der
ersten Fmitterschicht verbunden. Fin zweiter Hauptkontakt 136 steht mit der zweiten
Hauptfläche 104 der zweiten Fmitterschicht 112 leitend in Verbindung. Über einem
Außenabschnitt des Hilfssegments liegt eine leitende Schicht 138, die sich seitlich
nach außen über dieses hinaus erstreckt und mit der Seitenzone 128 der ersten Basisschicht
leitend verbunden ist. Diese leitende Schicht 138 liegt aber noch mit einem seitlichen
Abstand innen von dem zweiten diffundierten Ballastsegment 148. Die Tor- oder Gateelektrode
140 ist durch die Gatemetallisierung 142 mit einem Mittelteil der Torzone an der
ersten Hauptfläche 102 -verbunden, und erstreckt sich soweit nach außen, daß sie
über dem Innenrand des ersten diffundierten Ballastsegmentes zu liegen kommt.
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Aus einer Betrachtung der Übergänge zwischen der ersten Fmitter- und
Basisschicht wird deutlich, daß die Gatemetallisierung 142 den Innenrand des ersten
Ballastüberganges 144 kurzschließt, der zwischen dem ersten Ballastsegment und der
Gatezone 126 gebildet ist Gleichzeitig schließt die leitende Schicht 138 den Außenrand
des Hilfs-Fmitterüberganges 146 kurz, der zwischen dem Hilfssegment 120 und der
ersten Basisschicht gebildet ist. Der zweite Ballastüberffant: 148, der durch das
zweite Ballastsegment 132 und die Seitenzone
gebildet wird, ist
nicht kurzgeschlossen. Der erste Hauptkontakt kann in bekannter Weise mit der Hauptzone
der ersten Basisschicht 108 kurzgeschlossen sein, aber der Haupt-Emitterübergang
150, der durch das Hauptsegment 118 und die Hauptzone 122 gebildet wird, ist vorzugsweise
in der Nahe seines Innenumfanges nicht durch den ersten Hauptkontakt kurzgeschlossen.
Obwohl der erste Hauptkontakt 134 mit der gleichen Ausdehnung wie die erste Fmitterschicht
dargestellt ist, wird in der Praxis dieser erste Hauptkontakt mit seinem Innenrand
in einem geringen Abstand außen vom Innenrand der ersten Emitterschicht angeordnet.
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Obgleich der Finfachheit halber die Gatemetallisierung 142, die leitende
Schicht t38 und die ersten und zweiten Hauptkontakte 134, 136 als aus gleichförmigen
Metallschichten gebildet dargestellt sind, so sei doch darauf hingewiesen, daß diese
Flemente aus einer oder zahlreichen Schichten aus gleichen oder unähnlichen Metallen
hergestellt sein können1 wie es in der Technik allgemein bekannt ist. Vorteilhafterweise
werden diese Flemente aufplattiert oder auf andere Weise direkt mit den gegenüberliegenden
Hauptflächen des Halbleiterelementes verbunden, bevor die übrigen F7emente der Halbleitervorrichtung
hinzugefügt werde, so daß iese Elemente eine nur eine geringe Impedanz aufweisende
Grenzfläche mit dem Halbleiterelement bilden.
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Mit den ersten bzw. zweiten Hauptkontakten werden erste und zweite
Stützplatten 152 und 154 verbunden. Diese Stützplatten sind mit der gleichen seitlichen
Ausdehnung dargestellt wie die Hauptkontakte. Wenn das Halbleiterelement aus einem
Siliciumkristall gebildet ist, wird vorteilhafterweise ein Metall, wie z.B. Wolfram,
Molybdan, Fernico, Kovar der Tantalum verwendet, das einen thermischen Koeffizienten
voll weniger als 1 x 10-5 cm / cm pro °C oder, was noch besser ist weniger als 0,5
x 10-5 cm/ cm pro oC bsitzt. Filze @ler BE
Stützplatten können direkt
mit den Hauptkontakten verbunden oder diesen ohne eine direkte Bindung nur physikalisch
zugeordnet werden. Die äußeren Hauptflächen der Stützplatten können mit einer kaltverformbaren
leitenden Metallschicht oder einer Vorform, wie z.B. Silber oder Gold, in Verbindung
stehen, wobei die Stützplatte mit einem Anschluß- bzw. Klemmenteil zusammenwirken
soll.
