DE2261819C2

DE2261819C2 - Bidirektionaler Thyristor

Info

Publication number: DE2261819C2
Application number: DE19722261819
Authority: DE
Inventors: Anthony Keith Lengnau Jones
Original assignee: Transistor AG
Current assignee: Transistor AG
Priority date: 1971-12-29
Filing date: 1972-12-18
Publication date: 1982-12-02
Also published as: IT976419B; GB1366967A; CH531793A; FR2169904A1; FR2169904B1; DE2261819A1

Description

Die Erfindung betrifft einen bidirektionalen Thyristor mit einem Halbleiterplättchen, in welchem zwischen dessen zwei ebenen Hauptflächen durch eine Mittelschicht des einen Leitungstyps, zwei daran angrenzende Außenschichten des entgegengesetzten Leitungstyps und je eine Zone des einen Leitungstyps, welche in jeder Außenschicht an der jeweiligen Hauptfläche an je einer

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Seite einer durch die Mittelpunkte der Hauptflächen gelegten Symmetrieebene ausgebildet ist, zwei nebeneinanderliegende Vierschicht-Strukturen vom npnp- bzw. pnpn-Typ gebildet werden, und in welchem in der ersten Außenschicht an der dazugehörigen ersten Hauptfläche zusätzlich zur ersten Zone an dar die crE'ö Zone riicht enthaltenden Seite der Symnietrieebene eine zweite Zone des einen Leiiungstyps vorhanden ist, sowie in der zweiten Außenschicht an der dazugehörigen zweiten Hauptfläche zusammenhängend mit der Zone tire. ύπε'<. Lsitungstyps an der diese Zone nicht enthaltenden Seite der Symmetrieebene ein vollflächiger Zonenbereiich desselben Leitungstyps vorgesehen ist, und mit zwei metallischen Hauptelektroden und einer metallischen Steuerelektrode, von denen jede zumindest ein Gebiet einer der genannten Zone sowie ein an sie angrenzendes Gebiet der Außenschicht bedeckt, wie er aus der DE-AS 17 64 821 bekannt ist.

Ein derartiger bidirektionaler Thyristor kann unabhängig von der Polarität der an die Hauptelektroden angelegten Betriebsspannung durch einen Steuerstrom in den leitenden Zustand geschaltet werden. Der Steuerstrom wird durch Anlegen einer Spannung an die Steuerelektrode erhalten, wobei für das Zünden des Thyristors auch die Polarität der Steuerspannung unmaßgeblich ist. Damit sind für bidirektionale Thyristoren vier Anschlußmöglichkeiten oder vier Betriebsweisen gegeben, und zwar erste Hauptelektrode positiv, zweite Hauptelektrode negativ und Steuerelektrode bezüglich der ersten Hauptelektrode entweder positiv oder negativ und erste Hauptelektrode negativ, zweite Hauptelektrode positiv und Steuerelektrode bezüglich der ersten Hauptelektrode wieder entweder positiv oder negativ. Die beiden Hauptelektroden und die Steuerelektrode bedecken je eine p-leitende und eine η-leitende Zone des Thyristorhalbleiterkörpers. Die von der Zone der Steuerelektrode injizierten Ladungsträger fließen als Steuerstrom zumindest zum Teil zu der Zone einer Hauptelektrode ab, wobei die Stärke des Steuerstromes durch den Widerstand des von den Ladungsträgern durchflossenen Bereiches einer Zone des Thyristorhnlbleiterkörpers bestimmt ist Dieser Zonenbereich muß einen Widerstandswert haben, bei dem der Steuerstrom eine zum Zünden des Thyristors ausreichende Stärke hat Im allgemeinen wird deshalb der Widerstandlsbereich im Thyristorhalbleiterkörper derart festgelegt, daß ein elektrischer Widerstand in nachfolgenden Fertigungsprozessen beispielsweise durch Ätzen, Aussetzen einer Umgebungsatmosphäre oder auch durch Bilden von Nebenschlüssen zwischen aneinandergrenxenden Zonen beeinflußt werden kann.

