DE2636234A1

DE2636234A1 - Steuerbares halbleiterbauelement fuer zwei stromrichtungen

Info

Publication number: DE2636234A1
Application number: DE19762636234
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Berndes; Eckhard Ing Grad Meyer
Original assignee: BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri France SA
Priority date: 1976-08-12
Filing date: 1976-08-12
Publication date: 1978-02-16
Also published as: US4121239A

Description

BBC

BROWN, BOVERI & CIE ■ AKTIENGESELLSCHAFT MANNHEIM BROWN BOVERI

-W-

Mp.-Nr. 606/76 Mannheim, den 11. August 1976

ZFE/P3-Pp./Ha.

"Steuerbares Halbleiterbauelement für zwei Stromrichtungen"

Die Erfindung bezieht sich auf ein steuerbares Halbleiterbauelement für zwei Stromrichtungen, das in einem scheibenförmigen Halbleiterkörper eine sich in der gesamten Scheibenebene erstreckende mittlere Zone eines ersten Leitfähigkeitstyps und an diese mittlere Zone oben bzw, unten angrenzend eine obere bzw. untere Zone eines zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfhäigkeitstyps, an eine erste Teilzone an der Oberseite diesejr oberen bzw. an eine erste Teilzone an der Unterseite dieser unteren Zone angrenzend eine erste bzw. eine zweite Hauptelektrodenzone, vom ersten Leitfähigkeitstyp, eine an der Oberseite der oberen Zone des zweiten Leitfähigkeitstyps und in seitlichem Abstand von der ersten Hautelektrodenzone angeordnete erste Steuerelektrodenzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp Bowie einen an der Oberseite der oberen Zone und in Abstand von der ersten Hauptelektrodenzone angeordnete zweite Steuereiektrodenzone vom ersten Leitfähigkeitstyp (remote gate), eine

mit der ersten Hauptelektrodenzone und einer zweiten Teilzone der oberen Zone kontaktierte erste Hauptelektrode, eine

mit der zweiten Hauptelektrödenzone und einer zweiten Teilzone der unteren Zone kontaktierte zweite Hauptelektrode, eine Steuerlektroden-Anordnung zur getrennten Kontaktierung der beiden Steuerlektrodenzonen und eineGehäuse sowie Elektrodenanschlüsse und Elektrodenzuführungen aufweist, wobei beide

80980 7/021»

P£t4(172.3500/KE)

Steuerelektrodenzuführungen von ihren getrennten Steuerelektroden am Halbleiterkörper aus galvanisch getrennt aus dem Gehäuse herausgeführt sind, Ein solches Halbleiterbauelement findet als Stellglied in elektrischen Stromversorgungseinrichtungen oder Regelschaltungen, insbesondere als Wechselstromsteller, Anwendung.

Ein derartiges bidirektional zwischen hoher und niedriger Impedanz für beide Stromrichtungen schaltendes Halbleiterbauelement ist mit hinsichtlich der Bezeichnungen "oben" und "unten" umgekehrter Orientierung aus der US-PS 3 275 909 bekannt. Das bekannte Halbleiterbauelement besitzt auf einer Seite zwei Steuerlektroden mit ohmscher Kontaktierung und eine Hauptelektrode, auf der anderen Seite eine Hauptelektrode. Die Steuerelektrodenzuleitungen sind in einer Ausführungsform galvanisch miteinander verbunden, so daß schließlich eine gemeinsame Steuerlektrodenzuleitung aus dem Gehäuse herausgeführt wird. Das bekannte Bauelement unterscheidet sich in dieser Ausführungsform äußerlich nicht von einer konventionellen Thyristor-Triode (Triac) (vgl. z.B. "SCR-Manual", 4.Auflage (1967), General Electric, S. 13; Buch v. Heumann/Stumpe, "Thyristoren" 3. Auflage (1974), S. 36) und umfaßt wie diese, schaltungstechnisch betrachtet, zwei Thyristoren, einen Normal-Thyristor für den I. Quadranten der Strom-Spannungs-Kennlinie und einen zu diesem antiparallel geschalteten Invers-Thyristor (III. Quadrant) in einem gemeinsamen Halbleiterkörper. Der Invers-Thyristor zündet wegen des "remote gate" normalerweise etwas später als der Normal-Thyristor; er ist schwerer zündbar. Bei Phasenanschnittsteuerung führt dies zur Asymmetrie und kann somit störende Rückwirkungen, z.B. in Niederspannungs-Verteilernetzen, verursachen Ji_n einer in der US-PS 3-27*5 909 beschriebenen weiteren Ausführungsform sind die zwei Steuerelektrodenanschlüsse und- Zuleitungen galvanisch getrennt, so daß ein Bauelement mit vier äußeren Zuleitungen gegeben ist.