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Zwischen der oberen Stützplatte 152 und dem Gateleiter 140 ist ein
dielektrischer Abstandshalter 156 dargestellt. Dieser Abstandshalter stellt sicher,
daß die gezeigte relative Lage der Stützplatte und des Gateleiters aufrechterhalten
bleibt.
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Zusätzlich schützt der Abstandshalter das zweite diffundierte Ballastsegment
davor, mit der leitenden Schicht oder Kontakten der Vorrichtung in Berührung zu
kommen-.
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Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung kann als vollständiges Halbleiterbauteil
verwendet werden, wenn die Umgebung auf spezielle Weise von Feuchtigkeit und anderen
Verunreinigungen freigehalten wird. Üblicherweise wird die Anordnung in einem hermetisch
abgeschlossenen Gehäuse üblicher Bauart für ein derartiges Halbleiterbauteil benutzt.
Beispielsweise kann die gezeigte Anordnung in ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse
eingebracht werden, wie es als Teil des Thyristors 4JC398 der General Flectric Company
im Handel ist. Anstatt die gezeigte Anordnung in ein hermetisch abgeschlossenes
Gehäuse einzubringen, kann sie auch durch ein passivierendes Schutzmaterial, wie
z.B. Silikonharz, Glas usw., eingekapselt werden. Die Art des Verpackens des Thyristors
ist jedoch nicht Gegenstand der Frfindung.
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Der Aufbau der in Fig. 1 gezeigten Anordnung kann nach bekannten Techniken
erfolgen. Typischerweise werden die Schichten des Halbleiterelementes dadurch <tebildet,
daß ein
Siliciumkristall genommen wird, der durch und durch die
Leitfähigkeitseigenschaften der zweiten Basisschicht besitzt.
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Die erste Basis- und zweite Fmitterschicht können dann dadurch gebildet
werden, daß von den gegenüberliegenden Hauptflächen ein Fremdstoff in den Kristall
eindiffundiert wird, der den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp zu demjenigen der
zweiten Basisschicht besitzt. Auf diese Weise werden der Emitterübergang 114 und
der Basisübergang gebildet. Fs ist auch wichtig darauf hinzuweisen, daß in diesem
Falle der Widerstand der ersten Basisschicht von der ersten Hauptfläche in Richtung
auf den Basisübergang ansteigt. Die segmentierte erste Fmitterschicht 106 kann durch
geeignete Maskierung der ersten Hauptfläche und durch gleichzeitige Ausbildung aller
Schichten gebildet werden. Die Haupt- und Hilfssegmente können entweder durch Diffusions-
oder Legierungsverfahren hergestellt werden. Es ist jedoch vorteilhaft, daß die
Ballastsegmente durch Diffusion gebildet werden. Der Grund hierfür liegt darin,
daß die Gleichförmigkeit und die Tiefe der diffundierten Übergänge mit einem hohen
Genauigkeitsgrad gesteuert werden können. Dies gestattet eine enge Steuerung des
Widerstandes für den Stromfluß der durch die entsprechenden Abschnitte der ersten
Basisschicht infolge der Verengung ihrer Breite in der Nähe der Ballastsegmente
hervorgerufen wird. Diesbezüglich sei darauf hingewiesen, daß es wünschenswert sein
kann, getrennte Diffusionen vorzunehmen, um die verschiedenen Segmente der ersten
Fmitterschichten zu bilden.
