DE2645513B2

DE2645513B2 - Zweirichtungs-Photothyristor

Info

Publication number: DE2645513B2
Application number: DE2645513A
Authority: DE
Inventors: Nobutake Konishi; Masahiro Okamura; Yoshitaka Sugawara; Tsutomu Yatsuo; Takeshi Yokota
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-10-11
Filing date: 1976-10-08
Publication date: 1978-11-02
Also published as: JPS5246788A; DE2645513C3; US4110781A; DE2645513A1; US4216487A; JPS583386B2

Description

der beiden Thyristorteile fehlerhaft vor Anlegen eines Zündsignals durch angesammelte Rest-Ladungsträger im anderen Thyristorteil beim Umschalten gezündet werden, wenn sich der andere Thyristorteil vom leitenden zum nichtleitenden Zustand und der eine Thyristorteil auf entgegengesetzte Weise ändert. Ein derartiges fehlerhaftes Zünden kann insbesondere auftreten, wenn die Schaltung mit einem derartigen Zweirichtungs-Thyristor eine große Last aufweist oder wenn Hochspannung oder Hochfrequenz vorliegen. Daher ist ein derartiger Zweirichtungs-Thyristor in der Praxis kaum einsetzbar und nur für sehr begrenzte Anwendungen geeignet, wenn nicht das Problem des fehlerhaften Zündens beim Umschalten gelöst wird.

Ein zweites Problem liegt darin, wie eine im wesentlichen gleiche Steueranschluß-Empfindlichkeit der beiden Thyristorteile zu erreichen ist. Wenn die beiden Thyristorteile antiparallel in ein Halbleitersubstrat integriert sind, ist die Steuerelektrode unbedingt auf einer Seite des Halbleitersubstrats vorgesehen. Einer der Thyristorteile, dessen PN-Übergang von der Seite des Substrats mit der Steuerelektrode weiter entfernt ist, hat eine kleinere Steueranschluß-Empfindlichkeit als der andere Thyristorteil. Wenn ein großer Unterschied in der Steueranschluß-Empfindlichkeit zwischen den beiden Thyristorteilen eines Zweirichtungs-Thyristors vorliegt, so schaltet dieser nicht abhängig vom gleichen Steuersignal in zwei Richtungen, oder selbst wenn er so schaltet, ist er wegen des großen Unterschiedes in der anfänglichen Leitungsfläche für die Praxis kaum verwendbar. Wenn die gleichen Schalteigenschaften in beiden Richtungen bei Vorliegen eines Unterschiedes in der Steueranschluß-Empfindlichkeit erzielt werden sollen, müssen entweder verschiedene Steuersignale verwendet oder die Steuerelektroden unterschiedlich aufgebaut werden. Dies ist in der Praxis schwer. Damit kann ein derartiger Zweirichtungs-Thyristor nicht anstelle von zwei antiparallelgeschalteten Thyristoren verwendet werden, wenn nicht die Steueranschluß-Empfindlichkeit der beiden Thyristorteile im wesentlichen gleich gemacht wird.

Unabhängig von den oben erläuterten Schwierigkeiten, die bei einem derartigen Zweirichtungs-Thyristoi allgemein auftreten, stellt sich ein anderes Problem eines fehlerhaften Zündens, wenn ein derartiger Zweirichtungs-Thyristor in einer Schaltung mit einer induktiven Last verwendet wird. Ein Thyristor-Stromrichter wird in herkömmlicher Steuer- oder Regelanordnung zum Steuern bzw. Regeln der Drehzahl eines Gleichstrommotors verwendet, der eine genaue Steuerung bzw. Regelung erfordert, wei z. B. ein als Antrieb für ein Walzwerk eingesetzter Motor. Im allgemeinen sind in einer derartigen Steuer- oder Regelanordnung sechs Thyristoreinheiten vorgesehen, die wie ein Dreiphasen-Zweiweggleichrichter verbunden sind, wobei jede Thyristoreinheit aus zwei antiparallelen Thyristoren besteht. Durch Ersetzen jeder Thyristoreinheit mit einem Zweirichtungs-Thyristor werden die Anordnung insgesamt sowie die Steuer- und Regelschaltung verkleinert, und das Verdrahten wird geeignet vereinfacht. Trotz dieses Vorteils bewirkt das Ersetzen der Thyristoreinheiten des Thyristor-Stromrichters mit Zweirichtungs-Thyristoren ein Problem speziell aufgrund der Schaltung mit der induktiven Last zusätzlich zum fehlerhaften Zünden beim Umschalten und der iinabgeglichcnen Steueranschluß-Empfindlichkeil. Ein Gleichstrommotor hai immer während seines Betriebs eine Gegen-EMK. und zum Betätigen eines der Thyristorteile eines derartigen Zweirichtungs-Thyristors muß ein Steuersi- > gnal während der Periode angelegt werden, wenn die Vorwärts-Spannung am einen Thyristorteil höher isl als die Gegen-EMK. Wenn der Gleichstrommotor seine Rotation von Vorwärts- ind Rückwärts-Richtung ändert oder die anliegende Last plötzlich verringert wird, nimmt die Gegen-EMK im Vergleich mil dem Zustand während des normalen Betriebes zu, unc außerdem muß der Voreilwinkel für die Phasensteuerung zum Verlangsamen verzögert werden, so daß da; Steuersignal mit einer Vorwärts-Spannung kleiner al:

ι' die Gegen-EMK am Thyristorteil anliegt. Das heißt das Steuersignal liegt so an, daß der zündende Thyristorteil in Sperrichtung vorgespannt ist, während dei andere, zu diesem Thyristorteil antiparallel geschal tete Thyristorteil in Vorwärts-Richtung vorgespann

μ ist. Wenn in diesem Fall der Zweirichtungs-Thyristoi in zwei Richtungen abhängig vom gleichen Steuersignal oder von zwei synchronisierten Steuersignaler von der gleichen Steuerschaltung geschaltet wird, wire der zu dem zu zündenden Thrystorteil antiparallel liegende Thyristorteil in unerwünschter Weise gezündet was zum Kurzschluß der Last und der Stromquelle führt. Eine Möglichkeit zum Vermeiden dieses Zu-Standes liegt darin, daß der Zweirichtungs-Thyristoi in einem Bereich geschaltet wird, in dem die Gegen-EMK niedriger ist als die Quellenspannung. Diese Möglichkeit beschränkt jedoch stark die Drehzahlregelung oder -steuerung des Gleichstrommotors, se daß eine praktische Anwendung hiervon unzweckmäßig ist.

In letzter Zeit wurde die elektrische Zündanordnung zum Schalten eines Thyristors oder eines Zweirichtungs-Thyristors durch Einspeisen eines Steuerstromes von der Steuerelektrode schrittweise durch eine Licht-Zündanordnung ersetzt, wobei der Thyri-

4(i stör oder der Zweirichtungs-Thyristor durch einer Photostrom geschaltet wird, der durch Einstrahler von Licht auf das Halbleitersubstrat des Thyristors erzeugt wird. Fünfschicht-Zweirichtungs-Photothyristören sind bekannt (US-PS 3422323, DE-OS

4") 2 461 190). Im Vergleich zur elektrischen Zündanordnung hat die Licht-Zündanordnung den Vorteil, daf die einfache Isolation der Steuerschaltung von dei Hauptschaltung den Aufbau der Steuerschaltung vereinfacht und gleichzeitig eine Anwendung auf eine

>ii Hochspannungsschaltung erleichtert, und daß das Fehlen einer Rückkopplung von der Hauptschaltunf zur Steuerschaltung das fehlerhafte Zünden ausschließt, das sonst aufgrund der Induktivität auftreter kann. Die Licht-Zündanordnung hat trotz dieser Vor-

-.-ι teile zahlreiche noch zu lösende Probleme, wenn sie beim Zweirichtungs-Thyristor verwendet wird.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Zweirichtungs-Photothyristor anzugeben, der abhängig von Licht-Zündsignalen in beiden Richtungen ge-

trennt schaltbar ist, der beim Umschalten nicht fehlerhaft gezündet wird, der nahezu die gleiche Zündemp-■ findlichkeit in beiden Richtungen aufweist und der gul für die Verwendung in einer Schaltung mit induktivei Last geeignet ist.

h5 Die Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Zweirichtungs-Photothyristor der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 enthaltener

Merkmale gegeben.

Durch die Sperreinrichtung wird erreicht, daß keiner der Halbleiterkörperabschnitte gezündet wird, selbst wenn ein Lichtsignal von der Zündeinrichtung bei in Rückwärts-Richtung vorgespanntem ersten Halbleiterkörperabschnitt und bei in Vorwärts-Richtung vorgespanntem zweiten Halbleiterkörperabschnitt einfällt, so daß ein Kurzschluß der Last verhindert wird. Die Verwendung von zwei Zündgliedern für die Zündeinrichtung ermöglicht eine Auswahl der relativen Lagen der Zündglieder und der Halbleiterkörperabschnitte mit der besten Lichtempfindlichkeit, so daß die Größe der Zündglieder im Vergleich zu einer Zündeinrichtung aus nur einem Zündglied geringer ist, das das Schalten in beiden Richtungen durchführt.

Die beiden Halbleiterkörperabschnitte können entweder aus einem einzigen Halbleitersubstrat oder aus zwei verschiedenen Halbleitersubstraten hergestellt sein. Von Bedeutung ist auch der Isolierabschnitt zum elektrischen Isolieren der beiden Halbleiterkörperabschnitte. Wenn die beiden Halbleiterkörperabschnitte aus zwei verschiedenen Halbleitersubstraten gebildet sind, kann der Isolierabschnitt aus dem Graben zwischen den Halbleitersubstraten bestehen. Wenn die beiden Halbleiterkörperabschnitte aus einem einzigen Halbleitersubstrat gebildet sind, ist der Isolierabschnitt zwischen den beiden Halbleiterkörperabschnitten so aufgebaut, daß einerseits kein wesentlicher Thyristorstrom zwischen den Halbleiterkörperabschnitten möglich ist und andererseits die Übertragung von Rest-Ladungsträgern im einen Thyristor zum anderen gesperrt wird, wie dies weiter unten näher erläutert wird.

Als erstes und als zweites Zündglied ist vorzugsweise ein Leucht-Festkörper-Bauelement, wie z. B. eine Leuchtdiode, nahe jedem Halbleiterkörperabschnitt vorgesehen. Alternativ werden vorzugsweise öffnungen in die Baugruppe oder das Gehäuse eingebracht, das den Zweirichtungs-Photothyristor enthält, damit Licht von äußeren Lichtquellen eintreten kann. Entsprechend einer anderen Möglichkeit wird Licht vorzugsweise mittels eines Lichtleiters, wie z. B. einer Faser, eingestrahlt.