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)

Bereits mit der sich vom konventionellen Triac unteischeidenderu. Anordnung von zwei Steuerelektroden am Halbleiterkörper wird die Steuerung verbessert. Die erste Steuerelektrode ist an der der mittleren Zone benachbarten Zone vom zweiten (p-) Leitfähigkeitstyp, in der Nähe der ersten Hauptelektrodenzone vom ersten (n-)Leitfähigkeitstyp kontaktiert. Sie befindet sich jedoch lateral weit entfernt von dem Teil der vorgenannten p-Zone, der von der ersten (dort unteren) Hauptelektrode kontaktiert ist, und von der zweiten Steuerelektrode (remote gate), die mit der zweiten, einer η-leitenden Steuerelektrodenzone kontaktiert ist. Auf diese Weise sind die beiden Steuerelektroden durch den langen Weg mit hohem spezifischem Widerstand in der vorgenannten p-Zone elektrisch weitgehend voneinander getrennt, und es ist auch ein elektrischer Kurzschluß zwischen dem Steuerlektrodenanschluß und dem Hauptelektro4en anschluß vermieden. Die Anordnung der zweiten Steuerelektrode bzw. der zweite Steuerelektrodenzone führt in bekannter Weise zu einem zusätzlichen pn-übergang zwecks indirekter Steuerung mit negativem Steuerstrom bei Durchlaßbelastung des Invers-Thyristors bzw. "remote gate-Thyristors".

Die gemeinsame Anordnung zv/eier Thyristoren in einem Halbleiterkörper in der vorbeschriebenen Form führt/zu einer nachteiligen gegenseitigen Beeinflussung der beiden Thyristor-Systeme. Wenn das Halbleiterbauelement schnell zwischen dem I. und dem III. Quadranten umgeschaltet wird, so befinden sich noch während der Stromführung des Normal-Thyristors in den Invers-Thyristor gewanderte Minoritätsladungsträger im Bereich des sperrenden pn-überganges des letzteren, die bei Anlegen der j Vorwärts spannung für den Invers-Thyristor zu einer Durchs ehalt ung( desselben ohne entsprechendes Steuersignal führen können, so ! daß die Durchschaltung bei einer ungewünscht niedrigen Spannungs-i amplitudey&rfolgt(DT-AS 1 564 420; DT-AS 1 931 149; DT-AS 2 033 56|6) Für die Lösung dieses Problems sind folgende Maßnahmen bekannt:

— "8G-88"0"770216

1 (67'1.5000'KEj

a) ein Entlappungsabstand der Hauptelektrodenzonen (Emitterzonen) voneinander in ihren Projektionen auf eine zur Scheibenebene parallele Grundebene (DT-OS 1 564 420);

b) ein Entlappungsabstand für die Emitterzonen in der Größenordnung von mindestens drei Diffusionslängen der Minoritätsladungsträger und ein großer spezifischer Widerstand im Bereich des Halbleiterkörpers zwischen den beiden Thyristorsystemen (DT-AS 1 931 149);

c) die Bindung der Ilinoritätsladungsträger durch Rekombinationszentren im Bereich des Halbleiterkörpers zwischen den beiden Thyristorsystemen (DT-AS 2 033 566).

In allen letztgenannten bekannten Fällen handelt es sich um Triacs, also bidirektional steuerbare Halbleiterbauelemente mit drei äußeren Stromzuführungen bzw. äußeren Anschlußelektroden.

Der Erfindung liegt, ausgehend vom eingangs genannten bekannten steuerbaren Halbleiterbauelement mit vier äußeren Elektrodenzuführungen, die Aufgabe zugrunde, ein bezüglich beider Stromrichtungen symmetrisches Schaltverhalten, insbesondere ein symmetrisches Zündverhalten und eine symmetrische Spannungsfestigkeit hinsichtlich des zeitlichen Spannungsanstieges (du/dt-Festigkeit bzw. kritische Spannungssteilheit) auch bei teilweise induktiver Last zu erzielen.

