DE2461190A1

DE2461190A1 - Optisch schaltbarer halbleitergleichrichter

Info

Publication number: DE2461190A1
Application number: DE19742461190
Authority: DE
Inventors: Tatsuya Kamei; Nobutake Konishi; Takuzo Ogawa; Masahiro Okamura; Tsutomu Yatsuo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-12-24
Filing date: 1974-12-23
Publication date: 1975-06-26
Also published as: DE2461190C2; GB1485480A; US3943550A

Description

Die Erfindung betrifft einen optisch schaltbaren Halbleitergleichrichter auf einem zwei einander gegenüberliegende Hauptoberflächeη aufweisenden Halbleitersubstrat. Optoelektronische Bauelemente dieser Art sind durch ein optisches Auslösesignal umschaltbar.

Ein solches optisch aktivierbares halbleitergesteuertes Gleichrichterbauelement, das kommutatxv in zwei Richtungen umschaltbar ist, besteht beispielsweise aus einem Halbleitersubstrat mit fünf zusammenhängenden Dotierungsschichten mit alternierender Leitfähigkeit, die im Substrat einander gegenüberliegend zwei parallele steuerbare Gleichrichterbereiche bilden. Diese Gieichrxchterbereiche sind Vierschichtenbereiche, deren EndschicHt jeweils von einer der beiden äusseren fünf zusammenhängenden Schichten gebildet wird. Durch ein HauptelektrodLenpaar wird der ohmsehe Kontakt zu den jeweils äusseren Schichten und den an diese angrenzenden Zwischenschichten der Dofcierungsbereiche hergestellt. Dieses Doppelgleichrichter-Bauelement

SO 9826/0928

BAD ORIGINAL

ist durch Aufprägen eines Triggersignals steuerbar. Wenn zwischen den beiden Hauptelektroden dieses Bauelementes eine Spannung in der Weise angelegt ist, dass eine der beiden Hauptelektroden ein höheres Potential als die andere aufweist und einer der beiden steuerbaren Gleichrichterbereiche in Durchlassrichtung vorgespannt ist, so ist dieser vorgespannte Gleichrichterbereich durch Aufprägen des Auslösesignals einschaltbar.

Ist die an den Hauptelektroden des Bauelementes liegende Spannung jedoch so gepolt, dass die zweite Hauptelektrode ein höheres Potential als die im zuvor beschriebenen Beispiel erste Hauptelektrode hat, und ist der bezüglich des zuvor beschriebenen Beispiels andere ansteuerbare Gleichrichterbereich in Durchlassrichtung vorgespannt, so wird beim Aufprägen des Auslösesignals dieser Gleichrichterbereich eingeschaltet.

In den gebräuchlichsten Strukturen dieser Art wird das Auslösesignal in Form eines elektrischen Steuerimpulses über eine Steuerelektrode an eine der Schichten des Halb- · leitersubstrates angelegt. Durch den auftretenden Steuersignalstrom wird das Bauelement umgeschaltet. Diese durch elektrische Steuersignale über Steuerelektroden schaltbaren Bauelemente weisen die folgenden Nachteile auf:

(1) Bei symmetrischer Umschaltung in zwei Richtungen müssen zwei Steuerelektroden und daiit auch zwei elektrisch voneinander isolierte Steuerschaltnetze vorgesehen sein.

(2) Wenn trotzdem nur eine einzige Steuerelektrode und ein einziger Steuerkreis vorgesehen ist, wird die Gefahr der Fehl- oder Frühschaltung, also die Gefahr des Umschaltens vor dem Auftreten des Steuersignalstroms und damit die Gefahr des Umschaltens vor dem beabsichtigten Zeitpunkt verstärkt. Diese Tendenz beruht auf der Tatsache,

5038 2 6/0928

dass die Steuerelektrode in jedem Fall in der Nähe der beiden Vierschichtenbereiche liegen muss. Diese Gefahr ist insbesondere in jenen Bereichen des Bauelementes gross, in denen in Richtung der.Normalen auf eine der Substratoberflächen gesehen, die Oberfläche teilweise die äussere Dotierungsschicht überlappt, von der eine Teiloberfläche in dieser Substratoberfläche freiliegt. (3) Bei Bauelementen der genannten Art mit nur einer elektrischen Steuerelektrode ist es ausserordentlich schwierig, ein symmetrisches Schaltverhalten zu erhalten, (h) Zur Vermeidung unerwünschter gegenseitiger Beeinflussungen zwischen den beiden steuerbaren und ansteuerbaren Vierschichtengleichrichterbereichen müssen diese in der Weise ausgebildet sein, dass ihre jeweiligen äusseren Dotierungsschichten in Richtung der Flächenormalen der Schichten deutlich getrennt voneinander angeordnet sind. Zwischen den beiden ansteuerbaren Halbleiterbereichen muss ein elektrisch isolierender Dreischichtenbereich vorgesehen sein. Dieser Aufbau wiederum erfordert zwei Steuerelektroden und führt zu dem unter (1) genannten Nachteil. (5) "Weiterhin zeigen die elektrisch angesteuerten Bauelemente der genannten Art eine ausgeprägte Neigung zur Fehlumschaltung durch Induktionserscheinungen.

Aufgrund der zuvor beschriebenen Nachteile, die bei den elektrisch angesteuerten Gleichrichterbauelementen der genannten Art unvermeidbar sind, sind die bekannten in zwei Richtungen schaltbaren Gleichrichterbauelemente auf jene Anwendungsbereiche beschränkt, in denen weder eine hohe Zuverlässigkeit noch hohe Grenzwerte für den Strom und bzw. oder die Spannung erforderlich sind.

Die beschriebenen Nachteile der elektrisch angesteuerten

509826/0928

Gleichrichterbauelemente mit symmetrischer Zweirichtung-Schaltcharakteristik werden in optisch angesteuerten Systemen vermieden, bei denen die Umschaltung durch das Aufleuchten oder Aufstrahlen eines optischen Auslösesignals auf die Oberfläche der Struktur bewirkt wird. Diese optoelektronischen Bauelemente weisen zwei elektrisch voneinander isolierte Vierschichtenstrukturen auf, die durch eine einzige galvanisch getrennte Lichtquelle ansteuerbar sind. Der wesentliche Nachteil, den die bekannten optisch umschaltbaren Gleichrichterbauelemente aufweisen, liegt darin, dass die Ansteuerempfindlichkeit der beiden Vierschichtenbereiche unterschiedlich voneinander sind. Bei der Ansteuerung der Bereiche durch ein optisches Triggersignal liegt der Bereich, in dem die das Umschalten bewirkenden Ladungsträger erzeugt werden, in der Nähe der zentralen in Sperrichtung vorgespannten Übergänge, also in der Nähe der zwischen den p-leitenden und der η-leitenden Dotierungsschichten gebildeten pn-Übergänge. Ausserdem muss das auslösende Photosignal in der Weise · aufgeleuchtet werden, dass die Umgebung der Zentralübergänge genau getroffen wird, wenn die Schalt- und Ansteuerempfindlichkeit verbessert werden soll. Wenn die beiden Vierschichtenbereiche durch eine auf eine der Substratoberflächen leuchtende Lichtquelle angesteuert werden sollen, ist die Entfernung zwischen der die optische Strahlung aufnehmenden Oberfläche des Bauelementes und den in Sperrichtung vorgespannten zentralen Übergängen, in denen die für die Umschaltung erforderlichen Ladungsträger erzeugt werden, für die beiden Vierschichtenbereiche tun den Betrag der Schichtdicke der Kittleren Schicht der fünf Schichten verschieden. Mit anderen Worten ist die zur Ansteuerung des Vierschichtenbereiches, der durch an der Unterseite der Mittelschicht gebildete Ladungsträger ansteuerbar ist, benötigte Lichtmenge durch die

S09826/0928

Absorption in der Mittelschicht exponentiell geschwächt. Die optische' Ansprechempfindlichkeit des entsprechenden VierSchichtenbereichs ist also spürbar kleiner als die Ansprechempfindlichkeit des Vierschichtenbereiches, der der Ladungsträgererzeugung auf der dem einfallenden Lichtimpuls zugekehrten Oberfläche zugeordnet ist.