Es besteht eine betriebsmäßige Beziehung zwischen dem ersten Zündglied und dem ersten Halbleiterkörperabschnitt und zwischen dem zweiten Zündglied und dem zweiten Halbleiterkörperabschnitt, so daß ein Lichtsignal nicht vom ersten Zündglied zum zweiten Halbleiterkörperabschnitt oder vom zweiten Zündglied zum ersten Halbleiterkörperabschnitt gespeist werden kann.

Es ist auch vorteilhaft, wenn ein Ende des mittleren Überganges des ersten und des zweiten Halbleiterkörperabschnittes belichtet wird oder nahe von deren Lichtempfangsflächen vorgesehen ist, wo ein Lichtsignal vom zugeordneten ersten oder zweiten Zündglied einwirkt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels des Zweirichtungs-Photothyristors,

Fig. 2 einen Schnitt II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine Teilvergrößerung der Fig. 2,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung mit Lichtleitern,

Fig. 5 einen Schnitt einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Fig. 2,

Fig. 6 einen Schnitt einer anderen Abwandlung de Ausführungsbeispiels der Fig. 2,

Fig. 7 einen Schnitt eines zweiten Ausführungsbei ^r> spiels,

Fig. 8 einen Schnitt eines dritten Ausführungsbei spiels,

Fig. 9 eine Draufsicht eines vierten Ausführungs beispiels,
i" Fig. 10 einen Teilschnitt X-X in Fig. 9,

Fig. 11 einen Teilschnitt einer Abwandlung de Ausführungsbeispiels der Fig. 10,

Fig. 12 eine Draufsicht eines fünften Ausführungs beispiels,
Fig. 13 einen Schnitt XHI-XIII in Fig. 12,

Fig. 14 einen Schnitt eines sechsten Ausführungs beispiels,

Fig. 15 einen Schnitt eines siebenten Ausführungs beispiel,

Fig. 16 eine Draufsicht eines achten Ausführungs beispiels, und

Fig. 17 einen Schnitt eines neunten Ausführungs beispiels.

In den Fig. 1 und 2, die ein erstes Ausführungsbeispiel des Zweirichtungs-Photothyristors zeigen, sine vorgesehen ein erster Halbleiterkörperabschnitt 1 einschließlich zwei Hauptflächen 11 und 12 auf entgegengesetzten Seiten des Halbleiterkörperabschnittes Seitenflächen 13 und 13', die die Hauptfläche miteinander verbinden, und vier benachbarte Schichten N_E1 P₈₁, N₈, und P_E1 abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps, die einen PN-Übergang zwischen jeder benachbarten Schicht zwischen den Hauptflächen bil den. Ein zweiter Halbleiterkörperabschnitt 2 hat zwe Hauptflächen 21 und 22 auf entgegengesetzten Seiten Seitenflächen 23 und 23', die die Hauptflächen 21 unc 22 miteinander verbinden, und vier benachbart« Schichten N_E2, P_B2, N₈₂ und P_E2 abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps, die einen PN-Überganj zwischen jeweils benachbarten Schichten zwischer den Hauptflächen 21 und 22 bilden. Weiterhin sine N-leitende Emitterschichten N_£, und N_E2 (im folgen den jeweils als »N_E1 -Schicht« bzw. » N^-Schicht« bezeichnet), P-leitende Basisschichten P₈₁ und P_B2 (irr folgenden als »P_B,-Schicht« bzw. »P_fl2-Schicht« bezeichnet) neben der N_£1- und der 7V_E2-Schicht vorgesehen, die erste PN-Übergänge J_n und J_2x mit dei N_E,- bzw. der N_E2-Schicht bilden. Weiterhin sind N-leitende Basisschichten N₈₁ und N_B2 (im folgender so als »N_B ,-Schicht« bzw.»N_B2-Schicht« bezeichnet) neben der P_ßl- bzw. P₈₂-Schicht vorgesehen und bilder zweite PN-Übergänge J₁₂ und J₂₂ mit der P₈₁- bzw Pgj-Schicht. P-leitende Emitterschichten P_£1 und P_E: (im folgenden als »P_E, -Schicht« bzw. » P_E2-Schicht« bezeichnet) liegen neben der N₈₁- bzw. N₈₂-Schichi und bilden dritte PN-Übergänge J₁₃ und J₂₃ mit dei N₈₁- bzw. N₈₂-Schicht. Die P_£1- und die P_E2-Schichl liegen an den Hauptflächen 11 und 21 des ersten bzw des zweiten Halbleiterkörperabschnittes 1 bzw. 2 frei, während die N_n- und die P₈₁-Schicht sowie die N_£2- und die P_e2-Scnicht an den anderen Hauptflächen 12 bzw. 22 freiliegen. Die jeweiligen ersten PN-Übergänge J_n und J₂₁ haben an den Hauptflächen 12 und 22 sowie den Seitenflächen 13' und 23' jeweils im b5 Graben 8 freiliegende Enden, während die zweiten PN-Übergänge J₁₂ und J₂₂ und die dritten PN-Übergängc 7,3 und J₂₃ an den Seitenflächen 13, 23 bzw. 13', 23' freiliegende Enden aufweisen. Der erste