Diese Aufgabe enthält bereits für sich einen weiterführenden Gedanken. Bisher wurde die galvanische Verbindung der Steuerelektrodenzuführungen ohne nähere Differenzierung hinsichtlich des Anwendungsfalles als gleichwertig zu einer Ausführung

8043807 /02 1

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)

mitfinsgesamt vier getrennten Elektrodenzuführungen angesehen und die Auswahl nur von der jeweils gewünschten Polarität an den Steuerelektroden bezüglich derjenigen an den Hauptelektroden abhängig gemacht (US-PS 3 275 909). Die galvanische Verbindung der Steuerlektroden ist auch in der DT-AS 1 931 dargestellt. Verbindet man jedoch die Steueräektroden, so ist eine gegenseitige Beeinflussung der Steuerzonen durch eine Ladungsträgerverschiebung nicht ausgeschlossen. Die bei induktiver Last sich ergebenden Phasendifferenz zwischen Spannung und Strom kann, z.B. nach Stromleitung im I. Quadranten_/ zum Aussteuern des Normalthyristors führen, weil am Ende der positiven Stromhalbwelle bereits die beginnende negative Spannungshalbwelle ansteht. Es gilt folglich allgemein, die hauptinjizierenden Zonen, wie vorstehend beschrieben, zu entlappen und die Steuerlektrodenzonen und - Zuführungen galvanisch zu trennen.

Die Lösung der zuvor genannten Aufgabe besteht darin, daß sich erfindungsgemäß zwischen den Steuerelektrodenzonen eine Ausnehmung befindet, die sich lateral teilweise bis zwischen die erste Teilzone mit der ersten Hauptelektrodenzone einerseits und die zweite Teilzone der oberen Zone andererseits und in ihrer Tiefe - von der Ober- zur Unterseite des Halbleiterkörpers betrachtet - teilweise bis in die mittlere Zone erstreckt.

Die Ausnehmung trenlit in vorteilhafter Weise vornehmlich die sich bezüglich der Ausnehmung diagonal gegenüberliegenden lateralen Zonen vom gleichen Leitfähigkeitstyp, die verschiedenen Thyristorsystemen angehören. Es wird eine hohe du/dt-Festigkeit erreicht.

In einem anderen Zusammenhang ist eine Ausnehmung zwischen zwei Thyristoren eines Thyristorwechselstromschalters bekannt (DT-Zeitschrift "E und M" Jg. 84 (1967), Heft 12, S. 495-498);

TFElP 4 F 1 (675.5000/KE)

jedoch, handelt es sich um einen magnetisch gesteuerten Thyristoruinschalter mit andersartiger technischer Wirkung (Magnetfeldsteuerung) und durch den gesamten Halbleiterkörper hindurch verlaufender Ausnehmung.

Vorzugsweise besitzen die erste und die zweite Hauptelektrodenv zone vom ersten Leitfähigkeitstyp eine höhere Leitfähigkeit als die mittlere Zone, weisen die zweiten Teilfconen der oberen und der unteren Zone den gleichen zweiten Leitfähigkeitstyp

erstrecken wie diese, jedoch höhere Leitfähigkeit auf und -/ 'sich zwischen der zweiten Teilzone und der ersten Hauptelektrodenzone auf der Oberseite des Halbleiterkörpers sowie zwischen der zweiten Teilzone und der zweiten Hauptelektrodenzone auf der Unterseite des Halbleiterkörpers die obere bzw. die untere Zone bis zur Oberseite bzw. Unterseite des Halbleiterkörpers.

Die zweiten Teilzonen stellen jeweils dritte und vierte Hauptelektroden- bzw. Anodenzonen dar, während die erste und zweite Hauptelektrodenzone Emitterzonen sind. Für diese kontaktierten Zonen sind hinsichtlich der jeweiligen Stromführung die erwähnte hohe Leitfähigkeit und hohe Oberflächenkonzentrationen von Ladungsträgern vorteilhaft.

Die lateralen Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps sind nach vorstehender Maßgabe durch die an die Oberfläche tretenden obere bzw. untere Zone getrennt. Zu diesem Zweck befindet sich/ sowohl zwisehen der zweiten Steuerelektrodenzone und der zv/ei ten Teil zone als auch zv/i sehen der ersten Steuerelektrodenzone und der ersten Hauptelektrodenzone ein Graben, dessen Tiefe bis zur oberen Zone reicht.

Weiterhin wird zweckmäßig eine an sich bekannte Entlappung durchgeführt (DT-AS 1 564 420, USrPS 3 123 750), indem sich einerseits die beiden Projektionen der ersten und der zweiten

— 0Ϊ——

ZFE/P 4Ft (675.5θαθ/Κ£)ι

A9

Hauptelektrodenzone und andererseits die beiden Projektionen der zweiten Teilzonen auf der Ober- und Unterseite des Halbleiterkörpers in einer zur Scheibenebene parallelen Grundebene nicht überdecken.