Es ist in der Praxis bekannt, daß bei einem bidirektionalen Thyristor, dessen n- und p-leitende Zonen im Halbleiterplättchen angeordnet sind, in das Halbleiterplättclhen au der einen Stirnfläche zwischen den der einen Hauptelektrode zugeordneten Zonen und den der Steuerelektrode zugeordneten Zonen eine Rille eingeätzt werden muß. Aus schaltungstechnischen Gründen ist es vorteilhaft und erwünscht, daß ein bidirektionaler Thyristor für alle vier Betriebsarten praktisch gleiche Zündempfindlichkeit hat, d. h. daß die zum Zünden des Thyristors in den vier Betriebsarten benötigten Stärken des Steuerstromes und damit die Werte des elektrischen Widerstandes der Widerstandsbereiche praktisch gleich sind oder zumindest in der gleichen Größenordnung liegen. Um das zu erreichen, ist es allgemein üblich, die Rillen mit auf ihrer Länge variierender Breite und liefe zu ätzen, so daß die Nebenschlußwiderstände tier verschiedenen Widerstandsbereiche bei dem jev/dläg'··- i'hyristoi pra^sc'i •«!eich sind. Bei der Fabrikation soieiier bidireiuimvcler 7iK~-stofen ist das zusätzliche Arbeitsprozesse erfordernde Einätzen der Rillen sehr aufwendig.

L':i der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ii.ir,i demgegenüber darin, den bekannten bidirektionalen Thyristor der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß in allen Betriebsarten etwa die gleiche Zündspannung ausreicht, ohne daß dabei zu deren Herstellung zusätzliche Arbeitsprozesse erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in der ersten Außenschicht die zweite Zone des einen Leitungstyps und ein daran grenzendes Gebiet dieser Außenschicht ringsum zu einem Teil von der ersten Zone des einen Leitungstyps und zum anderen Teil von einer mit dieser zusammenhängenden und den gleichen Leitungstyp aufweisenden bandförmigen Nebenzone eingeschlossen ist, daß der Außenrand des vollflächigen Zonenbereichs in LLs.ge und Form dem Außenrand der Nebenzone gleich ist ur»J daß beide Außenränder derart angeordnet sind, daß sich in allen Betriebsarten gleich lange Strompfade ergeben, an denen jeweils der die für die Zündung des Thyristors erforderliche Ladungsträger-Injektion auslösende Spannungsabfall entsteht

Da bei dem erfindungsgemäßen Thyristor die Nebenzone gleichzeitig mit der ihr zugehörigen Zone des Leitungstyps der Mittelschicht im Halbleiterplättchen erzeugt werden kann, sind bei der Herstellung der erfindungsgemäßen bidirektionalen Thyristoren keine zusätzlichen Ätzprozesse erforderlich.

Bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Thyristors sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 10.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung ausführlich erläutert. Es zeigen

Fig. 1 a bis Ic in der Sicht von oben, im Schnitt und in der Sicht von unten ein für ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen bidirektionalen Thyristors dotiertes und mit Anschlußelektroden belegtes Halbleiterplättchen,

Fig.2 die IV-Kennlinie eines bidirektionalen Thyristors,

F i g. 3a und 3b in Aufsicht und im Schnitt ein kreisrundes Halbleiterplättchen mit einem gegenüber der Ausführung nach den Fig. la ... Ic leicht abgeändertem Zonenaufbau und

F i g. 4a ... 4c in der Sicht von oben, im Schnitt und in Sicht von unten ein dotiertes quadratisches Halbleiterplättchen.

Be^; d(.m Ausführungsbeispiel nach den Fig. la, Ib und Ic ist ein kreisrundes Halbleiterplättchen 1 mit planparallelen Hauptfüchen 2 und 3 vorgesehen, dessen Durchmesser z. B. 5 mm und dessen Dicke z. B. 220 μΐη beträgt Das Plättchen 1 möge aus n-leitendem Silizium-Einkristall mit dem spezifischen Widerstand von z. 9.20 Clcm hergestellt sein. Durch Eindiffundieren von Akzeptormaterial wie etwa von Gallium- oder Boratomen, ·«' an den beiden PlättchensurnHächen je eine p-leitende Außenschicht 5, 6 gebildet, die rund 50 μΐπ dick ist, sr faZ /wischen den beiden Hauptflächen 2, 3 de^c mibHterplättchens drei Schichten übereiiiarideriiegen, von welchen die mittlere Schicht 4 η-leitend und die beiden Außenschichten 5 und 6 D-ieitend «sinr¹- Die beiden Dn-ÜberEanesflächen oder