Zur Vermeidung dieses Nachteils ist ein optisch schaltbares halbleitergesteuertes Gleichrichterbauelement vorgeschlagen worden, bei dem die Kanten der mittleren Übergänge der beiden Vierschichtenbereiche bis auf die Seitenflächen des Halbleitersubstrats, die die beiden Hauptflächen des Halbleitersubstrats miteinander verbinden, geführt sind. Das auslösende Lichtsignal wird dann auf diese Seitenflächen gestrahlt. Dieses optisch schaltbare Bauelement weist jedoch die folgenden Nachteile auf : ( 1 ) Zur Einstellung stationärer und stabiler Betriebsbedingungen des Bauelementes müssen die seitlich freiliegenden pn-Übergänge mit einer oberflächenpassivierenden Schicht überzogen sein, wozu in der Regel ein Halbleiteroxid, Glas oder ein Kunststoff dienen. Da die Bildung solcher Überzüge jedoch in der Regel nach dem Aufbringen der Elektroden erfolgt, muss beim Auftrag der passivierenden Überzüge darauf geachtet werden, dass die Elektrodenkenndaten nicht negativ beeinflusst werden. Unter Berücksichtigung der für die Herstellung der Elektroden zur Verfügung stehenden Substanzen kommen als Überzugsmaterial für die passivierenden Überzüge im wesentlichen Kunstharze, insbesondere Siliconkautschuk, und Glas in Frage. Durch chemisches Abscheiden aus der Dampfphase oder durch Kathodenzerstäubung aufgebrachte Oberflächenpassivierungsüberzüge sind porös und wenig geeignet. Die Verwendbarkeit von Gläsern hängt sehr stark.vom jeweils verwendeten Elektrodenmaterial ab,

8098 26/0928

und zwar insbesondere dann, wenn eine Wärmebehandlung - in oxidierender Atmosphäre erforderlich ist. Vor allem aber ist die Herstellung dünner passiyierender Kunstharz- oder Glasüberzüge aif den zu beleuchtenden Oberflächen dann besonders schwierig, wenn die Photoempfindlichkeit der Strukturen nicht vermindert werden soll. (2) Das Phototriggersignal soll vorzugsweise in Richtung der Normalen der zu beleuchtenden Oberfläche auf das Bauelement gestrahlt werden, um den Reflexionsverlust so klein wie möglich zu halten. Wenn jedoch eine Seitenfläche des Bauelementes als optisch empfindliche Oberfläche ausgebildet ist, muss die Lage der Lichtquelle nach Massgabe der Seitenflächenkontur festgelegt werden. Zur optimalen Kopplung zwischen der Lichtquelle und dem optisch anzusteuernden Bauelement müssen besondere Vorrichtungen, insbesondere Justiervorrichtungen, vorgesehen werden. Trotz dieser SpezialVorrichtungen zum Justieren bleibt die eigentliche Justierung dann noch immer eine mühselige Arbeit. (3) Das steuernde Licht muss an mindestens zwei Stellen auf die Seitenflächen des Bauelementes aufge-• strahlt werden. Das erfordertjentweder eine einzelne Lichtquelle mit starker Leuchtkraft und breiter Leuchtfläche, oder erfordert den Einsatz von mindestens zwei voneinander unabhängigen Lichtquellen.

Neben den zuvor beschriebenen optisch ansteuerbaren und halbleitergesteuerten Gleichrichterbauelementen mit bidirektionalem Schaltverhalten können die Bauelemente auch so ausgelegt sein, dass sie zwei optisch ansteuerbare halbleitergesteuerte Gleichrichterstrukturen enthalten, von denen jede für sich in einer Richtung durch ein optisches Auslösesignal schaltbar sind, wobei die Schalt-.richtungen beider Teilstrukturen in der Weise ausgelegt sind, dass das Bauelement insgesamt eine Zweiwege-

S09826/0928

Umschaltcharakteristik aufweist·. Diese Strukturen weisen die gleichen Nachteile und ungelösten Probleme auf, die die optoelektronischen rialbleitergleichrichter mit echter Zweiwege-Umschaltcharakteristik zeigen, wobei die Bauelemente mit Pseudozweiwege-Umschaltcharakteristik lediglich die gegenseitigen Störeinflüsse zwischen den beiden Vierschichtenbereichen vermeiden.'

Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines durch Licht aktivierbaren, halbleitergesteuerten Gleichrichterbauelementes, das durch ein Phototriggersignal ohne die zuvor beschriebenen Nachteile umschaltbar ist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines durch Licht aktivierten halbleitergesteuerten Gleichrichterbauelementes mit hoher optischer Ansteuerempfindlichkeit. ·

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines durch Licht aktivierten halbleitergesteuerten Gleichrichterbauelementes, das ein bidirektionales Schaltverhalten aufweist.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines durch Licht aktivierten halbleitergesteuerten Gleichrichterbauelementes, das in einfacher und wirksamer Yeise an die das Schaltsignal emittierende Lichtquelle ankoppelbar ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines durch Licht aktivierten halbleitergesteuerten Gleichrichterbauelementes mit grosser Strombelastbarkeit.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist schliesslich die Schaf-

509826/0928

fung eines durch Licht aktivierten halbleitergesteuerten Gleichrichterbauelementes mit erweiterter Einsatzmöglichkeit.