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Auf diese Weise kann jedes Segment mit einer Tiefe versehen werden,
die für die Funktion, die es auszuüben hat, optimal ist. Fs ist besonders wichtig,
daß die zweiten Ballastsegmente. 148 des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieles
durch Diffusion gebildet werden, denn wenn dieses zweite Ballastsegment eine Oberflächenschicht
mit einem sehr geringen Widerstand aufweist, kann verhindert werden, daß dieses
Segment während des Betriebes des gesamten Bauteiles passiv bleibt, wie es angestrebt
wird. Die mit dem ersten Ballastsegment 130
verbundene Gatemetallisierung
142 verhindert auf wirksame Weise eine Ladungsinjektion durch dieses Segment, sei
es nun durch Diffusions- oder Legierungstechniken gebildet. Wo aber die Metallisierung
einen Innenabstand vom Innenrand des inneren Ballastsegmentes aufweist, sollte dieses
Segment durch Diffusion hergestellt sein, um sicherzustellen, daß es unter üblichen
Betriebsbedingungen passiv bleibt. Die obige Beschreibung von Herstellungsverfahren
ist allein als Angabe von Beispielen gedacht, da zu berücksichtigen ist, daß in
der Technik verschiedene Verfahren zur Schichtbildung bekannt sind, die ebenfalls
auf einfache Weise zur Herstellung des erfindungsgemäßen Thyristors verwendbar sind.
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Die Wirkungsweise des in Fig. 1 gezeigten Thyristors wird anhand eines
bevorzugten Ausführungsbeispieles beschrieben, in dem die erste Emitterschicht n-leitend
und die zweite Emitterschicht p-leitend ist. Diese Beziehung der Emitterschichten
könnte selbstverständlich auch umgekehrt werden, ohne daß die Anwendbarkeit der
Erfindung in der Sache beeinflußt würde.
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Wenn an den ersten Hauptkontakt 134 ein im Vergleich zum zweiten Hauptkontakt
136 positives Potential angelegt wird, befindet sich der Thyristor im Sperrzustand,
und es fließt kein Strom durch das Halbleiterelement, da der Emitterübergang 114
in Sperrichtung vorgespannt ist. Wenn das angelegte Potential umgekehrt wird, so
daß der zweite Hauptkontakt 136 positiv ist in bezug auf den ersten Hauptkontakt,
dann bleibt das Halbleiterelement, obwohl in Durchlaßrichtung vorgespannt, nicht
leitend so lange ein Tor- oder Gatesignal fehlt, da der Basisübergang 116 in diesem
Falle in Sperrichtung vorgespannt ist und einen Stromfluß über diesen Übergang verhindert.
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Wenn das Bauteil in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, kann es leicht
von seinem stromsperrenden oder eine hohe Impedanz
aufweisenden
Zustand in seinen leitenden oder eine geringe Impedanz aufweisenden Zustand umgeschaltet
werden, indem einfach der Gateleiter 140 bezüglich des ersten Hauptkontaktes positiv
vorgespannt wird. Daraufhin fließt ein Strom vom Gateleiter zum ersten Hauptkontakt.
Der Strom fließt von der Gatemetallisierung 142 innerhalb des ersten Ballastsegmentes
130 über die Gatezone 126 und unter dem ersten Ballastsegment hinweg nach außen
zum Innenumfang des Hilfssegmentes 120. Von dem Hilfssegment fließt der Strom über
die leitende Schicht 138 nach außen, so daß der Hilfsübergang 146 überbrückt ist.
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Dann fließt der Strom von der leitenden Schicht über die Seitenzone
128 unter dem zweiten Ballastsegment 148 hinweg zum Innenrand des Hauptsegmentes
118. Schließlich fließt der Strom vom Innenrand des Hauptsegmentes zum ersten Hauptkontakt
134.
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Der Stromfluß über das Hilfssegment 120 erzeugt einen Potentialgradienten
quer über dieses Segment, der dazu führt, daß Flektronen von dem Hilfssegment entlang
des Innenrandes des Hilfsüberganges 146 in die erste Basisschicht 1O8 injiziert
werden. Dies führt zu einem Zusammenbruch der Verarmungszone, die sich unmittelbar
unter dem Basisübergang befindet, und es wird ein Stromfluß vom zweiten Hauptkontakt
am Innenrand des Hilfssegmentes entlang eingeleitet. Wenn dieser Strom das Hilfssegment
erreicht, folgt er dem Pfad des Gatesignales, wie er oben beschrieben wurde, um
den ersten Hauptkontakt zu erreichen. Der Gatesignal-Strom, der um ein Vielfaches
durch den Strom vom zweiten Hauptkontakt verstärkt ist, führt zu einer Flektroneninjektion
von dem Innenrand des Hauptsegmentes 118 in die darunter liegende Hauptzone 122
der ersten Basisschicht 108. Dies führt zu einem weiteren Zusammenbruch der zum
Basisübergang gehörenden Verarmungsschicht und dadurch entsteht ein noch größerer
Stromfluß zwischen den ersten und zweiten Hauptkontakten.