pn-Übergangsschichten 16 und 17 erstrecken sich hierbei bis in die Mantelfläche des Plättchens. Die Außenschleifen 5 und 6 werden vorteilhaft an den Stirnflächen 2 und 3 höher dotiert als an den Über.üangsflächen 16 und 17. In einem weiteren Diffuiiionsvorgang sind in den beiden Außenschichten 5 und B an deren Stirnfläche 2 bzw. 3 liegende hochdotierte Zonen 7, 10 und 8 gebildet. In der Zeichnung ist der Leitfähigkeitstyp einer Schicht oder Zone: in Klammern nach deren Bezugszeichen angege- to ben, wobei eine hohe Dotierung, wie üblich, durch ρ * b/w. η + angegeben ist. Die auf der unteren Stirnfläche 3 des Plättchens 1 liegende hochdotierte ρ^f-leitende Zone· B hat die Form eines halben Kreisringes (F i g. Ic), der bei dem 5-mm-Plättchen dieses Ausführungsbeispieles einen großen Radius von 2,25 mm und einen kleinen Radius von 0,75 mm hat und auf der kreisrunden Stirnfläche 3 konzentrisch angeordnet ist, so daß sich die swraden Randteile 8a der ρ+ -Zone 8 längs eines Durchmessers der Stirnfläche 3 erstrecken und sich die Zone 8 auf der einen Hälfte, in der Zeichnung auf der linkem Hälfte des durch eine Symmetrieebene 5 in zwei Hälften aufgeteilt gedachten Plättchens befindet. An der oberen Hauptfläche 2 sind zwei p ⁺ -leitende Zonen 7 und 10 vorhanden. Die eine Zone 7 entspricht in Größe « und Form der Zone 8 auf der unteren Hauptflache 3, liegt jedoch rechts der Symmetrieebene 5, alco auf der rechten Plättchenhälfte. Die zweite ρ+ -leitende Zone 10 auf der oberen Hauptfläche 2 hat die Form eines HaIbIkreises mit einem Radius von 0,45 mm und befindet sich Huf der linken Plättchenhälfte, wobei der Mittelpunkt der halbkreisförmigen Zone 10 mit dem Mittelpunkt der Hauptfläche 2 zusammenfällt, so daß die geraden Randteile der beiden p + -leitenden Zonen 7 und ItI Auf einem Durchmesser der Hauptfläche 2 in der js genannten Symmetrieebene Sliegen.

In den Hauptflächen 2 und 3 der beiden p-leitenden Außenschichten 5 und 6 des Halbleiterplättchens 1 grenzi an jede der p + -leitenden Zonen 7, 10 und 8 eine hochdotierte η+ -leitende Zone 9, 11 und 12. Auf der unteren Hauptfläche 3 bedecken die p + -leitende Zone 8 und die η+ -leitende Zone 12 ein kreisförmiges Gebiet, das den bereits erwähnten Radius von 2,25 mm hat. Die n + -leilende Zone 12 auf der Hauptfläche 3 hat demnach die Form von zwei aneinanderliegenden Halbkreisen, von denen der große einen Radius von 2,25 mm und der kleine einen Radius von 0,75 mm hat (Fig. Ic), wobei das große halbkreisförmige Gebiet der n + -Zone 12 in Fig. Ic rechts und das kleine halbkreisförmige Gebiet 12' dieser Zone links der Symmetrieebene 5 liegt. An der oberen Hauptfläche 2 ist der links der Symmetrieebene S liegenden halbkreisförmigen p+-leitenden Zone 10 auf der rechten Plättchenhälfte eine ebenso große halbkreisförmige η+-leitende Zone 11 zugeordnet, so daß beide Zonen 10 und 11 zusammen ein in der Mitte der Hauptfläche 2 liegendes kreisförmiges Gebiet mit einem Radius von 0,45 mm einnehmen, das durch die Symmetrieebene S halbiert ist Die andere n⁺-leitende Zone '.·> der oberen Hauptfläche 2 entspricht in Größe und Form im wesentlichen der n+-leitenden Zone 12 auf der unteren Hauptfläche, setzt sich jedoch nicht aus zwei halbkreisförmigen Gebieten wie die Zone 12, sondern aus zwei Kreisringhälften zusammen, von welchen die auf der linken Plättchenhälfte liegende große Kreisringhälfte einen großen Radius von 2^5 mm und einen kleinen Radius von 0,55 mm und die auf der rechtem Plättchenhälfte liegende kleine Kreisringhälfte einen großen Radius von 0,75 mm und einen kleinen Radius von 0,55 mm hat. so daß auf der oberen Hauptfläche 2 ein kreisrundes Gebiet 18 (Radius 0,55 mm) der p-leitenden Außenschicht 5 ringsum von der η +-leitenden Zone 9 und deren kreisbogenförmigen Nebenzone 9' umgeben ist (Fig. la), wobei in dem Gebiet 18 die ρ * -leitende Zone 10 und die η+ -leitende Zone 11 liegen. Diese η * -leitenden Zonen 9, 9', 11 und 12 sind rund 25 μιτι tief und nach einem üblichen Verfahren z. B. durch Maskierung der betreffenden Stellen am Halbleiterplättchen und Eindiffundieren von Fremdatomen, wie beispielsweise von Phosphoratomen hergestellt. Die p*- und η *-Zonen können auch im Epitaxialverfahrcn hergestellt werden.