Mit anderen Worten liegt also der Erfindung angesichts des beschriebenen Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein schnell und sicher schaltbares leistungsfähiges optisch ansteuerbares Gleichrichter-Halbleiterbauelement mit bidirektionalem Schaltverhalten zu schaffen, das problemlos mit der optischen Schaltsignalquelle gekoppelt werden kann und eine vollkommen symmetrische Ansteuerempfindlichkeit für beide Schaltzustände aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Halbleitergleichrichter der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, der erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch vier zusammenhängende, untereinander jeweils pn-Übergänge bildende Dotüerungsschichten mit abwechselnd voneinander verschiedener Leitfähigkeit zwischen den Substratoberflächen, durch eine erste Substratoberflaehe, in der zumindest Oberflächen einer ersten äusseren Dotierungsschicht und eines Dotierungszwischenschichtpaares freiliegen, durch eine zweite Substratoberflache, in der zumindest Oberflächen einer zweiten äusseren Dotierungsschicht und der an diese angrenzenden Dotierungszwischenschicht freiliegen, durch eine einen ohmschen Kontakt mindestens zur ersten äusseren Dotierungsschicht herstellende erste Hauptelektrode auf der ersten Substratoberfläche, durch eine einen ohmschen Kontakt zur zweiten äusseren Dotierungsschicht und der an diese angrenzenden Dotierungszwischenschicht herstellende zweite Hauptelektrode auf der zweiten Substratoberfläche, durch Mittel zum Aufstrahlen eines das Bauelement schaltenden optischen Auslösesignals auf die

509826/0928

«fijl!»r v* ·■ ■

der ersten Substratoberfläche zugewandte Grenzfläche der an die zweite äussere Dotierungsschicht angrenzenden Dotierungszwischenschicht und durch Mittel, die ein Abfliessen der durch das optische Auslösesignal in der an die zweite äussere Dotierungsschicht angrenzenden Dotierungszwischenschicht erzeugten Photoladungsträger entlang des zur zweiten Substratoberfläche parallelen Abschnittes des pn-Überganges zwischen, der zweiten äusseren Dotierungsschicht und der an diese angrenzenden Dotierungszwischenschicht bewirken können.

Das Wesen der Erfindung liegt also in der Schaffung eines optisch getriggerten Halbleiter-Gleichrichter-Bauelementes mit einer Vierschichten-pnpn-Struktur, bei der ein Teil des Randbereiches des zwischen der p-leitenden und der η-leitenden Zwischenschicht gebildeten pn-Überganges auf derselben Seite des Halbleitersubstrats freiliegt, auf der auch die äussere p-Schicht freiliegt, so dass ein optisch auslösendes Steuersignal auf den freiliegenden Randbereich des pn-Überganges aufgeleuchtet werden kann.

Das halbleitergesteuerte und optisch ansteuerbare Gleichrichterbauelement besteht also aus »einem Halbleiter.substrat, in dem durch Dotierung vier untereinander zusammenhängende Bereiche mit alternierend unterschiedlichem Leitungsverhalten hergestellt sind. Auf den einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Struktur sind je eine Hauptelektrode aufgebracht, die einen ohmseheη Kontakt zu den Bereichen der Struktur herstellen. Durch eine im Prinzip beliebige, Licht emittierende Vorrichtung kann das optische Auslössignal auf eine der beiden Hauptoberflächen der Struktur aufgestrahlt werden, Ausserdem ist das Bauelement der Erfindung so ausgebildet bzw. mit Mitteln versehen, die die durch das Photosignal erzeugten Photοladungsträger in einen Photostrom umwandeln, der in deifStruktur so fliesst,

609826/0928

- IG -

dass der zwischen der äusseren Dotierungsschicht, die in der der beleuchteten Substratoberfläche gegenüberliegenden Substratoberfläche freiliegt, und der an diese grenzenden Dotierungszwischenschicht gebildeten pn-Übergang effektiv in Flussrichtung vorspannt. Das wesentliche Merkmal der Erfindung liegt also darin, dass die an eine aussenliegende Dotierungsschicht angrenzende Dotierungszwischenschicht in der gegenüberliegenden Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegt, dass das optische Auslösesignal auf den freiliegenden Bereich dieser Zwischenschicht aufgeleuchtet wird und dass die durch die Strahlung dieses Photοtriggersignals erzeugten Photoladungsträger als Photostrom zu einem Punkt der Struktur geleitet werden, der räumlich getrennt von der Kurzschlußstelle des pn-Überganges zwiscben deräusseren Dotierungsschicht und der an diese angrenzende Doti.erungszwischenschicht liegt, so dass der Photostrom im räumlichen Bereich dieses Zielpunktes entlang deir Grenzfläche des pn-Überganges fliesst.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

. Fig. 1 in Draufsicht ein erstes Ausführungsbeispiel des Gleichrichters der Erfindung ;

Pig. 2 einen Schnitt nach II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine vergrösserte Teildarstellung des · in Fig. 2 dargestellten Schnittes;

Fig. k im Querschnitt ein zweites Ausführungs-

50 9 8 26/0928

beispiel der Erfindung;

Fig. 5 im Querschnitt ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6 in Draufsicht ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 einen Schnitt nach VII-VII in Fig. 6;

Fig. 8 ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung in Draufsicht;

Fig. 9 einen Schnitt nach VIII-VIII in Fig. 8;

Fig. 10 in Draufsicht ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 11 einen Schnitt nach XI-XI in Fig. 10.

In den Figuren 1 und 2 ist ein erstes- Ausführungsbeispiel des optisch ansteuerbaren Gleichrichter-Halbleiterbauelementes der Erfindung dargestellt. Das Substrat 1 aus einem Halbleitermaterial weist Hauptoberflächen 11 und 12 auf, die einander gegenüberliegen, und die durch eine Seitenfläche 13 miteinander verbunden sind, im Halbleitersubstrat 1 sind fünf aufeinanderfolgende Schichten so angeordnet, dass je zwei aneinandergrenzende Schichten eine unterschiedliche elektrische Leitfähigkeit haben und einen unterschiedlichen Leitungstyp aufweisen. Im einzelnen enthält das Substrat eine erste äussere η-leitende Dotierungsschicht N1,von der ein Teil in der ersten Oberfläche 11 des Substrats 1 freiliegt. Eine zweite n-leitende äussere Dotierungsschicht N2, die ebenfalls η-Leitung auf-

509826/092 8

weist« liegt mit einem Teil ihrer Grenzflächen in der zweiten Substratoberfläche 12 frei. Weiterhin ist eine erste p-leitende Dotierungszwischenschicht P1 vorgesehen, von der ein Teil in der ersten Oberfläche 11 freiliegt, und ein Teil an die erste äussere Dotierungsschicht N1 angrenzt. Die erste äussere Dotierungsschicht NT und die erste Zwischenschicht P1 bilden miteinander den pn-übergang J1. Eine zweite, p-leitende Dotierungszwischenschicht P2 liegt mit einem Teil ihrer Grenzflächen in der zweiten Substratoberfläche 12 frei. Mit anderen Flächen grenzt die Dotierungszwischenschicht P2 an die zweite äussere Dotierungsschicht N2. Die Dotierungszwischenschicht P2 und die zweite äussere Dotierungsschicht N2 bilden untereinander den zweiten pn-übergang J2. Schliesslich ist eine dritte Dotierungszwischenschicht N3 im Substrat vorhanden, die ebenfalls η-leitend ist, und zwischen der ersten Dotierungszwischenschicht P1 und der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 liegt.. Die Zwischenschichten N3 und P1 bilden untereinander den pn-übergang J3» während die Zwischenschichten N3 und P2 untereinander den pn-übergang J^ bilden. Die erste und die zweite äussere Schicht N1 und N2 sind so ausgebildet, dass sie sich, in Richtung der Flächennormalen gesehen, kaum oder gar nicht überlappen. In dieser Weise sind zwei Vierschichtenbereiche 1^ und 15 angelegt, die die Schichtenfolge N1P1N3P2 bzw. P1N3P2N2 aufweisen. Die zwischen den beiden Substratoberflächen liegenden Vierschichtenstrukturen weisen entgegengesetzte Polaritäten auf. Dabei wirken die erste und die zweite äussere Schicht als Endschichten in je einer der beiden Vierschichtenstrukturen, während die erste bzw. die zweite und die dritte Dotierungszwischenschicht die übrigen drei Schichten der genannten Vierschichtenbereiche bilden. Ein Teil der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 reicht ausserdem bis an die erste Substratoberfläche 11, in der sie freiliegt. Dazu

