DE2163922B2 - Feldeffekt-thyristor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich au^f einen Feldeffekt-Thyristor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein gewöhnlicher Feldeffekt-Thyristor weist eine Anordnung von vier Schichten abwechselnder Leitungstypen auf, von denen die äußeren Schichten mit Elektroden verbunden sind, während zur Steuerung in .-,o einer Zwischenschicht über eine isoliert aufgesetzte Steuerelektrode durch Feldwirkung ein Leitkanal induziert wirde (siehe Fig. 1). Ein Thyristor diesen Aufbaus läßt jedoch nur kleine Ströme zu. Aus der DT-OS 20 22 925 ist ein als Feldeffekt-Thyristor wirkendes Halbleiter-Bauelement bekannt, bei dem die beeinflußte Zwischenschicht mit einer weiteren Steuerelektrode verbunden ist (siehe Fig. 2). Dieses bekannte Bauelement läßt zwar durch geeignetes Anschließen der weiteren Steuerelektrode im Vergleich zum gewöhnlichen Feldeffekt-Thyristor höhere Ströme zu, weist jedoch eine relativ niedere Sperrspannungsfestigkeit auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Feldeffekt-Thyristor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu schaffen, der bei großer Strombelastbarkeit eine sehr hohe Sperrspannungsfestigkeit besitzt und der im Betrieb stabil ist.

Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Mitteln gelöst. r>o

Durch das Ausbilden einer weiteren Leitfähigkeitsschicht auf die feldgesteuerte Zwischenschicht mit zu dieser entgegengesetzter Leitfähigkeitsart und durch Anbringen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Elektrode und der Steuerelektrode wird die Sperrdurchbruchsspannung von zwei pn-Übergängen getragen und dadurch beträchtlich erhöht, wobei die Vorteile der hohen Strombelastbarkeil gewahrt bleiben. Dadurch ist ein Leistungsschaltelement geschaffen, bei dem vorteilhafterweise sowohl der zulässige Strom als auch die zulässige Sperrdurchbruchsspannung hoch sind.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist auf dem ersten Bereich ein weherer fünfter Bereich mit der ersten Leitfähigkeit gebildet, auf dem nunmehr anstelle auf dem ersten Bereich die erste Elektrode gebildet ist Auf diese Weise entsteht ein bidirektionales Schaltelement, das die Vorteile des Feldeffekt-Thyristors nach der Erfindung, nämlich hohe Strombelastbarkeit und große Sperrspannungsfestigkeit besitzt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fi g. 1 und 2 zeigen Querschnitte von Feldeffekt-Thyristoren gemäß dem Stand der Technik;

Fig.3 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform des FeJdeffekl-Thyristors gemäß der Erfindung;

Fig.4 zeigt ein Äquivalenzschaltbild des Thyristors nach F i g. 3;

Fig. 5 zeigt die Spannungs-Stroinkennünien des Thyristors nach F i g. 3;

Fig.6 zeigt eine Spannungs-V« Widerstands-/?^ Kennlinie des Thyristors nach F i g. 3;

Fig. 1 zeigt eine Spannungs-Stromkennlinie des Thyristors nach F i g. 3 bei einem Widerstand Rs— O:

F i g. 8 zeigt eine Spannungs- V_G-Spannungs- W Kennlinie des Thyristors nach Fi g. 3;

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform des Feldeffekt-Thyristors nach der Erfindung.

In den Fig. 1 und 2 sind konventionelle Thyristoren gezeigt. Der in Fig. 1 gezeigte Feldeffektthyristor mit drei Anschlüssen besitzt einen n-leitfähigen Halbleiterkörper 1, p-leitfähige Bereiche 2 und 3, die zueinander in Abstand auf dem n-Halbleiterkörper gebildet sind, einen n-leitfähigen Bereich 4, der in dem p-Bereich 3 gebildet ist, eine Isolierschicht 5 und Elektroden 6, 7 und 8, die jeweils auf dem p-Bereich 2, dem n-Bereich 4 und auf der Isolierschicht 5 zwischen den Bereichen 2 und 3 gebildet sind. Diese Elektroden 6, 7 und 8 dienen als Anode, Kathode und Steuerelektrode.