Nachdem in dem Plättchen 1 die Schichten und Zonen gebildet sind, werden die Stirnflächen 2 und } mit Metallschichten als Anschlußelektroden 13, 14, 15 belegt. Die Belegung erfolgt nach einem üblichen Verfahren, z. B. durch Elektroplattierung oder Aufdampfen von Metall im Hochvakuum. Die untere Hauptfläche 3 erhält eine kreisrunde Metallschicht, die die eine Hauptelektrode 15 des bidirektionalen Thyristors bildet und deren Radius etwas kleiner ist als der Radius der p + -leitenden Zone 8 und der n + -leitenden Zone 12 und die bis auf einen schmalen Rand beide Zonen 8 und 12 bedeckt. Die obere Hauptfläche 2 erhält eine kreisringförmige Metallschicht, die die andere Hauptelektrode 13 des bidirektionalen Thyristors bildet und d>^a. bis auf einen schmalen inneren und äußeren Rand die p + -leitende Zone 7 und die n + -leitende Zone 9 sowie dereii Nebenzone 9' bedeckt. Die mittlere ρ+ -leitende Zone 10 und die η+ -leitende Zone 11 sind mit einer kreisrunden Metallschicht bedeckt, die die Steuerelektrode 14 des Thyristors bildet.

Wie in der Halbleitertechnik üblich, können viele solcher Elemente auf einer großen Halbleitcrplatte hergestellt werden. Nach c .: Aufbringen der Metallschichten, d.h. der Elektroden 13, 14, 15 wird dann die Platte in die einzelnen Elemente aufgeteilt. Bei jedem Element werden an den Elektroden 13, 14, 15 Anschlußdrähte befestigt und das derart vorbereitete Element wird in einer metallischen Halter oder einen aus Isoliermaterial bestehenden und mit einer Metallschicht überzogenen Halter montiert, was hier im einzelnen, da herkömmlich, nicht näher erläutert werden brauch!.

Fig. 2 zeigt die IV-Kennlinie eines bidirektionalen Thyristors. Ein solches Schaltelement arbeitet im ersten Quadranten \Q und im dritten Quadranten IHQ des IV-Achsenkreuzes. Erreicht die an die Haupieiektroden 13, 15 angelegte Betriebsspannung die Durchbruchspannung Vg, so zündet der Thyristor. Er bleibt °-> lange im leitenden Zustand, bis der Strom unter die Haitestromstärke Ih absinkt. Bei dem Arbeiten im ersten Quadranten IQ ist die Hauptelektrode 13 (Fig. Ib) auf der oberen Stirnfläche negativ und die Hauptelektrode 15 auf der unteren Stirnfläche 3 positiv. Bei einer solchen Polarität der angelegten Spannung werden von der n+-leitenden Zone 9 Elektronen und von der p⁺-Ieitenden Zone 8 Defektelektronen (Löcher) zur Mittelschicht 4 hin injiziert. In diesem Falle ist die η+-Zone 9 der η-Emitter (der sogenannte »Erst-Quadrant η-Emitter«) und die p⁺-Zone 8 der p-Emitter (der »Erst-Quadrant p-Emitter«).

Bei dem Arbeiten im dritten Quadranten UlQ ist die Hauptelektrode 13 auf der oberen Stirnfläche 2 positiv und die Hauptelektrode i5 auf der unieren Stirnfläche 3 negativ. Bei dieser umgekehrten Polarität der angelegten Betriebsspannung ist die η+-leitende Zone 12 auf

der unteren Stirnfläche 3 der η-Emitter (der »Dritt-Quadrant η-Emitter«) und injiziert Elektronen, während die p + -leitende Zone 7 der Defektelektronen (Löcher) injizierende p-Emitter(der »Dritt-Quadrant p-Emitter«) isl. Bei dem Betrieb im ersten wie auch im dritten Quadranten kann der bidirektionale Thyristor durch eine an die Steuerelektrode 14 angelegte Zündspannung gezü *■ iet werden, die bezüglich der an der Hauptelektrode 13 liegenden Spannung sowohl positiv als auch negativ sein kann.