509826/0928

greift die zweite Dotierungszwischenschicht P2 teilweise durch die dritte Dotierungszwischenschicht N3 hindurch. Dieser Durchgriff erfolgt vorzugsweise etwa im Zentralbereich der Struktur. Er liegt zwischen den beiden einander gegenüberliegenden, zum Durchgriff parallel angeordneten Vierschichtenbereiche "\h und 15· Durch diese Ausbildung der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 und ihr Freiliegen an der ersten Substratoberfläche 11 sind der dritte pn-übergang J3 und der vierte pn-übergang J4 so ausgebildet, dass ihre freiliegenden Kantenbereiehe den in der ersten Substratoberfläche 11 freiliegenden Piachenbereich der zweiten Zwischenschicht P2 umschlies*- sen. Mit anderen Worten ist der Bereich 16 der zweiten Dotierungszwischenschicht P2, der durch die dritte Dotierungszwischenschicht N3 hindurch an der der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 gegenüberliegenden Seite auf die Substratoberfläche durchgreift, im wesentlichen im Mittelpunkt des Bauelementes angeordnet, jedoch unter Wahrung eines Abstandes zu den freiliegenden Kanten des zweiten pn-Überganges J2. Die zweite äussere Schicht N2 ist so ausgebildet, dass sie, in Richtung der Flächennormalen der Schichten gesehen, die erste Dotierungszwischenschicht PT des Vierschichtenbereiches 14 nicht überlappt.

Eine erste Hauptelektrode 2 stellt einen ohmschen Kontakt zu einer Oberfläche der ersten äusseren Dotierungsschicht N1 und zur erstejn Dotierungszwischenschicht P1 auf der ersten Substratoberfläche 11 her. Die zweite Hauptelektrode 3 ist auf der gegenüberliegenden Oberfläche 12 des Substrats aufgebracht und stellt einen ohmschen Kontakt zu den Oberflächen der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 und der zweiten D ο tierungs zwi sehe ns chi cht P 2 her.

509826/0928

Über der ersten Substratoberfläche 11 ist eine Lichtquelle h, die das optische Auslösesignal aufstrahlen kann, so angeordnet, dass beim Senden eines Schaltauslöseimpulses die freiliegenden Kantenbereiche des dritten und des vierten pn-Überganges J3 und J4 belichtet werden. Die Lichtquelle k ist vorzugsweise als Licht emittierendes Festkörperbauelement ausgebildet, vorzugsweise als Leuchtdiode, und ist in unmittelbarer Nähe des HalbleiterSubstrats angeordnet. Statt der Leuchtdiode kann jedoch gleicherweise eine externe Lichtquelle eingesetzt werden, wobei dann in dem das Halbleiterbauelement umschliessenden Gehäuse an entsprechender Stelle ein optisch durchlässiges Fenster vorgesehen ist. Weiterhin können für die Aufprägung des optischen Auslöseimpulses auf das Bauelement auch Faserlichtleiter oder andere Licht übertragende Elemente eingesetzt werden.

Weiterhin können auch die erste und die zweite äussere Dotierur\gsschicht nach Art eines kurz geschlossenen Emitters ausgebildet sein.

Die nicht von der ersten Hauptelektrode 2 bedeckten Oberflächenbereiche der ersten Substratoberfläche 11 sind mit einer Oxidschicht 5 bedeckt.

Das optisch schaltbare und ansteuerbare Gleichrichterhalbleiterbauelement kann durch selektive Diffusion hergestellt werden. Beispielsweise werden p-Leitung verursachende Dotierungsstoffe von beiden Oberflächen her in ein n-Siliciumscheibchen unter Maskierung jener Bereiche eindiffundiert, unter denen die dritte Dotierungszwischenschicht liegen soll. Anschliessend werden n-Leitung verursachende Dotierungssubstanzen unter Maskierung jener Bereiche, unter denen die erste, zweite und dritte Dotierungszwischenschicht liegen, eindiffundiert. Auf diese

509826/0928

"Weise lässt sich ein Bauelement der zuvor beschriebenen Art herstellen. Es sei jedoch betont, dass auch andere Verfahren eingesetzt werden können, wobei diese Verfahren dem Fachmann an sich bekannt sind. In jedem Fall ist die erforderliche Struktur der pn-Übergänge ohne Schwierigkeiten durch selektive Diffusion herstellbar.

Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Elektroden werden anschliessend durch Aufdampfen oder anderweitiges Plattieren aufgebracht. .

Im folgenden ist die Funktionsweise der in den Figuren und 2 gezeigten Struktur näher beschrieben.

Zunächst sei der Fall betrachtet, dass zwischen den beiden Hauptelektroden in der ¥eise ein Potential anliegt, dass die Hauptelektrode 2 gegenüber der Hauptelektrode negativ geladen ist, so dass der erste pn-übergang J1 und der vierte pn-übergang Jk in Durchlassrichtung vorgespannt sind, während der dritte pn-übergang J3 in Sperrichtung vorgespannt ist. Beim Aufstrahlen von Licht der Energie h · V (h = Plancks ehe s Wirkungsquantum; -j) = Frequenz des Lichtes) auf den in der ersten Substratoberfläche 11 freiliegenden Randbereich des dritten pn-Überganges J3 werden in der Nähe dieses freiliegenden Kantenbereiches des dritten pn-Überganges J3 Ladungsträgerpaare .erzeugt. Die Elektronen fliessen zur dritten Dotierungszwischenschicht N3 ab und werden dort gesammelt, während die Defektelektronen zur ersten Dotierungszwischenschicht PI abfliessen und sich dort ansammeln. Durch diesen Zufluss der Photodefektelektronen wird das an der ersten Dotierungszwischenschicht P1 liegende Potential allmählich, abgebaut. Wenn dann aufgrund dieses Potentialabbaus die am ersten pn-Übergang J1 liegende aussere Spannung zunächst und insbesondere in den rechtwinkligen Randbereichen, in der Fig.

509826/0928

im rechten Teil des Überganges, die innere aufgebaute Spannung übertrifft, beginnt eine Elektroneninjektion an dieser Stelle aus der ersten äusseren Dotierungsschicht N1 in die erste Dotierungszwischenschicht P1. Diese in die erste Dotierungszwischenschicht P1 injizierten Elektronen diffundieren über den dritten pn-übergang J3 in die dritte Dotierungszwischenschicht N3j so dass das Potential der dritten Dotierungszwischenschicht N3 zunimmt. Wenn anschliessend die am vierten pn-übergang J^l liegende Vorspannung grosser als die interne Spannung wird, beginnt die Injektion von Defektelektronen aus der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 in die dritte Dotierungszwischenschicht N3. Diese injizierten Defektelektronen diffundieren aus der dritten Dotierungszwischenschicht N3 in die erste Dotierungszwischenschicht P3 und erzeugen so am ersten pn-übergang J1 eine Vorspannung in Durchlassrichtung. Dadurch aber wird wiederum die Injektion von Elektronen aus der ersten äusseren Dotierungsschicht N1 gefördert. Wenn nach Wiederholung des zuvor beschriebenen Prozesses die Summe der Stromverstärkungsfaktoren Ccpnp + anpn der beiden Transistoräquivalente grosser als Eins wird, beginnt der Vierschichtenbereich 1Ί zu leiten.