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Falls das erste diffundierte Ballastsegment 130 in dem Bauteil fehlen
würde und zwischen dem Außenrand der Gatemetallisierung und dem Innenrand des Hilfsüberganges
ein sehr kleiner Seitenabstand bestehen würde, wie es bei herkömmlichen Thyristoren
mit Thyristor-Hilfsabschnitten üblich ist, so besteht, wie leicht aus Fig. 1 hervorgeht,
zwischen der Gatemetallisierung und dem Hilfsübergang ein Pfad mit sehr kleinem
Widerstand. Wenn nun dem Bauteil das Gatesignal zugeführt wird, so fließt zunächst
kein Strom, bis ein Potentialgradient hervorgerufen ist, der ausreicht, damit eine
Vorwärtsleitung über den Hilfsübergang entsteht. Typischerweise ist ein Potentialgradient
von weniger als ein Volt notwendig, um eine Vorwärtsleitung über einen pn-Übergang
zu erzielen. Es wurde beobachtet, daß, wenn ein bestimmter Punkt auf dem Innenrand
des Hilfssegmentes durch ein Gatesignal in herkömmlichen Thyristoren eingeschaltet
ist, der Stromfluß sich nicht notwendigerweise zur Seite hin ausbreitet, so daß
sofort das gesamte Hilfssegment eingeschaltet wird. Falls die Fläche der ersten
rinschaltung sehr klein ist und wenn in dieser begrenzten Fläche eine große Stromdichte
auftritt, so kann eine augenblickliche übermäßige, lokalisierte Überhitzung des
Halbleiterelementes auftreten, wodurch eine Dauerbeschädigung des Halbleiterelementes
und eine Zerstörung des ganzen Bauteiles hervorgerufen werden kann.
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Durch die Anordnung der ersten diffundierten Ballastzone zwischen
der Gatemetallisierung 142 und dem Innenrand des Hilfssegmentes 120 wird die Länge
des Strompfades zwischen diesen Stellen und dadurch der Widerstand vergrößert, der
mit dem durch den Hilfsübergang gebildeten Widerstand in Reihe liegt.
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Dieser Reihenwiderstand bewirkt eine Begrenzung des Stromflusses über
den Punkt am Innenrand des zuerst eingeschalteten Hilfssegmentes, so daß eine ausreichende
Potentialdifferenz über dem Hilfsübergang aufrechterhalteii werden kann, um den
gesamten Innenrand des Hilfssefrmelltes ainzuschalten.
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Somit dient das diffundierte Ballastsegment 130 zur Bildung eines
Reihenwiderstandes für den Gatesignalstrom, wodurch dieser Strom in seitlicher Richtung
im wesentlichen gleichförmig verteilt wird, um den gesamten Innenrand des Hilf ssegmentes
einzuschalten. Es sei bemerkt, daß sich das erste diffundierte Ballastsegment von
den Hilfs- und Hauptsegmenten der ersten rmitterschicht dadurch unterscheidet, daß
es passiv bleibt und nicht als ein Ladungsinjektor oder Fmitter wirkt.
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Dieses Verhalten des ersten Ballastsegmentes 130 in der in Fig. 1
gezeigten Form ist direkt auf die Gatemetallisierung zurückzuführen, die den Innenrand
des ersten Ballastüberganges kurzschließt. Falls die Kurzschließung des Innenrandes
des Überganges 144 weggelassen wird, so kann das erste Ballastsegment immer noch
passiv bleiben, falls der Querwiderstand der ersten darunterliegenden Basisschicht
so gewählt ist, daß er auf ein Gatesignal hin einen Spannungsfall seitlich über
das erste Ballastsegment hervorruft, der kleiner als die Summe des Durchlaß- und
des maximalen Sperrpotentials des ersten Ballastüberganges ist. Das erste Ballastsegment
bleibt mit anderen Worten solange passiv, wie dem Strom vom Gate zum Hilfssegment
ein kleinerer Widerstand entgegengesetzt ist, wenn dieser unterhalb des ersten Ballastsegmentes
fließt, als wenn er durch das Ballastsegment hindurchfließen würde. Da das maximale,
durch den ersten Ballastübergang aufrechterhaltbare Sperrpotential eine direkte
Funktion des Oberflächenwiderstandes ist, kann ein eingeätzter oder auf andere Weise
eingelassener bzw. hinterdrehter Teil der ersten Hauptfläche neben dem Außenrand
des ersten Ballastüberganges eingefügt werden, damit das erste Ballastsegment auch
dann mit Sicherheit passiv bleibt, wenn bei dem Halbleiterelement der spez.