Wird beim Betrieb im ersten Quadranten an die Steuerelektrode 14 eine Zündspannung gelegt, die in bezug auf die Spannung der Hauptelektrode 13 positiv ist, so fließt in der p-leitenden Schicht 5 ein Strom von der ρ+ -Zone 10 zu den kreisbogenförmigen Rand ABC der ρ+ -Zone 7. Wenn der Spannungsabfall unterhalb der n'Nebenzone 9' einige Zehntel Volt erreicht hat, werden von dieser η+-Nebenzone 9' Elektronen

ausreicht, um die sperrende Wirkung der Sperrschicht 16 zwischen der p-leitenden Schicht 5 und der η-leitenden Schicht 4 aufzuheben, zündet der Thyristor und schaltet in den leitenden Zustand, wobei der Hauptstrom von der η+ -Zone 9 durch die p-leiter.de Schicht 5, die η-leitende Schicht 4 und die p-leitende Schicht 6 zur ρ + -Zone 8 fließt.

Wird beim Betrieb im ersten Quadranten an die Steuerelektrode 14 eine bezüglich der Spannung an der Hauptelektrode negative Spannung gelegt, so werden von der η+ -Zone Il Elektronen in die p-leitende Schicht 5 abgegeben und der von der η+ -Zone U. der p-leitenden Schicht 5, der η-leitenden Schicht 4 und der p + -Zone 8 gebildete Thyristor schaltet in den leitenden Zustand. Der Strom durch diesen Thyristor ist von der Impedanz der Zünd- oder Steuerschaltung bestimmt. Die von der η+ -Zone 11 abgegebenen überschüssigen Elektronen fließen als Überschußstrom zur Hauptelektrode 13 ab und zwar quer durch die p-leitende Schicht 5 in Richtung auf den Kreisbogen ABC, wobei sie unten an der n + -Nebenzone 9' vorbeifließen. Ist der Überschußstrom so weit angestiegen, daß der Spannungsabfall unterhalb der η+ -Nebenzone 9' einige Zehntel Volt erreicht, so werden von der η ·· -Nebenzone 9' Elektronen injiziert und der von der η *-Zone 9, der p-leitenden Schicht 5, der η-leitenden Schicht 4 und der p + -Zone 8 gebildete (Haupt-)Thyristor schaltet in den leitenden Zustand.

Ist der bidirektionale Thyristor für einen Betrieb im dritten Quadranten geschaltet, d. h. ist Hauptelektrode 13 der oberen Stirnfläche 2 positiv und die Hauptelektrode 15 der unteren Stirnfläche 3 negativ vorgespannt, und liegt an der Steuerelektrode 14 eine Steuerspannung, die in bezug auf die Spannung an der Hauptelektrode 13 positiv ist, so fließt von der ρ+-Zone 10 ein Steuerstrom zur Hauptelektrode 13, und zwar wieder unter der n⁺-Nebenzone 9' vorbei und in Richtung auf den Kreisbogen ABC hin. Hat der

^rflfektivwert des Durchlaßstromes: oicuciit,^_ · .^:~> Retrieb in Quadrant: und Polarität der Steuerelektrode:

Spannungsabfall unterhalb der η+ -Nebenzone 9' einige Zehntel Volt erreicht, so werden von dieser Zone 9' Elektronen in die p-leitende Schicht 5 abgegeben. Die Elektronen erreichen die Sperrschicht 16 zwischen der p-leitenden Schicht 5 und der η-leitenden Schicht 4 und machen die η-leitende Schicht 4 in bezug auf die p-leitende Schicht 5 noch negativer, so daß die p-leitende Schicht 5 Defektelektronen (Löcher) in die η-leitende Schicht 4 abgibt. Diese Defektelektronen

ίο ihrerseits erreichen die Sperrschicht 17 zwischen der η-leitenden Schicht 4 und der p-leitenden Schicht 6 und machen die p-leitende Schicht 6 positiver als die η *-Zone 12 an der unteren Stirnfläche 3, so daß von dieser η '-/.one 12 nun Elektronen in die p-leitende

ii Schicht 6 injiziert werden und der aus der η ^f-Zone 12. der p-leitenden Schicht 6, der η-leitenden Schicht 4 und der ρ'Zone 7 bestehende (Haupt )Thyristor in den leitenden Zustand schaltet.