Halbleiterkörperabschnitt 1 ist so aufgebaut, daß sich die Querschnittsfläche in einer Ebene parallel zu den Hauptflächen fortschreitend von der Hauptfläche 11 zur anderen Hauptfläche 12 verringert, während der zweite Halbleiterkörperabschnitt 2 so gebildet ist, daß sich seine Querschnittsfläche in einer Ebene parallel zu den Hauptflächen fortschreitend von der Hauptfläche 21 zur anderen Hauptfläche 22 vergrößert. Eine erste bzw. eine zweite Anoden-Elektrode 3 bzw. S ist in niederohmigem Kontakt mit der P_£,- und der P_E2-Schicht an der Hauptfläche 11 bzw. 21. Eine erste bzw. eine zweite Kathoden-Elektrode 4 bzw. 6 sind in niederohmigem Kontakt mit der N_El- und der P₈₁-Schicht bzw. der N_E2- und der P_fl2-Schicht an den Hauptflächen 12 bzw. 22. Die erste Kathoden-Elektrode 3 und die zweite Kathoden-Elektrode 6 wirken auch als Haftschichten zum Befestigen des ersten und des zweiten Halbleiterkörperabschnittes 1 und 2 nahe beieinander auf einem Hilfsträger 7 aus elektrischleitendem Material. Durch Befestigen des ersten Halbleiterkörperabschnittes 1 und des zweiten Halbleiterkörperabschnittes 2 nahe beieinander auf dem Hilfsträger 7 wird der V-förmige Graben 8 zwischen den beiden Halbleiterkörperabschnitten gebildet. Eine mit zwei Lichtquellen, wie z. B. Leuchtdioden 91 und 92, und einem Träger für diese, ausgestattete Licht-Zündeinrichtung 9 liegt gegenüber zum Graben 8 zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterkörperabschnitt. Die Zündeinrichtung 9 ist so auf dem Träger 93 gelagert, daß die Leuchtdiode 91 gegenüber zur Seitenfläche 13' des ersten Halbleiterkörperabschnittes 1 vorgesehen ist, während die Leuchtdiode 92 gegenüber der Seitenfläche 23' des zweiten Halbleiterkörperabschnittes 2 liegt, die einen Teil des Grabens 8 bildet. Der Träger oder die Unterlage 93 hat einen vorspringenden Abschnitt 931 zwischen den Leuchtdioden 91 und 92, damit kein Lichtsignal von der Leuchtdiode 91 zur Seitenfläche 23' des zweiten Halbleiterkörperabschnittes 2 und von der Leuchtdiode 92 zur Seitenfläche 13' des ersten Halbleiterkörperabschnittes 1 gespeist werden kann. Die Einrichtung zum elektrischen Verbinden der ersten Kathoden-Elektrode 4 mit der zweiten Anoden-Elektrode 5, ein Passivierungsfilm zum Stabilisieren der Oberflächen des ersten und des zweiten Halbleiterkörperabschnittes sowie das Gehäuse sind in der Zeichnung nicht dargestellt. Im folgenden wird der Berieb des so aufgebauten Zweirichtungs-Photothyristors näher erläutert.

Zunächst sei angenommen, daß eine Spannung anliegt, um die elektrisch verbundenen Elektroden 4 und 5 im Potential negativ bezüglich der elektrisch verbundenen Elektroden 3 und 6 zu machen. Beim ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 sind der erste PN-Übergang J₁₁ und der dritte PN-Übergang J₁₃ in Vorwärts- oder Durchlaß-Richtung vorgespannt, während der zweite PN-Übergang J_n in Rückwärtsoder Sperr-Richtung vorgespannt ist. Beim zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 sind dagegen der erste PN-Übergang J₂₁ und der dritte PN-Übergang J₂₃ in Rückwärts-Richtung vorgespannt, während der zweite PN-Übergang J₂₂ in Vorwärts-Richtung vorgespannt ist. Wenn ein Lichtsignal in den Graben 8 von der Leuchtdiode 91 unter diesem Zustand einwirkt, wird der in Vorwärts-Richtung gesperrte erste HaIbleiterkörperabschnitt 1 gezündet. Dieses Zünden wird im folgenden kurz erläutert. Die Lichtstrahlung erze u et Elektron-Loch-Paare bei und in der Nähe des

Teiles des zweiten PN-Überganges J₁₂, der im Graben 8 freiliegt. Die Elektronen und die Löcher werden durch die N₈₁- bzw. P₁₁ ,-Schicht gesammelt, so daß so der erste PN-Übergang J₁₁ stark in Vorwärts-Richtung vorgespannt wird, der bisher etwas in Vorwärts-Richtung vorgespannt war. Wenn die Spannung am ersten PN-Übergang J_n bei dessen einem Endteil neben dem Graben 8 das Aufbaupotential (Raumladungs-Randschicht-Spannung) des ersten PN-Überganges J₁₁ überschreitet, beginnen Elektronen an diesem Teil von der yV_ßl-Schicht in die P₈₁-Schicht zu injizieren. Die in die P₈,-Schicht injizierten Elektronen diffundieren in die N_B ,-Schicht über den zweiten PN-Übergang J_n. Diese Elektronen bewirken, daß der bisher etwa in Vorwärts-Richtung vorgespannte dritte PN-Übergang J₁₃ stark in Vorwärts-Richtung vorgespannt wird, so daß Löcher von der f_£1-Schichtindie N₈ ,-Schicht injiziert werden, wenn die Spannung am PN-Übergang J₁₃ das Aufbaupotential des dritten PN-Überganges überschreitet. Die so injizierten Löcher diffundieren in die P₈₁-Schicht durch den zweiten PN-Übergang J₁₂, um den ersten PN-Übergang J₁, stärker in Vorwärts-Richtung vorzuspannen. Als Ergebnis wird die Injektion von Elektronen von der N_Ei -Schicht begünstigt. Diese Verfahrensschritte werden wiederholt. Wenn der Stromverstärkungsfaktor a_NPN des Transistors aus der N_El-, P_B1- und /V₈,-Schicht plus der Stromverstärkungsfaktor a_PNP des Transistors aus der P₁₁₁-, N_Bl- und P_E1-Schicht den Wert 1 erreichen, beginnt der erste Halbleiterkörperabschnitt 1 mit der Funktion eines Thyristors zu leiten.