Vorzugsweise sind kleinflächige Durchdringungen (shortings) der ersten bzw. der zweiten Hauptelektrodenzone durch Erstreckung der ersten oberen bzw. der ersten unteren Teilzone bis an die jweilige Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers vorgesehen und in der Projektion auf die Grundebene liegt eine erste Durchdringung der ersten Hauptelektrodenzone näher an der ersten Steuerelektrodenzone als eine zweite, der ersten entsprechende Druchdringung der zweiten Hauptelektrodenzone an der zweiten Steuerelektrodenzone.

Anordnungen wie "shortings" bzw. "shorted emitter" als Durchdringungen der Emitterzone bzw. randseitige Kontaktierung der Zone unter dem Emitter durch die Emitterelektrode sind an sich bekannt (Heumann/Stumpe, S. 35, s.v.). Sie dienen der weiteren Erhöhung der kritischen Spannungssfceilheit (du/dt). Die Erfindung macht einerseits von diesem Prinzip Gebrauch und löst andererseits mit der erfindungsgemäßen Anordnung der "shortings " ein spezielles Problem. Der Invers-Thyristor mit dem "remote-gate" hat, wie bereits dargelegt wurde, ein etwas schlechteres, d.h. langsameres Zündverhalten als der Normalthyristor. Durch die vorbeschriebene Anordnung der ersten Durchdringung befindet sich ein Nebenschluß zum oberen emitterseitigen pn-Ubergang relativ näher an der normalen Steuerelektrodenzone, als ein entsprechender Nebenschluß zum unteren emitterseitigen pn-übergang vom remote-gate aus gesehen liegt. Damit wird gezielt für den Normal-Thyristor ein geringeres Maß an Verbesserung hinsichtlich der du/dt-Festigkeit als für den Invers-Thyristor erreicht und im Resultat gleiches Zündverhalten eingestellt.

ZFE/P 4Ft t675.500(VKE)

_ Oat _

AA

Bei Einsatz in einem elektronischen Steuergerät mit Ehasenanschnittsteuerung ist diese symmetrisch, und auch oberhalb von 400 W werden störende Netzrückwirkungen vermieden, insbesondere Gleichstromkomponenten, die die Funktion von Fehlerstromschutz schaltern in Niederspannungsanlagen beeinträchtigen könnten (DIN EN 50006 v. Juli 1974).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen.

Fig. 1 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Halbleiterkörpers, der Bestandteil des steuerbaren Halbleiterbauelementes ist,

Fig. 2 ein Schnittbild entsprechend der Schnittlinie II - II in Fig. 1,

Fig. 3 ein Schnittbild entsprechend der Schnittlinie III - III in Fig. 1,

Fig. 4 ein Schnittbild eines Schnittes durch den vorderen Teil des Halbleiterkörpers nach Fig. 1,

Fig. 5 ein Schnittbild eines Schnittes durch den hinteren Teil des Halbleiterkörpers nach Fig. 1,

Fig. 6 eine vereinfachte, ersatzweise Darstellung des Gesamtaufbaus des Halbleiterbauelementes,

Fig. 7 ein anschlußfertiges Halbleiterbauelement im Maßstab 1:1 und

Fig. 8 ein Zeitdiagramm für einen in Anschnittsteuerung zu schaltenden einphasigen Wechselstrom.

"509807/0216

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)

Die Darstellung nach Fig. 1 stellt wie üblich eine extreme , Verzerrung der tatsächlichen Abmessung des Halbleiterkörpers "LQ/, dessen tatsächliche Ausdehnung in der Scheibenebene ein Vielfaches der Ausdehnung in der Scheibenhöhe beträgt. Weiterhin sind zur besseren Übersicht sämtliche Elektroden fortgelassen. Die einzelnen Seiten des Halbleiterkörpers 10 sind mit A bis F bezeichnet, wobei E und F die Hauptoberflächen sind.

Der Halbleiterkörper 10 enthält rechtsseitig einen Normal-Thyristor 11 und linksseitig einen Invers-Thyristor 12.