Der in F i g. 2 gezeigte FeldePektthyristor mit vier Anschlüssen besitzt einen n-leitfähigen Halbleiterkörper 9, p-leitfähige Bereiche 10 und 11, einen n-leitfähigen Bereich 12, eine Isolierschicht 13 und Elektroden 14, 15 und 16 in gleicher Weise wie der Thyristor nach Fig. 1. Dieser Thyristor besitzt ferner eine weitere Elektrode 17, die auf der anderen Oberfläche des Halbleilerkörpers 1 gebildet ist. Die Elektroden 14, 15, 16 und 17 dienen jeweils als Anode, Kathode, erste und zweite Steuerelektrode.

Der Thyristor nach Fig.2 besitzt eine viel größere Stromkapazitäl als der Thyristor nach Fig. I, weist jedoch keine sehr hohe Sperrdurchbruchsspannung auf. Dieser Nachteil wird mit der Erfindung behoben.

Der Feldeffekt-Thyrislor besitzt gemäß der Darstellung in Fig.3 einen n-leitfähigen Halbleiterkörper 18, φ-leitfähige Bereiche 19 und 20, einen anderen n-leitfähigen Bereich 21, eine Isolierschicht 22, Elektroden 23, 24, 25 und 26 und einen anderen p-leitfähigen 'Bereich 27, der zwischen dem Körper 18 und der ^Elektrode 26 sitzt. Der Vorteil dieses Thyristors gegenüber dem bekannten Thyristor nach F i g. 2 ergibt ,sich aus dem p-leitfähigen Bereich 27, der mit der ^Elektrode 23 elektrisch leitend verbunden ist,
, Nachstehend werden die Eigenschaften und Prinzipien des Feldeffekt-Thyristors anhand des Schaltungs-

beispiels nach Fig.4 beschrieben. Die Bezugsziffern und Symbole in F i g. 4 entsprechen denen in F i g. 3. Die Anschlüsse A, K und G sind der Anoden-, Kathoden- und Steuerschluß. Zwischen die Elektrode 23 und den Anodenanschluß A ist ein Lastwiderstand Rl geschaltet, während ein Widerstand Rszwischen die Elektroden 23 und 26 geschaltet ist. Die Strom-Spannungskennlinien zwischen den Elektroden 23 und 24 sind in F i g. 5 gezeigt. Am Anfang (V=O), befindet sich der Thyristor im Spernustand (Aus-Zustand). Wird die Spannung V erhöht, schaltet er bei der Spannung Vs auf einen Leitzustand (Ein-Zustand) um Wird die Spannung V kleiner gemacht, schaltet der Thyristor unter Rücklaufen zu einer Spannung Vr vom Leitzustand zum Sperrzustand. Der Wert von Vr hängt von dem Wert des Widerstandes R_s ab. Wie in Fig.6 gezeigt ist, nähern sich bei kleinem R_s die Werte Vs und Vr einander an, weil nämlich Vr größer wird, wenn Rs klein wird.

Die Strom-Spannungskennlinien zwischen den Elektroden 23 und 24 in dem Zustand Rs=O, d. h. wenn die Elektroden 23 und 24 kurzgeschlossen sind, sind in F i g. 7 gezeigt. Für den Thyristor nach F i g. 3 erhält man eine negative Widerstandscharakteristik, wenn die Elektrode 23 positiv wird. In Fig. 7 ist Vsr> die Schaltspannung bei Fehlen einer Steuerspannung. Wird an die Steuerelektrode eine negative Spannung angelegt, nimmt die Schaltspannung nach Vsi, Vs₂, Vs₃ ab, wie dies i.i Fig. 7 gezeigt ist. Die Schalt-pannung wird natürlich größer, wenn an die Steuerelektrode eine positive Spannung angelegt wird. Die Art dieser Änderung ist in F i g. 8 als Beziehung zwischen der Schallspannung Vs und der Sleuerspannung V_c gezeigt. In F i g. 7 stellt feiner V_ßdie Sperrdurchbruchsspannung dar. Ein Vorteil des Thyristors liegt darin, daß eine hohe Sperrdurchbruchsspannung V_B ermöglicht ist. Bei den bekannten Thyristoren, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, betrug V_B höchstens 100 V, während V₈ bei dem erfindungsgemäßen Aufbau bis fast 1000 V erhöht werden kann. Dies wird dadurch herbeigeführt, daß die Sperrdurchbruchsspannung von zwei pn-Übergängen getragen wird, z. B. in F i g. 3 den beiden Übergängen zwischen den n- und p-Bereichen 18 und 27 und zwischen den n- und p-Bereichen 21 und 20. Es wurden zwar in den vorhergehenden Ausführungen Leitungslypen angegeben; es ist jedoch offensichtlich, daß durch Vertauschen der Leitungstypen keine Funktionsänderung auftritt. Durch die Thyristorfunktion des vierschichtigen pnpn-Aufbaus ist die Grundlage zur Bildung einer negativen Widerstandscharakteristik gegeben.