!s! b^p! d?m Rp'nph im rlriltpn QnaHrantpn flip an der

.'(I Steuerelektrode 14 anliegende Spannung negativ in bezug auf die Spannung der Hauptelektrode 13. so werden von der n + -Zone 11 Elektronen in die p-leitende Schicht 5 injiziert, die sich hinter der Sperrschicht 16 zwischen der p-leitenden Schicht 5 und der n-leitenden Schicht 4 ansammeln und letztere, d. h. die n-leitende Schicht 4 in bezug auf die p-leitende Schicht 5 noch negativer machen, so daß die p-leitcnde Schicht 5 nun Defektelektronen (Löcher) in die η-leitende Schicht 4 abgibt. Die sich hinter der Sperrschicht 17 zwischen der η-leitenden Schicht 4 und der p-leitenden Schicht 6 ansammelnde Defektelektronen (Löcher) fließen durch die p-leitende Schicht 6 in Richtung des Kreisbogens DCF(FJg. Ic) zur Hauptelektrode 15 ab. Erreicht der Spannungsabfall oberhalb der n + -Zone 12 einige

S5 Zehntel Volt, so werden von der n + -Zone 12 Elektronen in die p-leitende Schicht 6 injiziert und der aus der η+ -Zone 12, der p-leitenden Schicht 6, der n-leitenden Schicht 4 und der ρ + -Zone 7 bestehende (Haupt-)Thyristör schaltet in den leitenden Zustand.

*o In allen vier Fällen, d. h. beim Betrieb im ersten Quadranten mit gegenüber der Hauptelektrode 13 positiver oder negativer Steuerelektrode 14 und beim Betrieb im dritten Quadranten mit ebenfalls gegenüber der Hauptelektrode 13 positiver oder negativer

■»5 Steuerelektrode 14, erfolgt das Zünden des bidirektionalen Thyristors durch eine Ladungsträger-Injektion von einer Emitterzone, die durch den Spannungsabfall (IR) auf einem von der Mitte einer Stirnfläche 2, 3 radial zu einem Kreisbogen ABC bzw. DEF führenden Strompfad ausgelöst wird. Da die Kreisbögen ,4SCund DEf gleiche Radien haben, sind in allen vier Fällen die Strompfade gleich lang, so daß die zum Zünden erforderliche Stärke des Steuerstromes für alle vier Fälle zumindest in der gleichen Größenordnung liegt.

Entsprechend den vorstehenden Ausführungen hergestellte Thyristoren wiesen beispielsweise folgende Kennwerte auf:

= 1OA 1

/_G = 10 mA 15 mA 12 mA 14 mA

Die F i g. 3a und 3b zeigen in Aufsicht und Querschnitt einen gegenüber der Ausführung nach den F i g. 1 a, 1 b, Ic etwas abgeänderten bidirektionalen Thyristor. Die auf der oberen Hauptfläche 2 befindliche mittlere ρ+-leitende Zone 20 hat hier nicht die Form eines Halbkreises wie in F i g. 1 a, sondern von zwei in der Symmetrieebene 5 aneinanderliegenden Halbkreisen, von denen der in Fig.3a linke Halbkreis wieder einen