Wenn eine Spannung angelegt wird, um die elektrisch verbundenen Elektroden 4 und 5 positiv bezüglich der elektrisch verbundenen Elektroden 3 und 6 zu machen, werden andererseits die gleichen Verfahrensschritte, wie oben anhand des ersten Halbleiterkörperabschnittes 1 beschrieben, in dem in Vorwärts-Richtung gesperrten zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 wiederholt, so daß dieser leitet. Der Unterschied in diesem Fall liegt darin, daß Licht von der Leuchtdiode 92 als Lichtsignal verwendet wird.

Beim Zweirichtungs-Photothyristor mit dem oben erläuterten Aufbau ist der erste Halbleitcrkörperabschnitt 1 vom zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 durch den Graben 8 isoliert, und daher haben die in einem der Halbleiterkörperabschnitte gesammelten Rest-Ladungsträger keinen Einfluß auf den anderen Halbleiterkörperabschnitt, um diesen fehlerhaft zu zünden, so daß es möglich ist, die dv/dt-Unempfindlichkeit beim Umschalten zu verbessern. Da weiterhin die vergleichsweise empfindlichen Enden der zweiten PN-Übergänge J₁₂ und J₂₂ der jeweiligen Halbleiterkörperabschnitte an den Seiten des Grabens 8 freiüegen, der mit den Lichtsignalen von der Zündeinrichtung 9 bestrahlt wird, ist die Zündempfindlichkeit der beiden Halbleiterkörperabschnitte im wesentlichen gleich, d. h. es wird ein Zweirichtungs-Photothyristor mit der gleichen Licht-Zündempfindlichkeit in beiden Richtungen erhalten. Da weiterhin der Durchgang der jeweiligen Lichtsignale von der Leuchtdiode 91 zum zweiten Halbleiterkörpcrabschnitt 2 und von der Leuchtdiode 92 zum ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 gesperrt ist, wird ein für eine Schaltung mit einer induktiven Last verwendbarer Zweirichtungs-Photothyristor erhalten, wie dies weiter unten anhand der Fig. 3 in Einzelheiten erläutert wird.

Wenn ein Zweirichtungs-Thyristor in einer Schaltung mit induktiver Last verwendet wird, wird oft der zu zündende Halbleiterkörperabschnitt in Rückwärts-Richlung aufgrund der Gegen-EMK infolge der induktiven Last vorgespannt, während der Halbleiterkörperabschnitt, der eine Sperre bilden sollte, in Vorwärts-Richtung vorgespannt ist.

Wenn die Zweirichtungs-Photothyristoren in den Fig. 1 und 2 in einer Schaltung mit induktiver Last verwendet werden, werden die jeweiligen Lichtsignale, die von der Leuchtdiode 91 zum zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 und von der Leuchtdiode 92 zum ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 ausgestrahlt sind, durch den vorspringenden Abschnitt 931 zwischen den Leuchtdioden 91 und 92 gesperrt, wie dies durch Strichlinien in Fig. 3 gezeigt ist. Selbst wenn daher ein Lichtsignal auf den Graben 8 von der Leuchtdiode 91 bei in Rückwärts-Richtung vorgespanntem ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 und bei in Vorwärts-Richtung vorgespanntem zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 fällt, wird keiner der Halbleiterkörperabschnitte betätigt oder gezündet, so daß der Kurzschluß der Last oder der Stromquelle verhindert wird.

Weitere Vorteile des Zweirichtungs-Photothyristors der Fig. 1 und 2 sind:

1. Da der zweite und der dritte PN-Übergang, die die Durchbruchsspannungen der Halbleiterkörperabschnitte aufrechterhalten, an den Seiten-Endflächen unter einem bestimmten Winkel zu den PN-Übergängen freiliegen, wird eine hohe Durchbruchsspannung erzielt;

2. die Strahlung der Licht-Zündsignale auf den Seitenflächen erlaubt die Herstellung einer Elektrode über jeder gesamten Hauptfläche, so daß einerseits der Nutzfaktor der Halbleitersubstrate verbessert und andererseits ein raumsparendes Bauelement mit großer Kapazität erzielt wird; und

3. die Verwendung von zwei Leuchtdioden ermöglicht eine Auswahl der relativen Lagen der Leuchtdioden und der Halbleiterkörperabschnitte mit der besten Lichtempfindlichkeit, so daß die Größe (Ausgang) der Leuchtdioden im Vergleich zu einer einzigen Leuchtdiode verringert wird, die das Schalten in beiden Richtungen durchführt.

Anstelle der Leuchtdioden 91 und 92 der Zündeinrichtung 9 können elektrische Lampen verwendet werden. In diesem Fall wird Licht von jeder der Lichtquellen bildenden Lampen vorzugsweise auf die zugeordnete Lichtempfangsfläche über Beleuchtungslinsen (Kondensator) gestrahlt, die getrennt von der elektrischen Glühbirne oder alternativ in dieser vorgesehen sein können.