Im einzelnen besteht der Halbleiterkörper 10 aus einer sich in der gesamten Scheibenebene erstreckenden, η-leitenden mittleren Zone 13, an die sich oben eine obere P-leitende Zone 14 und unten eine untere p-leitende Zone 15 anschließen. Die pn-übergänge sind durch durchgezogene Linien dargestellt. An eine erste Teilzone 14* der oberen Zone 14 schließtisich eine erste η -leitende Hauptelektroden- bzw. Emitterzone 16 an, wogegen entsprechend an der Unterseite der unteren Zone 15 bzw. einer ersten Teilzone 15' derselben eine zweite η -leitende Hauptelektroden- bzw. Emitterzone 17 nach unten angrenzt. Auf der Oberseite der obeeen Zone 14 befindet sich eine ρ -leitende Steuprelektrodenzone 18 in einem seitlichen Abstand von der ersten Hauptelektrodenzone 16. ρ -p-übergänge sind durch durchbrochene Linien dargestellt. Eine zweite ρ -leitende Teilzone 19 der oberun Zone 14 liegt dieser ersten Steuerzone 18 diagonal gegenüber, in seitlichem Abstand und durch einen an die Hauptoberfläche E tretenden Teil der oberen Zone 14 von der ersten Hauptelektroden zone 16 getrennt.

Eine zweite ρ -leitende Teilzone 20 der unteren Zone 15 erstreckt sich auf der Unterseite des Halbleiterkörpers 10 von der Seite A bis zur Seite B und ist durch einen an die untere Hauptoberfläche E austretenden Teil der unteren Zone 15 von der zweiten Hauptelektrodenzone 17 getrennt. Eine zweite η -leitend Steuerelektrodenzone 21 bildet .mj-t xler oberen Zone 14 einen

- 21, bildet .mit ^e

TOl807/0218

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)

zusätzlichen pn-übergang und stellt somit ein "remote gate" dar.

Zwischen den Steuerlektrodenzonen 18 und 21 befindet sich eine Ausnehmung 22, die sich von der Seite B in Richtung der Seite A teilweise bis zwischen die erste Teilzone 14' mit der

j ersten Emitterzone 16 auf ihrer einen Seite und die zweite ρ -leitende Teilzone 19 der oberen Zone 14 auf ihrer anderen Seite erstreckt. Sie ist zur Hauptoberfläche E hin offen und

j reicht in Richtung der Hauptoberfläche F bis in die mittlere ! Zone 13 hinein.

Sowohl zwischen der ersten Steuerelektrodenzone 18 und der ersten Emitterzone 16 als auch zwischen der zweiten Steuerelektrodenzone 21 und der zweiten Teilzone 19 befindet sich ein Graben 23, der von der Hauptoberfläche E bis zur oberen Zone 14 reicht und von der Ausnehmung 22 gekreuzt wird.

Im Bereich der ersten Emitterzone 16 sind kleinflächige Durchdringungen 24, 25, ... (shortings) vorgesehen, d.h., daß die erste obere p-leitende Teilzone 14' jeweils mit ρ -leitenden kleinflächigen Gebieten bis zur Hauptoberfläche E reicht. Analoga Durchdringungen 30, 31, ... mit ρ -leitenden Gebieten der ersten unteren p-leitenden Teilzone 15' sind in der zweiten Emitterzone 17 vorgesehen. Eine erste Durchdringung 24 des Normal-Thyristors 11 liegt näher an der ersten Steuerzone 18 als eine erste Durchdringung 30 des Invers-Thyristors 12 an der zweiten Steuerzone 21 ("remote-gate") - in der Projektion auf eine zur Scheibenebene parallele Grundebene - liegt (vgl. auch Abstände d und c i Fig. 2 und 3, d -£! c) .

Die in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Schnittbilder zeigen die relative Lage der einzelnen Durchdringungen, 24, 25, 30, die aus Figs, 1 nicht ersichtlich ist. Aus Fig. 5 läßt sich entnehmen, daß die Projektionen der ersten und zweiten Haupt-

8OTBTT77 0 218

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)

elektrodenzone 16 und 17 auf eine parallel zur Scheibenebene verlaufende Grundebene sich nicht überdecken bzv/. mit Abstand a nebeneinanderliegen. Diese an sich bekannte Maßnahme (US-PS 3 123 750, Fig. 8) entkoppelt den Einfluß der hauptinjizierenden Zonen auf den mittleren Bereich des Iialbleiterkörpers, so daß die vom jeweils stromabgebenden Thyristorsystem im anderen System verursachte Ladungsträgerkonzentration gering ist und - die im weiteren im bekannten Fall

unerwünschte - hohe du/dt-Festigkeit erreicht wird.