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Widerstand des ersten Ballastsegmentes und der ersten Basisschicht
nach innen ansteigt, wie es für durch Diffusion gebildete Schichten typisch ist.
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Das zweite diffundierte Ballastsegment bewirkt, daß eine
Zerstörung
des Halbleiterelementes infolge einer Stromanhäufung verhindert wird, die durch
die Finschaltung des Hauptsegmentes über einer kleinen Fläche neben seinem Innenrand
hervorgerufen wird. Der Signalstrom zusammen mit dem vom zweiten Hauptkontakt über
das Hilfssegment übertragenen Strom, d.h. der Ausgangsstrom des Thyristor-Hilfsabschnittes
des Bauteiles, wird unter das zweite Ballastsegment abgelenkt.
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Dadurch wird die Länge des Strompfades vergrößert und desgleichen
muß der Strom durch den darunterliegenden Teil der ersten Basisschicht fließen,
der durch das Ballastsegment in der Breite verengt ist. Wenn darüber hinaus die
erste Basisschicht durch Diffusion gebildet ist, wird der Stromfluß von dem oberen,
einen kleineren Widerstand aufweisenden Teil der Basisschicht, zu dem unteren, einen
größeren Widerstand aufweisenden Abschnitt abgelenkt. Alle diese Faktoren tragen
zusammen dazu bei, daß das zweite Ballastsegment den seitlichen Widerstand vergröß-ert,
der mit dem Vorwärtswiderstand des Hauptemittertberganges 150 in Reihe liegt. Wenn
demzufolge ein Punkt auf dem Innenrand des Hauptsegmentes eingeschaltet wird, so
trägt dieser zusätzliche Reihenwiderstand dazu bei, daß über dem llauptemitterübergang
die erforderliche Potentialdifferenz aufrechterhalten bleibt, damit der gesamte
Innenrand des Überganges eingeschaltet und der Stromfluß in praktisch gleichförmiger
Weise zur Seite hin verteilt wird. Aus diesem Grunde wird eine Stromanhäufung, eine
lokalisierte Überhitzung und eine hieraus resultierende Beschädigung des Bauteiles
vermieden. Die Aufrechterhaltung des passiven, keine Ladung injizierenden Zustandes
des zweiten diffundierten Ballastsegmentes kann noch zuverlässiger dadurch erzielt
werden, daß sich die leitende Schicht 138 soweit nach außen erstreckt, daß sie den
Innen rand des zweiten Ballastüberganges kurzschließt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel
ist der Widerstand unterhalb des zweiten Ballastsegmentes 132 der ersten Basisschicht
so gewählt, daß auf das Gatesignal und das Strom signal des Thyristor-Ililfsabschnittes
hin seitlich über das
zweite Ballastsegment ein Potentialabfall
geliefert wird, der kleiner als die Summe des Durchlaß- und des maximalen Sperrpotentials
des zweiten Ballastüberganges ist. Auch hier kann wieder die erste Hauptfläche neben
dem Außen rand des zweiten Ballastüberganges eingeätzt oder auf sonstige Weise vertieft
sein, um ihre maximale Sperrspannung zu vergrößern und infolgedessen die Passivität
dos zweiten Ballastsegmentes sicherzustellen.