Wenn dagegen das an der ersten Hauptelektrode 2 liegende Potential gegenüber dem an der zweiten Hauptelektrode 3 liegenden Potential positiv ist, sind der zweite und der dritte pn-übergang J2 und J3 in Durchlassrichtung vorgespannt, während der vierte pn-übergang Jk in Sperrrichtung vorgespannt ist. Beim Einstrahlen von Licht auf die freiliegenden Kantenbereiche des vierten pn-Überganges Jk auf der ersten Substratoberfläche 1 schaltet in gleicher Weise der Vierschichtenbere^ch 15 durch. Der Auslösemechanismus ist im einzelnen im Zusammenhang mit der Fig. näher beschrieben.

509826/0928

Durch Lichteinstrahlung werden in der Nähe der Substratoberfläche 11 im Bereich des vierten pn-Überganges JU Ladungsträgerpaare erzeugt. Die Defektelektronen sind durch leere Kreise, die Elektronen durch schwarz ausgefüllte Kreise in der Fig. 3 dargestellt. Die Defektelektro_r nen werden in der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 gesammelt. Die Elektronen werden in der dritten Dotierungszwischenschicht N3 gesammelt. Die in der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 angesammelten Defektelektronen fliessen durch den kanalartigen Durchlass 16 in Richtung auf die zweite Substratoberfläche 12 ab. In der Nähe der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 fliessen sie seitlich entlang dem zweiten pn-übergang J2 ab. Dadurch sinkt das an der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 liegende Potential ab. Venn die auf den zweiten pn-übergang J2 an dem in der Figur links liegenden Punkt der ersten. Dotierungszwischenschicht P1 liegende Spannung grosser als die intern aufgebaute Spannung wird, beginnt die Elektroneninjektion aus der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 in die zweite Dotierungszwischenschicht P2. Die auf diese Weise in die zweite Dotierungszwischenschicht P2 injizierten Elektronen diffundieren in die dritte Do tierungs zwischenschicht N3 ein. Dadurch wächst das Potential der dritten Dotierungszwischenschicht N3 an, so dass die am dritten pn-Übergang J3 liegende Vorspannung grosser als die intern aufgebaute Spannung wird. Unter diesen Bedingungen werden jedoch Defektelektronen aus der ersten Dotierungszwischenschicht P1 in die dritte Dotie-r rungszwischenschicht N3 injiziert. Diese Defektelektronen diffundieren dann in die zweite Dotierungszwischenschicht P2, so dass schliesslich der zweite pn—Übergang J2 in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Das führt wiederum dazu, dass die Injektion von Elektronen aus der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 in die zweite Dotierungszwischenschicht P2 gefördert wird. Nach Wiederholung dieses Prozesses wird der zweite Vierschichtenbereich 15 in den leitenden Zustand

509826/0928

-überführt, also durchgeschaltet, wenn die den beiden Teiltransistoräquivalenten entsprechenden Stromverstärkungsfaktoren ocnpn + apnp grosser als Eins werden. Der Übergang des Vierschichtenbereiches 15 in den leitenden Zustand erfolgt also unter der Injektion von Elektronen aus der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 in die zweite Do— tierungszwischenschicht P2 als treibender Kraft. Diese Elektroneninjektion aus der zweiten äusseren Schicht N2 in die zweite Dotierungszwischenschicht P2 ist darauf zurückzuführen, dass der durch das Phototriggersignal verursachte Photostrom seitlich über den Pfad A entlang der Grenzfläche des zweiten pn-Überganges J2 in der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 abfliesst. Der daraus resultierende Spannungsabfall bewirkt eine Vorspannung des zweiten pn-Überganges J2 in Durchlassrichtung. Der Vierschichtenbereich 15 geht dann in den leitenden Zustand über, wenn die Menge der aus der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 in die zweite Dotierung.szwischenschicht P2 injizierten Elektronen einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Die Anzahl der aus der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 in die zweite Dotierungszwischen— schicht P2 injizierten Elektronen ist im wesentlichen dem Grad der Vorspannung des zweiten pn-Überganges J2 in Durchlassrichtung proportional. Dieser Grad, in dem der zweite pn-übergang J2 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, hängt wiederum vom Betrag des Spannungsabfalls ab, der durch den seitlich gerichteten Fluss des Photostromes entlang dem Pfad A (Fig. 3) in der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 ist. Der Betrag dieses durch den Photostrom verursachten Spannungsabfalls ist wiederum der Länge des Photostrompfades A proportional. Wenn mit anderen Worten die Ansprechempfindlichkeit des Elementes für

das umschaltende Photoauslösesignal vergrössert werden soll, also zur Auslösung ein schwächeres Phototriggersignal erforderlich sein soll, muss der Pfad A des seitlichen

509826/0928

Photostromflusses in der zweiten Dotierungszwischenschicht P 2 verlängert werden. Aus diesem Grund ist in der in den Figuren dargestellten ¥eise der kanalartige Abschnitt 16 der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 vorzugsweise so angeordnet, dass er in seiner Längsachse senkrecht auf den Mittelpunkt der Hauptebene der zweiten ausseren Dotierungsschicht N2 weist. Selbst wenn der zweite pn-übergang J2 auch durch die in Richtung des. Pfades B fliessende Photo— stromkomponente in Durchlassrichtung vorgespannt wird, vermag diese Photostromkomponente jedoch nicht die Durchschaltung auszulösen, da in diesem Bereich das Zusammenwirken der ersten Dotierungszwischenschicht P1 mit dem in Durchlassrichtung vorgespannten zweiten pn-übergang J2 nicht gegeben ist. Wenn jedoch die Impedanz des Pfades B · gegenüber der Impedanz des Pfades A sehr klein ist, wird die Ansprechempfindlichkeit der Durchschaltung spürbar vermindert, da die Hauptkomponente des Photostromes wirkungslos über den Pfad B abfliesst. Es ist daher dafür zu sorgen, dass die Hauptkomponente des Photostromes auf dem Pfad A abfliesst. Vorzugsweise ist daher in der zweiten ausseren Dotierungsschicht N2 eine Kurzschlussöffnung vorgesehen, durch die die zweite Dotierungszwischenschicht P2 mit der zweiten Hauptelektrode 3 in Kontakt gebracht wird, wodurch das Element mit höheren zeitlichen Spannungsgradienten dV/dt belastet und höheren Temperaturen ausgesetzt werden kann. Die Längsachse des Kanals 16 in der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 weist vorzugsweise direkt auf diese Kurzschlussöffnung in der zweiten ausseren Dotierungsschicht N2.