Radius von 0,45 mm und der rechte einen Radius von etwa 0,2 mm hat. Die an diese p + -leitende ?one 20 angrenzenden η+ -leitende Zone 21 hat bei dieser Ausführung die Form eines halben Kreisringes mit dem Außenradius von 0,45 mm und dem Innenradius von etwa 0,2 mm. Die beiden Zonen 20 und 21 sind mit einer Metallschicht beaeckt, die die Steuerelektrode 14 des Thyristors bildet. Im übrigen Stimmt diese Ausführung mit dem Thyristor der Fig. la, Ib, Ic überein, was durch die gleichen Bezugszeichen für die einander entsprechenden Schichten und Zonen angedeutet ist. Es ist bereits erwähnt worden, daß es in der Serienfabrikation üblich ist, auf einer größeren Halbleiterplatte gleichzeitig viele Halbleiterelemenie herzustellen. Da die Platte nach dem Aufbringen der Metallschichten für die Anschlußelektroden in die einzelnen Halbleiterelemente zerschnitten wird, wird meist wegen der leichteren Bearbeitung eine quadratische oder rechteckige Form der Halbleiterelemente bevorzugt. Die Fig.4a, 4b, 4c zeigen ein entsprechendes Austührungsbeispiei tür einen bidirektionalen Thyristor nach der Erfindung mit quadratischer oberer Hauptfläche 2 (Fig. 4a) und ebensolcher unterer Hauptfläche 3 (Fig. 4c). Wie bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen weist das Halbleiterplättchen zwei p-leitende Außenschichten 5 und 6 und eine η-leitende Mittelschicht 4 auf (Fig. 4b). Auf der unteren Hauptfläche 3 (F i g. 4c) liegt in der Zeichnung links der Symmetrieebene 5 die P ⁺ -leitende Zone 8 in Form eines halben Quadrates mit einer mittlere; Ausnehmung, die ebenfalls die Form eines halben Quadrates mit einer halben Kantenlänge von z. B. 0,75 mm, die dem kleinen Radius bei den vorstehend beschriebenen kreisrunden Ausführungen entspricht. Die rechte Hälfte der Stirnfläche 3 und die auf der linken Hälfte befindliche Ausnehmung der p ⁺ -Zone 8 erfüllt die n ⁺ -!eitende Zone 12. Beide Zonen 8 und 12 sind mit einer Metallschicht als Hauptelektrode

ίο 15 bedeckt. Auf der oberen Stirnfläche 2 (Fig.4a) befindet sich links der Symmetrieebene S die η + -leitende Zone 9 und rechts die p*-leitende Zone 7. Die n+-Zone 9 weist wiederum die in der rechten Hälfte liegende Nebenzone 9' auf, die hier in Form eines halben quadratischen Rahmens ausgebildet ist und zusammen mit der Zone 9 ein quadratisches Gebiet 18 der p-leitenden Außenschicht 5 einschließt. Auf dem p-leitenden Gebiet 18 befinden sich die mittleren p ⁺ -leitende Zone 20 und n ⁺ -leitende Zone 21, auf die

λι die Steuerelektrode 14 äüiiicgi. Die π * -iCücnuC t-onc *.· hat hier, ähnlich wie bei der Ausführung nach F i g. 3a, die Form eines halben quadratischen Rahmens. Sie könnte natürlich auch entsprechend der Ausführung nach Fig. la die Fläche eines Rechteckes einnehmen.

Die p ⁺-leitende Zone 7 und die η «-leitende Zone 9 sind mit der anderen Hauptelektrode 13 des Thyristors bedeckt. Beim Zünden des Thyristors laufen die bereits beschriebenen Vorgänge ab.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Bidirektionaler Thyristor mit einem Halbleiterplättchen, in welchem zwischen dessen zwei ebenen Hauptflächen durch eine Mittelschicht des einen Leitungstyps, zwei daran angrenzende Außenschichten des entgegengesetzten Leitungstyps und je eine Zone des einen Leitungstyps, welche in jeder Außenschicht an der jeweiligen Hauptfläche an je einer Seite einer durch die Mittelpunkte der Hauptflächen gelegten Symmetrieebene ausgebildet ist, zwei nebeneinanderliegende Vierschicht-Strukturen vom npnp- bzw. pnpn-Typ gebildet werden, und in welchem in der ersten Außenschicht an der dazugehörigen ersten Hauptfläche zusätzlich zur ersten Zone an der die erste Zone nicht enthaltenden Seite der Symmetrieebene eine zweite Zone des einen Leitungstyps vorhanden ist, sowie in der zweiten Außenschicht an der dazugehörigen zweiten Hauptfläche zusammenhängend mit der Zone des einen Leitungstyps an der diese Zone nicht enthaltenden Seite der Symmetrieebene ein voliflächiger Zonenbereich desselben Leitungstyps vorgesehen ist, und mit zwei metallischen Hauptelektroden und einer metallischen Steuerelektrode, von denen jede zumindest ein Gebiet einer der genannten Zonen sowie ein an sie angrenzendes Gebiet der Außenschicht bedeckt, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Außenschicht (5) die zweite Zone (11, 21) des einen Leitungstyps und ein daran grenzendes Gebiet (18, 10,20) die· ^r Außenschicht (5) ringsum zu einem Teil von der ersten Zone (9) de* einen Leitungstyps und zum anderen Teil von einer mit dieser zusammenhängenden und den gleichen Leitungstyp aufweisenden bandförmigen Nebenzone (9') eingeschlossen ist, daß der Außenrand (DEF) des vollflächigen Zonenbereichs (12') in Länge und Form dem Außenrand (ABC)der Nebenzone (9') gleich ist und daß beide Außenränder derart angeordnet sind, daß sich in allen Betriebsarten gleich lange Strompfade ergeben, an denen jeweils der die für die Zündung des Thyristors erforderliche Ladungsträger-In;ektion auslösende Spannungsabfall entsteht.