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Neben der Verbesserung der Gleichförmigkeit des Stromflusses während
der Einschaltung, wodurch eine schnelle Finschaltung mit größerer Zuverlässigkeit
gestattet ist, schützen die erfindungsgemäßen Ballastsegmente auch vor einer Beschädigung
des Bauteiles, die darauf zurückzuführen ist, daß das Bauteil abzuschalten versucht,
bevor es voll eingeschaltet ist. Wenn beispielsweise eine kleine Fläche am Innenrand
des Hilfssegmentes eingeschaltet hat, kann es auf einen Potentialwert ansteigen,
der etwa gleich demjenigen des zweiten Hauptkontaktes ist. In diesem Falle kann
der eingeschaltete Abschnitt des Hilfssegmentes positiv sein bezüglich des Gateleiters,
anstatt daß er bezüglich des Gateleiters negativ ist, wie es zunächst bei der Aufnahme
des Gatesignales der Fall ist. Die Umkehr der Polarität zwischen der eingeschalteten
Fläche des Hilfssegmentes und dem Gateleiter kann das Ansteigen eines Sperr- oder
Abschaltstromflusses von dem Bauteil aus dem Gateleiter heraus verursachen. Dadurch
besteht selbstverständlich die Tendenz, daß wenigstens ein Teil jedes Gatesignales
aufgehoben wird, das über den Gateleiter an das Bauteil geliefert wird. Demztlrol;e
wird das zur Ausbreitung der eingeschalteten Fläche des Hil1sseg mentes verfügbare
Gatesignal verkleinert, während zur gleichen Zeit die vom zweiten Kaptkontakt zum
Etilfssegment führende Stromdichte schnell ansteigt. Wenn das erste Ballastsegment
fehlt, ist es möglich, daß die zunächst eingescha1et
Fläche des
Hilfssegmentes infolge der Stromanhäufung überhitzt wird, die direkt auf den beschriebenen
Abschaltmechanismus zurückführbar ist. Da jedoch das Ballastsegment einen vergrößerten,
in Reihe liegenden Seitenwiderstand zwischen irgendeiner eingeschalteten Fläche
des Hilfssegmentes und dem Gateleiter hervorruft, bewirkt es eine Begrenzung dieses
Stromes, und es unterdrückt jede Tendenz des Bauteiles in Richtung auf eine Abschaltung.
In insgesamt analoger Art und Weise reduziert das zweite Ballastsegment ähnlich
jede Tendenz in Richtung auf eine Stromanhäufung entlang des Innenrandes des Hauptsegmentes
infolge des Abschaltmechanismus auf ein Minimum. Es wird dabei deutlich, daß das
Ballastsegment gegen eine Zeitabschaltung des Bauteiles schützt, falls der Gateleiter
einmal zu irgendeiner Zeit negativ vorgespannt sein sollte, wenn irgendein Teil
des Bauteiles eingeschaltet ist. In den meisten Fällen ist es vorteilhaft, daß der
durch das erste Ballastsegment in der ersten Basisschicht hervorgerufene Seitenwiderstand
größer als der Seitenwiderstand ist, der durch das zweite Ballastsegment erzeugt
wird, da von dem Thyristor-Hauptabschnitt ein größerer Abschaltstrom hingenommen
lierden-kann als von dem Thyristor-Hilfsabschnitt.
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In den Figuren 2 und 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der Frfindung
dargestellt. Hier ist ein Halbleiterelement 200, das erste und zweite Hauptflächen
202 bzw. 204 aufweist, mit vier Schichten 206, 208, 210 und 212 versehen. Die einander
benachbarten Schichten besitzen den entgegengesetzten Le itfähigkeitstyp. Fin smittertbergang
214 ist zwischen der zweiten Fmitterschicht 212 und der zweiten Basisschicht 210
Srebildet, während zwischen der zweiten Basisschicht und der ersten Basisschicht
ein Basisübergang 216 ausgebildet ist.
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Die erste Fmitterschicht 206 ist aus einem Hauptsegment 218, einem
Hilfssegment 220 und einem diffundierten Ballastsegment 930 auiErebaut. Das Ballastsefrment
bildet einen Ballastiil)erfr,tllft~ "44 mit inr ersten Basisschicht, währenti das
Hilfssegment
einen Hilfsübergang 246 mit der ersten Basisschicht bilde-t. Das Hauptsegment bildet
einen Hauptübergang 250 mit der ersten Basisschicht.