Wie in der Fig. 4 gezeigt, können Lichtsignale von den Leuchtdioden oder Lampen 91 und 92 zum Träger 93 durch Lichtleiter 55 und 56 geführt werden, wie z. B. optische Fasern.

Wie in Fig. 5 dargestellt ist, kann die Zündeinrichtung 9 in den Graben 8 eingeführt werden. Dies verringert die Größe des Bauelements, während gleichzeitig seine Empfindlichkeit verbessert wird. In diesem Fall können die Lichtquellen 91. und 92 auch aus Leuchtdioden bestehen oder alternativ elektrische Lampen sein. Weiterhin können Lichtleiter verwendet werden, um Lichtsignale von den Lichtquellen zum Tracer 93 zu führen.

Weiterhin können Lichtsignale zu den Außenflächen 13 und 23 der Halbleiterkörperabschnitte 1 bzw. 2 von Lichtquellen, wie z. B. den Leuchtdioden 91 und 92, geführt werden, die auf entgegengesetzten Seiten des Bauelements vorgesehen sind. Die Leuchtdioden 91 und 92 können durch elektrische Lampen wie bei den obigen Abwanalungen ersetzt werden, und auch Lichtsignale können beinahe zu den Außenseiten durch derartige Lichtleiter geführt werden, wie z. B. optische Fasern. In diesem Fall können die Leuchtdioden oder Lampen 91 und 92 gegebenenfalls auf unabhängigen Trägern oder Halterungen 93' und 93" vorgesehen sein. Dabei unterbrechen die Halbleiterkörperabschnitte selbst Lichtsignale, die dem Lichtempfangsflachen der Halbleiterkörperabschnitte zugeordnet bzw. nicht zugeordnet sind.

Im Gegensatz zu den oben erläuterten Ausführungsbeispielen, bei denen die Halbleiterkörperabschnitte 1 und 2 vollständig durch den Graben 8 getrennt sind (vgl. die Fig. 1-6), können der erste Halbleiterkörperabschnitt 1 und der zweite Halbleiterkörperabschnitt 2 miteinander über den Boden des Grabens 8 so verbunden sein, daß ein in einem Halbleiterkörperabschnitt erzeugter Photostrom nicht in den anderen Halbleiterkörperabschnitt fließt, um das Zünden im einen Halbleiterkörperabschnitt zu hemmen, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Diese Verbindung des ersten Halbleiterkörperabschnittes 1 und des zweiten Halbleiterkörperabschnittes 2 bietet nicht nur eine zur^v lassenproduktion geeignete einfache Handhabung bei der Fertigung, sondern führt auch zu gleichen Kennlinien für beide Halbleiterkörperabschnitte. Diese schließt Änderungen der Kennlinien zwischen den beiden Halbleiterkörperabschnitten aus, die zwangläufig auftreten, wenn der erste und der zweite Halbleiterkörperabschnitt in verschiedenen Substraten erzeugt werden, wie dies anhand der Ausführungsbeispiele der Fig. 1—6 erläutert wurde, während sie aus einem einzigen Substrat erzeugt werden. Selbst wenn der erste und der zweite Halbleiterkörperabschnitt 1 bzw. 2 über den Boden des Grabens 8 verbunden sind (vgl. Fig. 7), sind die Halbleiterkörperabschnitte im wesentlichen elektrisch durch den Graben 8 isoliert, so daß die Vorteile der Erfindung in gleicher Weise erreicht werden. Die Art der Lichtquellen und die Weise, in der Lichtsignale von den Lichtquellen auf die Lichtempfangsflächen gestrahlt werden, können aus den anhand der Fig. 1-6 erläuterten Möglichkeiten geeignet gewählt werden.

Der erste und der zweite Halbleiterkörperabschnitt 1 bzw. 2 in einem einzigen Substrat sind bekanntlich isoliert, indem ausreichend der PNP-Dreischichtteil 504 erweitert wird, der den ersten und den zweiten Halbleiterkörperabschnitt verbindet, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, ohne den Graben 8 zu bilden. Zwischen den integrierten Hauptflächen 11, 12 und ähnlich den integrierten Hauptflächen 12,21 wird ein Halbleitersubstrat mit NPNPN-Aufbau aus fünf benachbarten Schichten gebildet. Die beiden äußersten N-Schichten sind so beabstandet vorgesehen, daß eine Überlagerung übereinander vermieden wird, wenn sie auf eine der entgegengesetzten Hauptflächen projiziert gedacht werden. Der erste Halbleiterkörperabschnitt 1 besteht aus der einen äußersten N-Schicht und dem Teil der darunterliegenden drei PNP-Zwischenschichten, während der zweite Halbleiterkörperabschnitt 2 durch die andere äußerste N-Schicht und dem Teil der darübcrliecenden drei PMP-Zwi-