In Fig. 6 sind die beiden Thyristorsysteme entgegen den tatsächlichen Verhältnissen auseinandergezogen dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die in Fig. 1 oben und hinten liegenden Zonen, die zweite Teilzone 19 und die Emitterzone, gemeinsam von einer ersten Hauptelektrode 41 kontaktiert sind, während die unten liegenden Zonen, die zweite Teilzone 20 und die zweite Emitterzone 17 von der zweiten Hauptelektrode 42 kontaktiert sind. Die Verbindungen 43 bzw. 44 sind also bei I

I realer Kontaktierung des Halbleiterkörpers 10 in Fig. 1 -jeweils durch die Hauptelektroden 41 bzw. 42 selbst gegeben. Als tatsächliche Stromanschlüsse befinden sich an dem Halbleiterkörper mit Elektroden der erste und der zv/eite Hauptelektrodenanschluß 45 und 46 und die beiden galvanisch getrennten Steuerelektroden-j anschlüsse 47 und 4 8/ Diesen Anschlüssen entsprechen schließlich in der genannten Reihenfolge die äußeren Elektrodenzuführungen 45', 46', 47' und 48', wobei die zweite Hauptelektroder zuführung 46' in üblicher Weise gleichzeitig als Kühlblech und mechanische Befestigung bei Printmontage dient (Fig. 7).

Fig. 7 zeigt als Beispiel ein übliches Kunststoffgehäuse 50 nach DIN 41 869, Blatt 6 (Gehäuse 14 A3), das schließlich zusammen mit dem Halbleiterkörper 10 nach Fig. 1 mit Elektroden,

- 12 -

ZFE/P 4 F 1 (675.S000/KE)

- ye-

Elektrodenanschlüssen und -Zuführungen das Haibieterbauelement bildet und vorteilhafterweise für Anwendungen oberhalb 400 W reicht, obwohl sich praktisch zwei Thyristoren in diesem Gehäuse befinden.

In Fig. 8 ist eine übliche Phasenanschnittsteuerung dargestellt. Dabei bedeuten: I-Strom, u} - Kreisfrequenz, T - Priodendauer,

<& - Steuerwinkel ( Ο.ί' & ^ 180°) . Bei einem bekannten steuer-

mit
baren Halbleiterbauelement (Triacy Normal-Thyristor und remote-gate-Thyristor ist ^₁?* ^₂ {^durcnbrochene Linie), wogegen beim erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleiterbauelement mit zwei getrennten Steuerlektrodensvstemen, vier Elektrodenzuführungen insgesamt, mit Entkopplung der hauptinjizierenden Zonen und mit der beschriebenen Anordnung der "shortenings" eine symmetrische Phasenanschnittsteuerung (ar, = ΰό^) erreicht wird.

Die Wirkungsweise des steuerbaren Halbleiterbauelementes ergibt sich weitgehend aus den vorstehenden Ausführungen und der an sich bekannten Wirkungsweise des Normal-Thyristors 11 und des Invers-Thyristors 12.

Der Normal-Thyristor 11 wird durchgeschaltet bei positiver Spannung zwischen dem zweiten Hauptelektrodenanschluß 46 und deiti/lfaTiptelektrodenanschluß 45 und einer Spannung am Steuerelektrodenanschluß 47, die bezüglich des Potentials am ersten Hauptelektrodenanschluß 45 positiv ist (Fig. 6). Dabei befindet sich die zweite ρ -leitende Teilzone 20 (Fig. 1) auf einem positiven Potential und wirkt als Anodenzone, wogegen sich die erste η -leitende Hauptelektrodenzone auf negativem Potential befindet und als Emitterzone wirkt. Die pn-übergänge zwischen der Emitterzone 16 und der ersten Teilzone 14' sowie

- 13 -

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)

-80-88077021$-

zwischen der unteren Zone 15 und der mittleren Zone 13 sind in Durchlaßrichtung beansprucht, während der pn-übergang zwischeji der oberen Zone 14 und der mittleren Zone 13 zunächst in Sperrichtung beansprucht ist. - Der Invers-Thyristor 12 besitzt in diesem Zustand einen zusätzlichen sperrenden pn-übergang zwischen der ersten unteren p-leitenden Teilzone 15' und der zweiten η -leitenden Hauptelektrodenzone 17W