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Die erste Basisschicht wird durch eine Hauptzone 222, die unter dem
Hauptsegment der ersten Emitterschicht liegt, und einer unter dem Hilfssegment liegenden
Hilfszone 224 gebildet. Binde Gatezone 226 erstreckt sich von dem Innenrand des
Hilfsüberganges nach innen. Fine Seitenzone, die durch einen Mittelteil 228 a und
seitlich verlaufende Fingerteile 228 b gebildet wird, verläuft vom Außenrand des
Hilfssegmentes zum Hauptsegment. Es sei darauf hingewiesen, daß die Außenfläche
der Seitenzone mit Abstand innen von der ersten Hauptfläche 202 des Halbleiterelementes
angeordnet ist. Dies kann auf einfache Weise durch Ätzen von der ersten Hauptfläche
202 nach unten erzielt werden.
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Ein erster Hauptkontakt 234 ist leitend mit dem Hauptsegment verbunden.
Vorzugsweise ist er mit einem kleinen Seitenabstand zur Seitenzone der ersten Basisschicht
angeordnet, um sicherzustellen, daß kein Teil des ersten Hauptkontaktes die Seitenzone
kurzschließt, sondern daß er die gleiche Ausdehnung wie der Innenrand des Hauptsegmentes
aufweist. So ist es auch in Fig. 3 dargestellt. Gleichzeitig erstreckt sich der
Außenumfang des ersten Hauptkontaktes nach außen über den Außenrand des Hauptüberganges
250 hinaus, um den Außenrand der ersten Basisschicht kurzzuschließen. Um jedoch
einen Randkurzschluß über den gesamten Umfang des ersten Hauptkontaktes zu verhindern,
sind im Umfang des ersten Hauptkontaktes zahlreiche Einbuchtungen 258 ausgebildet,
so daß ein Teil seines Randes in bezug auf den Außenrand des Hauptüberganges innen
endet. Schließlich ist mit der zweiten Hauptfläche 204 ein zweiter Hauptkontakt
236 verbunden.
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Eine leitende Schicht ist aus einem Mittelteil 238 a und
zahlreichen
integralen Fingerteilen 238 b gebildet. Der Mittelteil der leitenden Schicht liefert
einen leitenden Pfad vom Hilfssegment zum Mittelteil der Seitenzone und schließt
dabei den Außenrand des Hilfsüberganges 246 kurz. Die Fingerteile 238 b der leitenden
Schicht liegen über den Fingerteilen 228 b der Seitenzone; sie sind aber mittig
hierzu und mit einem Seitenabstand zum Hauptsegment 218 angeordnet. Sin Gateleiter
240 ist in der Mitte des Halbleiterelementes angeordnet und nahe der ersten Hauptfläche
und innen vom Ballastsegment mit der Gatezone 226 verbunden. Der Gateleiter kann
mit einer nicht gezeigten Gatemetallisierung in Verbindung stehen.
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Dabei kann die Gatemetallisierung mit Innenabstand zum Ballastsegment
230 angeordnet sein oder dessen Innenrand überlappen. Fine mit dem ersten Hauptkontakt
234 verbundene Stützplatte 252 kann mit der Stützplatte 152 identisch sein. Mit
dem zweiten Hauptkontakt 236 ist eine kreisförmige Stiltzplatte 254 verbunden. Ein
dielektrischer Abstandshalter 256 ist dafür vorgesehen, den relativen Abstand zwischen
dem Gateleiter 240 und der Stützplatte 252 aufrechtzuerhalten.
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Der dielektrische Abstandshalter schützt auch das diffundierte Ballastsegment
vor einer leitenden Verbindung mit den Anschlußklemmen des Bauteiles.
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Die Wirkungsweise der in den Figuren 2 und 3 gezeigten Anordnung ist
im allgemeinen ähnlich wie diejenige des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels.