2. Thyristor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (9, 9', 11; 21, 12, 12') des Leitungstyps der Mittelschicht (4) hochdotiert sind.

3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß an jede hochdotierte Zone (9,9', 11 j 21, 12, 12') des Leitungstyps der Mittelschicht (4) seitlich, an der betreffenden Hauptfläche (2, 3) freiliegend, eine hochdotierte Zone (7,10; 20,8) des Leitungstyps der Außenschichten (S, 6) angrenzt, daß die Steuerelektrode (14) und die Hauptelektroden (13, 15) jeweils außer dem von ihnen kontaktierten Gebiet einer der den Leitungstyp der Mittelschicht (4) aufweisenden hochdotierten Zone (9, 11, 21, 12, 12) noch die an diese Zone jeweils seitlich angrenzende, den Leitungstyp der Außenschichten (5, 6) aufweisende hochdotierte Zone (7, βο 10, 20, 8) bedeckt und daß die die erste Zone (9) bedeckende Hauptelektrode (13) deren Nebenzone (9') bedeckt.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der die erste Zone (9) enthaltenden Seite der Symmetrieebene (9) die der zweiten Zone (11, 21) zugehörige hochdotierte, den Leitungstyp der Außenschichten (5, 6) aufweisenden Zone (10,

20) sowie die den Leitungstyp der Außenschichten aufweisende an der zweiten Hauptfläche (3) freiliegende hochdotierte Zone (8) und auf der die zweite Zone (U, 21) enthaltenden Seite der Symmetrieebene (S) die Nebenzone (9') der ersten Zone (9) und die dieser zugehörige hochdotierte Zone (7) des Leitungstyps der Außenschichten (S, 6) liegen.

5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenzone (9') an der ersten Hauptfläche (2) die Form eines halben Kreisringes und der Zonenbereich (12') der an der zweiten Hauptfläche (3) befindlichen Zone (12) mit dem Leitungstyp der Mittelschicht (4) die Form eines Halbkreises mit einem dem Außenradius der kreisringförmigen Nebenzone (9') gleichen Radius hat, und daß an der ersten Hauptfläche (2) die den Leitungstyp der Mittelschicht (4) aufweisende zweite Zone (11,21) zusammen mit der ihr zugehörigen, den Leitungstyp der Außenschichten (5,6) aufweisenden hochdotierten Zone (10, 20) eine kreisrunde Fläche bedecken, deren Radius kleiner als der Innenradius der kreisringförmigen Nebenzone (9') ist.

6. Thyristor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (11) des Leitungstyps der Mittelschicht (4) die Form eines Halbkreises hat

7. Thyristor nach Anspruch 5_r dadurch gekennzeichnet, daß Jie zweite Zone (21) des Leitungstyps der Mittelschicht (4) die Form eines halben Kreisringes hat

8. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die den Leitungstyp der Mittelschicht (4) aufweisende zweite Zone (21) zusammen mit der ihr zugehörigen den Leitungstyp der Außenschichten (5, 6) aufweisenden hochdotierten Zone (20) an der ersten Hauptfläche (2) eine rechteckige oder quadratische Fläche bedecken, deren Seitenhalbierende in der Symmetrieebene (S) liegt, daß die Nebenzone (9') die Form eines halben rechtwinkligen Rahmens für die genarm. · Fläche hat, und daß an der zweiten Hauptfläche (3) der Zonenbereich (12') der den Leitungstyp der Mittelschicht (4) aufweisenden Zone (12) eine Fläche einnimmt, die in Größe und Form gleich der durch den Außenrand (A', B'. C) der Nebenzone (9') und deir Symmetrieebene (^begrenzten Fläche ist.

9. Thyristor nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Leitungstyp der Mittelschicht (4) aufweisende zweite Zone (21) und die ihr zugehörige, den Leitungstyp der Außenschichten (5, 6) aufweisende hochdotierte Zone (20) je eine Hälfte der von beiden zusammen belegten rechteckigen oder quadratischen Fläche einnehmen.

10. Thyristor nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die den Leitungstyp der Mittelschicht (4) aufweisende zweite Zone (21) die Form eines halben rechtwinkeligen Rahmens hat.