Der Normalthyristor 11 wird durchgeschaltet, indem bei dem erwähnten positiven Potential am Steuerelektrodenanschluß 47 bzw an der -zone 18 ein Steuerstrom (Löcherstrom),fließt. Dieser veranlaßt die η -leitende Emitterzone 16 zur Injektion von Elektronen in die erste p-leitende Teilzone 14'. Zwischen der Steuerelektrodenzone 18 und der Emitterzone 16 ergibt sich dabei ein lateraler Spannungsabfall. Die in die erste Teilzone 14' injizierten Elektronen veranlassen eine Löcherinjektion von der unteren Zone 15 aus in die mittlere η-leitende Zone Diese wandern zum pn-übergang zwischen der mittleren Zone 13 und der ersten Teilzone 14'. Durch weitere Injektion von Elektronen einerseits und von Löchern andererseits wird die Raumladung am Sperrübergang abgebaut, der Strom durch die rechte Seite des Halbleiterkörpers in Fig. 1 steigt, bis schließlich der gesamte rechte Bereich des Halbleiterkörpers 10 unter der Emitterzone 16 Strom führt. Durch die Anordnung der Ausnehmung 22 ist eine Beeinflussung des zweiten oberen ρ -leitenden Teilzone 19 ausgeschlossen. Die relativ nahe Anordnung der ersten Durchdringung 24 hinsichtlich der Steuerelektrodenzone hingegen bedeutet als Emitternebenschluß eine etwas stärkere Behinderung der Injektion von Elektronen 'bzw. der Ausbildung des vo_rgenannten lateralen Spannungsabfalles als es bei

er
entfernter Anordnung beim Invers-Thyristor 12 der Fall ist, so daß einerseits das Zündverhalten beider Thyristoren aneinander angeglichen wird und andererseits dennoch jeweils

- 14 -

8Q98G7/0216

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)

- Ji* -

Λ*

der größte Teil des Sperrstromes und des durch Anodenspannungsänderungen verursachten kapazitiven Verschiebungsstromes der jeweiligen Sperrschicht über die jeweiligen Durchdringungen 24,25 bzw. 30, 31 abfließen kann. Die gewünschte hohe du/dt-Festigkeit bleibt also erhalten.

Der Invers-Thyristor 12 wird durchgeschaltet, indem bei positiver Spannung zwischen dem ersten Hauptelektrodenanschluß 45 und dem zweiten Hauptelektrodenanschluß 46,u- d.h., die zweite ρ -leitende Teilzone 19 wirkt als Anodenzone und die zweite η -leitende Hauptelektrodenzone 17 als Emitterzone, und bei negativer Spannung am Steuerelektrodenanschluß 4 8 ein negativer Steuerstrom fließt, d.h., daß aus der Steuerelektrodenzone 21 Elektronen in die Anodenzone 19 injiziert werden und in Richtung des pn-überganges zwischen der oberen Zone 14 und der mitterlen Zone 13 diffundieren. Diese werden wegen der lateralen und vertikalen Struktur (Ausnehmung 22, Zonenfolge) nur im Bereich nahe und unter der Anodenzone 19 über den pn-übergang zwischen der oberen Zone 14 und der mittleren Zone 13 zur letzteren hin transportiert. Dabei wird das Potential der mittleren, hinteren η-leitenden Zone 13 bezüglich der p⁺-leitenden Teilzone 19 gesenkt und diese injiziert Löcher in die mittlere Zone 13, wogegen von der zweiten Hauptelektrodenzone 17 Elektronen in die erste p-leitende Teilzone 15' injiziert werden, die schließlich teilweise weiter in die mittlere Zone 13 wandern. Die Raumladung am in diesem Fall als Sperrschicht wirkenden pn-übergang zwischen letztgenannter Teilzone 15' und der mittleren Zone 13 wird abgebaut,und die gesamte linke Hälfte des Halbleiterkörpers 10 unter der zweiten Teilzone 19 übernimmt den Strom. Die Funktion des remote-gate 21 ist als solche mit ihren Vorteilen aus der US-PS 3 275 909 bekannt. Im vorliegenden Fall ist zusätzlich eine strukturelle Trennung von der anderen Steuerelektrodenzone 18 durchgeführt und es wird ausschließlich mit galvanisch getrennten Steuerelektrodenanschlüssen 47 und 48 und - Zuführungen 47', 48' gearbeitet.

- 15 -

809807/0216

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)

- ja -

Die Ausführungsform ist natürlich nicht auf die in Fig. 1 dargestellte beschränkt. Es können die üblichen Randabschrägungen zur Erhöhung der Spannungsbeanspruchung in Sperr- bzw.
Blockierrichtung, d.h., zur Erhöhung der Überschlagsspannung
an der Randflache angebracht werden (AU-PS 244 374) . Weiterhin kann - im Schnitt parallel zur Scheibenebene betrachtet auch von einer kreisförmigen Halbleiterscheibe ausgegangen
werden.