Der optisch schaltbare halbleitergesteuerte Gleichrichter der Erfindung ist also im Prinzip so aufgebaut, dass die mittleren pn-Übergänge der beiden Vier Schichtenbereiche, die aneinandergrenzend angeordnet sind, zwischen diesen

5 09826/0928

beiden Vierschichtenbereichen beide in derselben Substratoberfläche freiliegen. Dadurch wird ermöglicht, dass beide Vierschichtenbereiche durch Aufstrahlen eines optischen Auslösesignals auf ein und dieselbe Substratoberfläche schaltbar sind. Ausserdem wird die Länge des seitlichen Strompfades für den Photostrom verlängert, der das Durchschalten jenes Vrferschichtenbereiches bewirkt, der weiter von der Lichtquelle als der andere entfernt ist. Durch diese Verlängerung des seitlichen Photostrompfades in der zweiten Dotierungszwischenschxcht wird die Ansprechempfindlichkeit des zugeordneten Vierschichtenbereiches erhöht, und zwar praktisch so weit, dass sie der Ansprechempfindlichkeit des anderen Vierschichtenbereiches entspricht. Dadurch wird erreicht, dass beide Vierschichtentexlbereiche bei einfachen Beleuchtungsbedingungen und einfachem Aufbau des Bauelementes praktisch die gleiche Umschaltauslöseempfindlichkeit besitzen. Dieser Vorteil kann darauf zurückgeführt werden, dass das optische Auslösesignal, das bei üblichen Bauelementen im Halbleitersubstrat signifikant geschwächt wird, in einweniger stark abgeschwächtes elektrisches Signal umgewandelt wird. Die Schaltinformation wird dann in Form dieses weniger stark gedämpften elektrischen Signals durch das Halbleitersubstrat zu seinem Funktionsbereich geführt. Dabei spielt weiterhindie Passivierung der Substratoberfläche durch einen sehr dünnen Halbleiteroxidüberzug eine Rolle.

Das Bauelement der Erfindung zeichnet sich weiterhin dadurch aus, dass das Phototriggersignal auf einen nur sehr kleinen Oberflächenbereich aufgestrahlt zu werden braucht, so dass also auch Lichtquellen mit kleinem Querschnitt einsetzbar sind, und zwar vorzugsweise GaAs-Leuchtdioden.

Für die Bauelemente der Erfindung wesentlich und typisch ist weiterhin, dass deutlich höhere Aktivierungsströme

509826/0928

verwendet werden können, da die beiden Hauptelektroden den ohmschen Kontakt zum Element auf den beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen herstellen. Schliesslich ist ein wesentlicher Vorteil der optoelektronischen Bauelemente der Erfindung die Tatsache, dass eine der Hauptoberflächen des Substrats als optische Sensorfläche dient, so dass das von der Steuerlichtquelle ausgesandte optische Auslöse signal' fast verlustlos auf das Substrat einwirkt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren h und 5 beschrieben. Der Oberflächenbereich, der von der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 in der ersten Substratoberfläche 11 freiliegt, ist vergrössert. Dadurch wird die Auslöseansprechempfindlichkeit des Vierschichtenbereiches 15 gegenüber dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel erhöht. Mit anderen Worten kann also durch eine Vergrösserung jener Fläche des zweiten Dotierungszwxschenbereiches P2, die in der ersten Oberfläche 11 freiliegt, die für die Auslöseschaltung erforderliche Ladungsträgerpaarerzeugung auf einem grösseren Flächenbereich bei Einstrahlung des optischen Auslösesignals erfolgen. Das wiederum bewirkt eine Erhöhung des Photoauslösestromes und eine verbesserte optische Ansprechempfindlichkeit des Bauelementes bei gleichen optischen Auslösesignalen. Trotz dieser Vergrösserung der Sensorfläche in der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 ist die dritte Dotierungszwischenschicht N3 jedoch so ausgebildet, dass der dem Zentrum der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 gegenüberliegende kanalartige Durchtritt des Durchgriffs 16 der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 klein, in jedem Fall deutlich schmaler als der in der Oberfläche 11 liegende Sensorbereich ausgebildet ist. In der in Fig. 5 gezeigten Weiterbildung der Erfindung ist das Zentrum der zweiten äusseren Do-

509826/0928

tierungsschicht N2, die unter dem Zentrum der Öffnung des Kanalabschnittes 16 der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 liegt, weiter auf die Seite des Vierschichtenbereiches 15 verschoben, und zwar fort aus dem Mittelpunkt der beleuchteten Fläche dieses Durchgriffs 16. Dadurch wird der seitlich gerichtete Photoauslösestromfluss aus dem Mittelpunkt der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 weiter verstärkt.

Ein viertes Ausbildungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren 6 und 7 dargestellt. Das in den Figuren dargestellte optisch ansteuerbare Gleichrichterhalbleiterbauelement weist gegenüber dem Bauelement nach dem ersten Ausführungsbeispiel eine verbesserte Festigkeit gegenüber Fehlauslösungert im UmsehaltZeitpunkt auf. Die Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Im ersten Ausführungsbeispiel sind die beiden Vierschichtenbereiche durch den Teil der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 voneinander getrennt, der auf die erste Oberfläche des Substrats zur Aufnahme des optischen Auslösesignals durchgreift. Beide Strukturen sind jedoch im Hinblick auf die erste, zweite und dritte Dotierungszwischenschicht untereinander zusammenhängend ausgelegt (Figuren 1 und 2). ¥enn in diesem Aufbau nach dem ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise der VierSchichtenbereich 14 leitend ist, können die im leitenden Bereich auftretenden elektrischen Ladungen bei der und durch die Umpolung aus der ersten äusseren Dotierungsschicht N1 mitunter in den zweiten Vierschichtenbereich 15 abfliessen. Dadurch kann ein unbeabsichtigtes Durchschlagen dieses Vierschichtenbereiches 15 vor dem Aufstrahlen des optischen Auslösesignals aufgrund der aus der ersten äusseren Dotierungsschicht N1 zugeflossenen Ladungsträger erfolgen. Die Gefahr

50982 670928

der unbeabsichtigten frühzeitigen Umschaltung kann selbst bei sehr steilem Anstieg dV/dt der angelegten Spannung eintreten, wenn grosse Lastströme oder ein grosser Stromabklinggradient dl/dt im leitenden Zustand auftreten. Das Bauelement in einer dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Ausbildung eignet sich also vor allem für Fälle, in denen ein langsamer Spannungsanstieg dV/dt der äusseren angelegten Spannung und ein vergleichsweise kleiner Laststrom oder ein langsamer Stromabbau dl/dt auftreten. ,

Das in den Figuren 6 und 7 gezeigte Bauelement nach dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung unterliegt diesen Beschränkungen nicht. Die zweite Dotierungszwischenschicht P2 erstreckt sich über die gesamte Struktur hin zwischen den beiden Vierschichtenbereichen 1^ und 15, so dass also die erste Dotierungszwischenschicht P1,. die dritte Dotierungszwischenschicht N3, der dritte pn-Übergang J3 und der vierte pn-übergang J4 jeweils in zwei Abschnitte unterteilt sind. Dadurch sind die beiden Vierschichtenbereiche lh und 15 durch die zweite Dotierungszwischenschicht P2 in zwei vollständig voneinander unabhängige Bereiche unterteilt. Durch diesen Aufbau des Bauelementes wird eine Fehlauslösung der Umschaltung, wie sie unter den genannten Grenzbedingungen im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung auftreten kann, erfolgreich unterdrückt. Wenn beispielsweise der Vierschichtenbereich 15 durchgeschaltet und leitend ist, wird ein Abfliessen der"Ladungsträger in die Umgebung des ersten pn-Überganges J1 des Vierschichtenbereiches 1 *l· durch die Umpolung vollständig vermieden. Da auch die erste Hauptelektrode 2, die auf der mit dem optischen Auslösesignal beleuchteten Substratoberfläche liegt, in zwei Teilelektroden unterteilt ist, kann eine unerwünschte und un-

509826/Ö928

beabsichtigte Ausbreitung des durch das avifgestrahlte Licht erzeugten Photostromes verhindert werden. Dadurch wird gleichzeitig die optische Ansprechempfindlichkeit des Elementes weiter verbessert.