schenschichten gebildet wird, wobei der Isolierabschnitt 504 aus dem Teil der drei PNP-Zwischenschichten besteht, der zwischen den Halbleiterkörperabschnitten 1 und 2 vorgesehen ist, so daß die Vorteile der Erfindung erzielt werden. In diesem Fall müssen Lichtsignale auf die äußeren Seitenflächen 13 und 23 gestrahlt werden, wie dies bereits anhand der Fig. 6 erläutert wurde, und die Halbleiterkörperabschnitte unterbrechen jeweils den Durchgang der Lichtsignale tu den Lichtempfangsflächen der entgegengesetzten Halbleiterkörperabschnitte. Der Isolierabschnitt 504 kann mit einem Schwermetall diffundiert sein, wie z. B. Gold, um einerseits die Isoliereigenschaften zu verbessern und andererseits seine Breite zu verringern.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Zweirichtungs-Photothyristors ist in den Fig. 9 und 10 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß der Durchgang der Lichtsignale von der Leuchtdiode 91 zum zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 und von der Leuchtdiode 92 zum ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 stärker als bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1-6 unterbrochen wird. Eine Halbleiterinsel 10 mit einem Dreieck-Querschnitt wird hergestellt, um einen Teil des Grabens 8 zwischen dem ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 und dem zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 einzunehmen, so daß ein W-förmiger Teil des Grabens 8 mit der Insel 10 gegenüber zum vorspringenden Abschnitt 931 entsteht. Bei den oben erläuterten Ausführungsbeispielen der Fig. 1-6 kann die Einrichtung zum Unterbrechen von Licht nicht verhindern, daß ein Lichtsignal, das auf einen Halbleiterkörperabschnitt gestrahlt und von diesem reflektiert wird, den anderen Halbleiterkörperabschnitt erreicht, während eine direkte Bestrahlung mit dem Lichtsignal vermieden wird. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel kann sogar selbst ein an der Seitenfläche des einen Halbleiterkörperabschnittes reflektiertes Lichtsignal nicht die Seitenfläche des anderen Halbleiterkörperabschnittes erreichen. Weiterhin ist das Lichtsignal nicht auf die direkt auf die Lichtempfangsfläche von der Lichtquelle, wie z. B. der Leuchtdiode, gestrahlten Komponenten beschränkt, sondern es werden auch die an der Insel 10 reflektierten Komponenten auf die Lichtempfangsfläche gestrahlt, so daß der Zünd-Wirkungsgrad heraufgesetzt wird, indem das von der Leuchtdiode abgegebene Licht wirksam ausgenutzt wird. Hierzu wird vorzugsweise der Gradient der Reflexionsfläche der Insel 10 einerseits sorgfältig gewählt, und andererseits wird ein Reflexions-Metallfilm auf der Oberfläche gebildet. Der Halbleiteraufbau der Insel 10 bei diesem Ausführungsbeispiel beruht auf dem Vorteil einer gleichzeitigen Herstellung des ersten und des zweiten Halbleiterkörperabschnittes und der Insel 10 durch die W-förmige Grabenanordnung in einem einzigen Halbleitersubstrat. Wenn dieser Vorteil für die Herstellung nicht berücksichtigt wird, kann für die Insel 10 ein anderes Material als Halbleiter verwendet werden. Weiterhin kann die Insel 10 jede gewünschte Querschnittsform anstelle eines Dreieckes auf Kosten der Reflexion eines Lichtsignals an ihr haben. Beim betrachteten Ausführungsbeispiel haben der erste und der zweite Halbleiterkörperabschnitt den gleichen Aufbau wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2. Die Länge der Insel 10 entlang des Grabens 8 kann abhängig von der Art oder dem Zustand der verwendeten Lichtquellen selbst über die gesamte Länge des Grabens ausgedehnt werden.

Wie in der Fig. 11 gezeigt ist, können die auf der Halterung 93 gelagerten Lichtquellen, wie z. B. die Leuchtdioden 91 und 92, in die beiden Grabenabschnitte eingeführt werden, die durch die Insel 10 getrennt sind. In diesem Fall ist der vorspringende Abschnitt 931 des Trägers 93, wie in Fig. 10 gezeigt, nicht erforderlich.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 9-11 kann elektrische Lampen anstelle von Leuchtdioden als Lichtquellen verwenden. Weiterhin können Lichtleiter, wie z. B. optische Fasern, zum Leiten von Lichtsignal von den Leuchtdioden oder anderen Lichtquellen, wie z. B. elektrische Lampen, zum Träger 93 oder selbsi im Graben 8 verwendet werden, wie dies in den Ausführungsbeispielen der Fig. 1-7 gezeigt ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Zweirichtungs-Photothyristors ist in den Fig. 12 und 13 gezeigt. Der Zweirichtungs-Photothyristor dieses Aus-

M führungsbeispiels hat die gleichen Vorteile wie die vorhergehenden Ausführungsbeispiele, obwohl der vorspringende Abschnitt 931 der Fig. 2-5 und 10 nicht vorgesehen ist. Der Aufbau dieses Ausführungsbeispiels zeichnet sich dadurch aus, daß eine erste öff- nung 301 im ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 von der Hauptfläche 12 zur Hauptfläche 11 vorgesehen ist, während eine zweite Öffnung 302 in den zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 von der Hauptfläche 21 zur Hauptfläche 22 eingebracht ist, wobei der Gra-