Es ist auch möglich, einen npnpn- oder pnpnp-Aufbau zu bilden, wie er in Fig.9 gezeigt ist. In diesem Fall arbeitet die Vorrichtung als bidirektionales Schaltelement. Die in Fig.9 gezeigte Halbleitervorrichtung besitzt einen n-leitfähigen Halbleiterkörper 28, p-leitfähige Bereiche 29, 30 und 31, die gemäß Darstellung in ίο dem Körper 28 getrennt gebildet sind, n-leitfähige Bereiche 32 und 33, die in den p-leitfähigen Bereichen 29 und 30 gebildet sind, eine auf einer Oberfläche gebildete Isolierschicht 34 und Elektroden 35, 36, 37 und 38, die auf den Bereichen 32 und 33, der Isolierschicht und dem Bereich 31 gebildet sind. Die Elektroden 37 und 38 arbeiten als erste und zweite Steuerelektrode. Das Halbleitergrundmaterial wird hier durch die bekannten Elemente Ge, Si, GaAs, SiC, GaP oder InAS gebildet.

Bei einer konkreteren Ausführungsform des Thyristors nach der Erfindung wurde zuerst ein in Fig.3 gezeigtes Element durch die bekannte Störstoffdiffusionstechnik unter Verwendung von n-leitfähigem Silizium gebildet. In diesem Falle wurde als Isolierschicht 22 SiO₂-FiIm verwendet. Mit diesem Element wurde eine Schaltung nach Fig.4 aufgebaut Mit der Einteilung Rs=O in der Schaltung wurden die Stromspannungskennlinien gemessen und dann die in F i g. 7 gezeigte negative Widerstandscharakteristik erhalten. Wegen Rs-O waren in diesem Fall die Werte von Vs und V« identisch. Der Wert von Vs änderte sich entsprechend dem Abstand zwischen den p-Bereichen

19 und 20 und dem spezifischen Widerstand des n-leitfähigen Halbleiterkörpers 18 im Bereich von etwa

20 bis 800 V. Als Sperrdurchbruchsspannung wurden bis zu 1000 V erreicht, was im Vergleich zu bekannten

Thyristoren weit besser ist. Ferner erstreckte sich der steuerbare Strom von einigen zehn Milliampere bis zu einigen zehn Ampere.

Wie im vorhergehenden beschrieben wurde, können

mit dem Feldeffekt-Thyristor nach der Erfindung Ströme von einigen zehn Milliampere bis zu einigen zehn Ampere allein durch die Steuerspannung ein- und ausgeschaltet werden, wobei ferner eine Sperrdurchbruchsspannung bis zu 1000 V möglich ist, so daß daher

der Thyristor als Leistungsschaltelement hohen technischen Wert hat.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Feldeffekt-Thyristor mit einem Halbleitersubstrat eines Leitungstyps mit zwei Hauptflächen, einem ersten und einem zweiten Bereich, die auf einer Fläche des Halbleitersubstrats gebildet sind und einen gegenüber dem des Halbleitersubstrats entgegengesetzten Leitungstyps besitzen, einem in dem zweiten Bereich gebildeten vierten Bereich mit dem zuerst genannten Leitungstyp, einer Isolierschicht, die auf der Substratoberfläche zumindest zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich gebildet ist, einer ersten und einer zweiten Elektrode, die mit dem ersten bzw. vierten Bereich verbunden sind, und einer ersten Steuerelektrode auf der Isolierschicht, gekennzeichnet durch einen au! der anderen Oberfläche des Halbleitersubstrats (18) gebildeten dritten Bereich (27) mit gegenüber dem Substrat entgegegegensetztem Leitungstyp, eine mit diesem Bereich (27) verbundene zweite Steuerelektrode (26), und einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen der ersten Elektrode (23) und der zweiten Steuerelektrode (26).

2. Feldeffekt-Thyristor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen fünften Bereich (32) mit dem einen Leitungstyp der auf dem ersten Bereich (29) gebildet ist, wobei statt auf dem ersten Bereich nun auf dem fünften Bereich (32) die erste Elektrode (35) gebildet ist.