In den Figuren 8 und 9 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die beiden Vierschichtenbereiche 14 und 15 sind durch einen elektrisch isolierenden nleitenden Bereich NO voneinander getrennt. Der Leitungstyp dieser Trennschicht ist in jedem Fall dem Leitungstyp der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 entgegengesetzt, worauf beim Aufbau von Elementen mit umgekehrter Leitungsschichtenfolge zu achten ist. Der senkrecht zu den Schichten stehende Trennbereich NO ist so angeordnet, dass er mittig in dem auf die erste Substratoberfläche durchgreifenden Abschnitt oder Vorsprung der zweiten" Dotierungszwischenschicht P2 nach dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung angeordnet ist. In dem in den Figuren 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die beiden Vierschichtenbereiche 14 und 15 jeweils vollständig vom elektrisch isolierenden Bereich NO umgeben. Durch diese Ausbildung und vollständige Trennung der beiden Vierschichtenbereiche des Bauelementes wird ein Fehlauslösen der Umschaltung durch Umpolung mit absoluter Sicherheit ausgeschlossen. Optisch ansteuerbare halbleitergesteuerte Gleichrichterbauelemente können in dieser Ausbildung auch dann eingesetzt werden, wenn sehr starke Ströme sehr schnell geschaltet werden müssen. Weiterhin ist durch die Unterbindung einer Ausbreitung des Photostroms die Ansprechempfindlichkeit des Bauelementes für das optische Umschaltauslösesignal erhöht.

.In der Fig. 9 ist weiterhin eine Oxidschicht 6 zu erkennen, die die Oberflächenabschnitte des isolierenden Bereiches NO abdeckt, die in der zweiten Substratoberfläche 12

509826/092 8

24611 9".O

freiliegen und jene freiliegenden Abschnitte des pn-Überganges zwischen der zweiten äusseren Dotierungsschicht N2 und der zweiten Dotierungszwischenschicht P2 abdeckt, die zwischen den beiden Vierschichtenbereichen liegen. Durch diese Oxidschicht 6 wird bewirkt, dass der gesamte Photostrom, bezogen auf die Darstellung in der Fig. 9_t entlang des pn-Überganges J2 von links nach rechts abfliesst. Dadurch wird eine Vorspannung des zweiten pn-Überganges J2 in Durchlassrichtung mit sehr hohem Wirkungsgrad erzielt.

In den Figuren 10 und 11 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel des optisch aktivierbaren Halbleitergleichrichters der Erfindung dargestellt. Die vier zusammenhängenden Schichten PE, NB, PB, NE sind so angeordnet und ausgelegt, dass das Element unter Ansteuerung eines optischen Auslösesignals ein einseitiges Schaltverhalten zeigt. Von diesen vier zwischen zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen 211 und 212 des Substrats 21 angeordneten Schichten greifen zumindest die beiden Schichten PE und NB auf eine der beiden Oberflächen durch und liegen in dieser frei, während zumindest die Schicht NE in der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche 212 des Substrats freiliegt..Ausserdem greift ein Teil der Zwischenschicht PB ebenfalls auf die erste Substratoberfläche 211 durch die Schichten NB und PE durch und liegt in dieser frei. Dieser auf die erste Substratfläche 211 durchgreifende Bereich der Schicht PB liegt im wesentlichen über dem Mittelpunkt der zweiten äusseren Schicht'NE. Das optische Auslösesteuersignal wird auf die in der ersten Substratoberfläche 211 freiliegende Fläche der Zwischenschicht PB aufgeleuchtet. Mit diesem Aufbau wird ein Bauelement erhalten, das im wesentlichen das gleiche Triggex"verhalten wie die zuvor beschriebenen Bauelemente mit den zwei Vierschichtenbereichen aufweist. Auf der ersten Substratoberfläche .211 stellt eine

08 826/09 28

erste kreisringförmige Hauptelektrode 22 den ohmschen Kontakt zur Struktur her. Die Gegenelektrode, die zweite Hauptelektrode 23, ist ebenfalls unter Herstellung eines ohmschen Kontaktes auf der zweiten Substratoberfläche aufgebracht. Das optische Auslösesignal wird von einer Signallichtquelle 2k durch eine mittige Öffnung in der ers.ten Hauptelektrode 22 hindurch auf die freiliegende Fläche der Zwischenschicht PB aufgestrahlt.

Zur Ansteuerung optisch ansteuerbarer Gleichrichter-Halbleiterbauelemente mit zwei Vierschichtenbereichen, deren mittlere pn-Übergänge nicht in derselben Substratoberfläche nebeneinander freiliegen, also zur Ansteuerung von Bauelementen nach dem Stand der Technik, ist zur Schaltung des einen Vierschichtenbereiches eine optische Mindestleistung von 20 mW erforderlich, während zur Schaltung des anderen Vierschichtenbereiches eine optische Mindestleistung von 200 mW erforderlich ist. Bei den Bauelementen der Erfindung dagegen ist für die Schaltung des einen Vierschichtenbereiches eine Mindestausgangsleistung der optischen Signalquelle von 20 mW erforderlich, während für den anderen Vierschichtenbereich eine Mindestausgangsleistung von ebenfalls nur 25'mW benötigt wird. Die Bauelemente der Erfindung sind ausserdem im Hinblick auf den maximalen Spannungsanstieg dV/dt und die maximale Stromabklinggeschwindigkeit dl/dt, die ohne ein unbeabsichtigtes Fehlschalten im Zeitpunkt des Umpolens möglich sind, den entsprechenden besten Bauelementen nach dem Stand der Technik weit überlegen. Für elektrisch ansteuerbare Bauelemente dieser Art, die für eine Belastung mit 3 A und 200 V ausgelegt sind, betragen die genannten Gradienten 5 V//us und 10 A/ms. Mit der in den Figuren 8 und 9 gezeigten Struktur der Erfindung werden bei einer Grenzbelastbarkeit von 600 V und 30 A Schal tie istungen., von

509826/0928

2Λ61190

mindestens 500 v//us und 100 A//us erzielt.