Sie unterscheidet sich jedoch in bestimmten hervorzuhebenden Einzelmerkmalen. Zunächst
sei darauf hingewiesen, daß der Gateleiter nicht mit einer zugefrigen Metallisierung
versehen ist, die den Innenrand des Ballastüberganges 244 kurzschließt. In diesem
Ausführungsbeispiel der Erfindung beruht der geringe Potentialabfall bei einem Stromfluß
unter dem Ballastsegment hinweg, im Vergleich zu einem Stromfluß durch das Ballastsegment
hindurch, darauf, daß dieses Segment während des Betriebes in einem passiven, keine
Ladung injizierenden Zustand gehalten wird,
wie es oben bereits
erläutert wurde. Der Abstand zwischen der leitenden Schicht und dem Hauptsegment
erfordert einen Stromfluß durch einen Zwischenabschnitt der Seitenzone der ersten
Basisschicht, die mit Innenabstand zur ersten Hauptfläche angeordnet ist. Wenn die
Basisschicht durch. Diffusion gebildet ist, so daß ihr spez. Widerstand nach innen
ansteigt, vergrößert diese Beziehung den durch die erste Basisschicht gebildeten
Widerstand, so daß er größer ist, als wenn sich die Seitenzone bis zur ersten Hauptfläche
erstrecken würde.
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Demzufolge ist es nicht mehr erforderlich, sich auf ein Ballastsegment
zwischen dem Hilfssegment und dem Hauptsegment zu stützen, um den Seitenwiderstand
zu vergrößern und den Strom zu verteilen. Trotzdem aber könnte auf Wunsch ein Ballastsegment
in die Seitenzone eingefügt werden. Fs sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen,
daß das Ballastsegment zwischen- dem Gate und dem Hilfssegment beibehalten wird.
Der Grund hierfür liegt darin, daß die Verwendung wenigstens eines Ballastsegmentes
als ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung angesehen wird, da ein diffundiertes
Ballastsegment einen Seitenwiderstand erzeugen kann, der mit größerer Genauigkeit
und Gleichförmigkeit steuerbar ist, als dies durch alleinige Ätzung der ersten Basisschicht
von der ersten Hauptfläche erzielt werden kann. Da die genaue Steuerung des Widerstandes
zwischen dem Gate und dem Kilfssegment für ein zufriedenstellendes Leistungsvermögen
des Bauteiles kritischer ist als der Widerstand zwischen der leitenden Schicht und
dem Hauptsegment, wird es vorgezogen, die Ballastzone in der gezeigten Lage beizubehalten.
Das Einätzen der ersten Basisschicht über ihrer Seitenzone bietet den zusätzlichen
Vorteil, daß die Fingerteile 238 b der leitenden Schicht mit Innenabstand zur Stützplatte
252 angeordnet werden können.
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Demzufolge kann die Stützplatte kreisförmig sein und erfordert keine
Injizierung, um die richtige Ausrichtung bezüglich der Fingerteile zu erzielen,
wie dies beispielsweise beim zweiten Hauptkontakt der Fall ist. Selbstverständlich
ist es
aber möglich, die Fingerteile nach außen in der Fbene der
ersten Hauptfläche zu verlängern und die Stützplatte 252 mit Nuten, die mit den
Fingerteilen ausgerichtet sind, zu versehen, um für eine Trennung von der leitenden
Schicht zu sorgen. Die Fingerteile der leitenden Schicht dienen zur Vergrößerung
der Umfangsfläche der leitenden Schicht, von der aus sich ein Einschaltstrom zum
Hauptsegment hin ausbreiten kann, und bewirken eine Beschleunigung des Finschaltens
des Hauptsegmentes. Fs ist auch zu beachten, daß die Fingerteile den mittleren Abstand
zwischen einer Flächeneinheit des Emittersegmentes und dem Außenumfang der leitenden
Schicht stark verkleinern.
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Obwohl die Frfindung nur anhand bestimmter bevorzugter Ausführungsbeispiele
beschrieben wurde, so bieten sich dem Fachmann trotzdem innerhalb der gegebenen
Lehren zahlreiche Modifikationen. Anstelle der Bildung eines Thyristors mit einem
Mitteltor bzw. Mittelgate, wie es hier gezeigt wurde, könnte die Frfindung beispielsweise
auch auf einen Thyristor mit einem Umfangsgate oder einem verteilten Gate angewendet
werden. Weiterhin ist die Frfindung nicht nur auf ein Halbleiterelement mit kreisförmigem
Querschnitt, sondern auch auf Halbleiterelemente mit irgendwelchen herkömmlichen
geometrischen Konfigurationen anwendbar.