"80980

.ZFE/P 4 F1 (675.5000/KE)

Claims

- ΧΓ- Patentansprüche

1. J Steuerbares Halbleiterbauelement für zv/ei Stromrichtungen,

das in einem scheibenförmigen Halbleiterkörper eine sich

! in der gesamten Scheibenebene erstreckende mittlere Zone

j eines ersten Leitfähigkeitstyps und an diese mittlere Zone

oben bzw. unten angrenzend eine obere bzw. untere Zone eines zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, an eine erste Teilzone an der Oberseite dieser oberen bzw. von einer ersten Teilzone an der Unterseite dieser unteren Zone angrenzend eine erste bzw. eine zweite Hauptelektrodenzone vom ersten Leitfhäigkeitstyp, eine an der Oberseite der oberen Zone des zweiten Leitfhäigkeitstyps und in seitlichem Abstand von der ersten Hauptelektrodenzone angeordnete erste Steuerlektrodenzone vom zweiten Leitfähigkeitstyp sowie einen an der Oberseite der oberen Zone und in Abstand von der .ersten Hauptelektrodenzone angeordnete zweite Steuerlektrodenzone vom ersten Leitfähigkeitstyp (remote gate), eine mit der ersten Hauptelektrodenzone und einer zweiten Teilzone der oberen Zone kontaktierte erste Hauptelektrode, eine mit der zweiten Hauptelektrodenzone und einer zweiten Teilzone der unteren Zone kontaktierte zweite Hauptelektrode, eine Steuerelektroden-Anordnung zur getrennten Kontaktierung der beiden .Steuerelektrodenzonen und ein Gehäuse sowie Elektrodenanschlüsse und Elektrodenzuführungen aufweist, wobei beide Steuerelektrodenzuführungen von ihren getrennten Steuerelektroden am Halbleiterkörper aus galvanisch getrennt aus dem Gehäuse herausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen den Steuerelektrode zonen (18,21) eine Ausnehmung (22) befindet, die sich lateral teilweise bis zwischen die erste Teilzone (14') mit der

- 17 -

zre.P4FU675.5ooo/KE) ORIGINAL !MSPECTED

ersten Hauptelektrodenzone (16) einerseits und die zweite Teilzone (19) der oberen Zone (14) andererseits und in ihrer Tiefe - von der Ober- zur Unterseite des Halbleiterkörpers (10) betrachtet - teilweise bis in die mittlere Zone (13) erstreckt.

2. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Hauptelektrodenzone (16 bzw. 17) vom ersten Leitfähigkeitstyp eine höhere Leitfähigkeit besitzen als die mittlere Zone (13) , daß die zweiten Teilzonen (19,20) der oberen (14) und der unterer Zone (15) den gleichen zweiten Leitfähigkeitstyp wie diese, jedoch höhere Leitfähigkeit aufweisen und daß sich zwischen der zweiten Teilzone (19) und der ersten Hauptelektrodenzone (16) auf der Oberseite des Halbleiterkörpers (10) sowie zwischen der zweiten Teilzone (20) und der zweiten Hauptelektrodenzone (17) auf der Unterseite des Halbleiterkörpers die obere bzw. die untere Zone (14 bzw. 15) bis zur Oberseite bzw. Unterseite des Halbleiterkörpers erstrecken.

3. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Ansprch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich sowohl zwischen der zweiten Steuerelektrodenzone (21) und der zweiten Teilzone (19) als auch zwischen der ersten Steuerelektrodenzone (18) und der ersten Hauptelektrodenzone (16) ein Graben (23) befindet, dessen Tiefe bis zur oberen Zone (14) reicht.

4. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß sich einerseits die beiden Projektionen der ersten und der zweiten Hauptelektrodenzone (16,17) und andererseits die beiden Projektionen der zweiten Teilzonen (19,20) auf der Ober- und Unterseite des Halbleiterkörpers (10) in einer zur Scheibenebene parallelen Grundebene nicht überdecken.

Io

SUS 807/0218

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)

Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß kleinflächige Durchdringungen (shortings) (24,25 bzw. 30,31) der ersten bzw. der zweiten Ilauptelektrodenzone (16 bzw. 17) durch Erstreckung der ersten oberen bzw. der ersten unteren Teilzone (14' bzw. 15') bis an die jeweilige Hauptoberfläche (E bzw. F) des Halbleiterkörpers (10) vorgesehen sind und daß in der Projektion auf die Grundebene eine erste Durchdringung (24) der ersten Hauptelektrodenzone (16) näher an der ersten Steuerelektrodenzone (18) liegt als eine zweite, der ersten entsprechende Durchdringung (30) der zweiten Hauptelektrodenzone (17) an der zweiten Steuerelektrodenzone (21) .

ZFE/P 4 F 1 (675.5000/KE)