509826/0928

Claims

- <ίθ -

Patent ansprüche

Optisch schaltbarer Halbleitergleichrichter auf einem zwei einander gegenüberliegende HauptOberflächen aufweisenden Halbleitersubstrat, gekennzeichnet durch vier zusammenhängende, untereinander jeweils pn-Übergänge (J1, J2, J3> J^) bildende Dotierungsschichten (NI, N2, P1, P2) mit abwechselnd voneinander verschiedener Leitfähigkeit zwischen den Substratoberflächen (11,12), durch eine erste Substratoberfläche (11), in der zumindest Oberflächen einer ersten äusseren Dotierungsschicht (NI) und eines Dotierungszwischenschichtpaares (P1, N3) freiliegen, durch eine zweite Substratoberfläche (12), in der zumindest Oberflächen einer zweiten äusseren Dotierungsschicht (N2) und der an diese angrenzenden Dotierungszwischenschicht (P2) freiliegen, durch eine einen ohmschen Kontakt mindestens zur ersten äusseren Dotierungsschicht (NI) herstellende erste Hauptelektrode (2) auf der ersten Substratoberfläche (11), durch eine einen ohmschen Kontakt zur zweiten äusseren Dotierungsschicht (N2) und der an diese angrenzenden Dotierungszwischenschicht (P2) herstellende zweite Hauptelektrode (3) auf der zweiten Substratoberfläche (12), durch Mittel (4) zum Aufstrahlen eines das Bauelement schaltenden optischen Auslösesignals auf die der ersten

50 9 8 26/0928

Substratoberflache (11 ) zugewandte Grenzfläche der an die zweite äussere Dotierungsschicht (N2) angrenzenden Dotierungszwischenschicht (P2) und durch Mittel (14,16; 15,16), die ein Abfliessen der durch das optische Auslösesignal in der an die zweite äussere Dotierungsschicht (N2) angrenzenden Dotierungszwischenschicht (P2) erzeugten Photoladungsträger entlang des zur zweiten Substratoberfläche (12) parallelen Abschnittes des pn-Überganges (J2) zwischen der zweiten äusseren Dotierungsschicht (N2) und der an diese angrenzenden Dotierungszwischenschicht (P2) bewirken können.

2. Optisch schaltbarer Halbleitergleichrichter auf einem zwei einander gegenüberliegende Hauptoberflächen aufweisenden Halbleitersubstrat, ge kennzeichne t durch eine erste äussere Dotierungsschicht, eine zweite äussere Dotierungsschicht, eine erste Dotierungszwischenschicht, eine zweite Dotierungszwischenschicht, eine dritte Dotierungszwischenschicht zwischen der ersten und der zweiten Dotierungszwischenschicht, einen ersten pn-übergang zwischen der ersten Dotierungszwischenschicht und der dritten Dotierungszwischenschicht, durch einen zweiten pn-übergang zwischen der zweiten Dotierungszwischenschicht und der dritten Dotierungszwischenschicht, durch eine erste Substrathauptoberfläche, in der Oberflächen zumindest der ersteh

509826/0928

24Ü1190

äusseren Dotierungsschicht und der ersten Dotierungszwischenschicht, die an die erste äussere Dotierungsschicht angrenzt, freiliegen, durch eine zweite Substrathauptoberfläche, in der Oberflächen zumindest der zweiten äusseren Dotierungsschicht und der an diese angrenzenden zweiten Dotierungszwischenschicht freiliegen, durch eine zusammenhängende Anordnung der fünf Schichten zwischen der ersten und der zweiten Substrathauptoberfläche in der Weise, dass jedes Paar aneinander grenzender Schichten aus der Folge der fünf Schichten jeweils einen entgegengesetzten Leitungstyp aufweist, durch eine erste und eine zweite äussere Dotiarungsschicht, die ein Paar von Vierschichtenbereichen definieren, die in Richtung der Hauptebenen der Schichten voneinander verschiedene Polaritäten haben, durch Teile des ersten und des zweiten pn-Überganges, die einander benachbart zwischen den beiden Vierschichtenbereichen in der ersten Substratoberfläche freiliegen, durch eine auf der ersten Substratoberfläche ausgebildete erste Hauptelektrode, die einen ohmschen Kontakt zumindest zur ersten äusseren Dotfarungsschicht und zur ersten Dotierungszwischenschicht herstellt, und zwar unter Aussparung des Bereiches, in dem die Abschnitte des ersten und des zweiten pn-Überganges freiliegen, durch eine zweite auf der zweiten Substratoberfläche ausgebildete Haupt-

509826/0928

24Ü1190

elektrode, die einen ohmschen Kontakt zumindest zur - zveiten äusseren Dotierungsschicht und der zweiten Dotierungszwischenschxcht herstellt, und durch Mittel zum Aufstrahlen eines Phototriggersignals zur Auslösung der Schaltoperation der beiden Vierschichtenbereiche auf die in der ersten Substrathauptoberfläche freiliegenden Teilbereiche der pn-Übergänge.

3. Optisch schaltbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 2", gekennzeichnet durch Mittel, die bewirken, dass der durch das Aufstrahlen des optischen Auslösesteuersignals in dem in der Nähe der ersten Substrat— oberfläche liegenden Bereich der zweiten Dotierungszwischenschxcht erzeugte Photostrom entlang dem zur zweiten Substratoberfläche parallelen Abschnitt des pn-Überganges zwischen der zweiten äusseren Dotierungsschicht und der zweiten Dotierungszwischenschicht abfliesst.

h. Optisch schaltbarer Halbleitergleichrichter nach einem der Ansprüche 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , dass sich die zweite Dotderungszwischenschicht über den gesamten Grenzflächenbereich zwischen den beiden Vierschichtenbereichen erstreckt, so dass die dritte Dotierungszwisohenschicht in zwei

509826/0 9 28

24U1190

Teilabschnitte getrennt ist.

5. Optisch schaltbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch h_f dadurch gekennzeichnet , dass der Abstand zwischen den Innenrändern der dritten Dotierungszwischenschicht, die durch die zweite Dotierungszwischenschicht voneinander getrennt sind, in der Nähe der ersten Substratoberflaehe, also in dem Bereich, in dem das' optische Auslösesteuersignal aufgeleuchtet wird, grosser ist als in den tiefer liegenden Teilbereichen.

6. Optisch schaltbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch h, gekennz e i chne t durch einen isolierenden Bereich mit einem gegenüber der zweiten Dotierungszwischenschicht abweichenden Leitungstyp und abweichender Leitfähigkeit, der in jenem Teil der zweiten Dotierungszwischenschicht ausgebildet ist, der zwischen den beiden Vierschichtenbereichen liegt, und der weiterhin entlang der pn-Übergänge zwischen dem zwischen die beiden Vierschichtenbereiche greifenden Teil der zweiten Dotierungszwischenschicht und den getrennten Bereichen der dritten Dotierungszwischenschicht so ausgebildet ist, dass er die zweite Dotierungszwischenschicht ebenfalls teilt.

509826/0928

7. Optisch schaltbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jener Teilbereich der zweiten Dotierungszwischenschicht, der in der zweiten Substratoberfläche freiliegt, und der zwischen der zweiten äusseren Dotierungsschicht und dem isolierenden Bereich liegt, und der jenem Teil in der ersten Substratoberfläche zugeordnet ist, der mit dem optisch auslösenden Steuersignal beleuchtet wird, elektrisch von der zweiten Hauptelektrode isoliert ist.

8. Optisch schaltbarer Halbleitergleichrichter nach einem

der Ansprüche 6 oder 7» dadurch gekennzeichne t, dass der isolierende Bereich die beiden Vierschichtenbereiche umschliesst.

509826/092 8

Leerseite