Jo ben 8 den ersten und den zweiten Halbleiterkörperabschnitt trennt, wie dies anhand der Fig. 1 und 2 erläutert wurde. Die Leuchtdioden 91 und 92 oder entsprechende Lichtquellen sind entgegengesetzt zur ersten bzw. zur zweiten Öffnung 301 bzw. 302 angeordnet. Der Abstand zwischen den Leuchtdioden 91 und 92 schließt die unerwünschte Strahlung eines Lichtsignals von der Leuchtdiode 91 zum zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 oder von der Leuchtdiode 92 zum ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 aus, insbesondere die Strahlung eines großen Lichtsignals, das ein fehlerhaftes Zünden eines unerwünschten Thyristorteiles verursacht, selbst wenn der vorspringende Abschnitt 931 nicht vorgesehen ist, wie dieser anhand des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels erläutert wurde. Weiterhin können die Leuchtdioden 91 und 92 in die jeweiligen Öffnungen eingeführt werden. Trotz des Aufbaues der ersten und der zweiten Öffnung 301 und 302 durch die jeweiligen Halbleiterkörperabschnitte (vgl. Fig. 13) werden die

so Vorteile der Erfindung erzielt, solange sie so gebildet sind, daß die zweiten PN-Übergänge freiliegen. Wenn die Durchbruchsspannung berücksichtigt wird, haben die Wände der ersten und der zweiten Öffnung vorzugsweise den gleichen Winkel wie die Seitenendflächen der Halbleiterkörperabschnitte bezüglich den PN-Ubergängen.

In den Fig. 12 und 13 ist der Graben 8 als Einrichtung zum elektrischen Isolieren des ersten und des zweiten Halbleiterkörperabschnittes 1 und 2 vorgesehen. Wie oben anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 8 erläutert wurde, werden die Vorteile der Erfin-

. dung in gleicher Weise erreicht, indem der erste und der zweite Halbleiterkörperabschnitt alternativ durch

den PNP-Teil des Substrats verbunden werden. Ähn-Hch zum Ausführungsbeispiel der Fig. 8 kann der als Isoliereinrichtung dienende PNP-Halbleiterkörperabschnitt 504 mit einem derartigen Schwermetall, wie z. B. Gold, diffundiert sein.

Der Isolierabschnitt aus dem PNP-Halbleiterkörperabschnitt kann mit Schlitzen 8' und 8" versehen sein (vgl. Fig. 14), während die N_Bi- und die N_B2-Schicht des ersten und des zweiten Halbleiterkörperabschnittes miteinander verbunden bleiben, wodurch die Breite des Isolierabschnittes 504 verringert wird.

Als Lichtquellen für das Ausführungsbeispiel der Fig. 12—14 können elektrische Lampen anstelle der Leuchtdioden 91 und 92 verwendet werden, um ein Lichtsignal direkt auf die jeweiligen öffnungen 301 und 302 einwirken lassen. Es ist auch möglich, das durch die Leuchtdioden oder elektrische Lampen erzeugte Lichtsignal zu den Oberseiten oder in die öffnungen 301 und 302 mittels derartiger Lichtleiter, wie z. B. optischen Fasern (nicht dargestellt), einzuführen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 15 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß Aussparungen 401 und 402 im ersten und im zweiten Halbleiterkörperabschnitt 1 und 2 mit den öffnungen an den jeweiligen Hauptflächen vorliegen, wobei die Leuchtdioden 91 und 92 in die Aussparungen eingeführt sind, und daß ein transparenter Isolierstoff 403 in die Aussparungen gefüllt ist. Die BodenteiJe der jeweiligen Aussparungen müssen wenigstens die zweiten PN-Übergänge der jeweiligen Halbleiterkörperabschnitte 1 und 2 erreichen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird positiv verhindert, daß das Licht-Zündsignal von den Leuchtdioden 91 oder 92 auf den ersten oder zweiten Halbleiterkörperabschnitt 1 oder 2 strahlt. Weiterhin erlaubt die Nähe der Leuchtdioden zu den freiliegenden Teilen der zweiten PN-Übergänge eine verbesserte Lichtkopplung, was zu kleineren Abmessungen der Leuchtdioden führt.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können die Leuchtdioden 91 und 92 durch elektrische Lampen ersetzt sein, die in die Aussparungen 401 bzw. 402 eingebettet sind. Weiterhin können die Lichtsignale von den Leuchtdioden oder gegebenenfalls den elektrischen Lampen in die Aussparungen 401 und 402 mittels Lichtleitern eingeführt werden, wie z. B. optischen Fasern, deren Enden in die Aussparungen eingebettet sind (in der Zeichnung nicht dargestellt). Weiterhin kann anstelle des Grabens 8 der Isolierabschnitt 504 aus einem PNP-Abschnitt in gleicher Weise vorgesehen sein, wie dies in Fig. 8 gezeigt ist. Auch dieser bestimmte Teil kann mit einem derartigen Schwermetall, wie z. B. Gold, diffundiert sein, um die Breite des Isolierabschnittes 504 aus den gleichen Gründen wie bei den obigen Ausführungsbeispielen zu verringern. Weiterhin kann der Isolierabschnitt mit den Schlitzen 8' und 8" versehen sein, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Zweirichtungs-PhotothyristorsistinFig. 16 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß die Leuchtdioden auf einer Seite der Halbleiterkörperabschnitte vorgesehen sind. Ein Ausschnitt 60 wird im Teil des Grabens 8 zwischen dem ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 und dem zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 gebildet, so daß die Zündeinrichtung 9 einschließlich der Leuchtdioden 91 und 92 oder ähnlichen Lichtquellen und der Träger 93 dazwischen im Ausschnitt 60 vorgesehen sind. Die Leuchtdiode 91 ist auf dem ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 seitlich vom Träger 93 vorgesehen und die Leuchtdiode 92 auf dem Halbleiterkörperabschnitt 2 seitlich hiervon, so daß der Träger 93 verhindert, daß ein durch di« Leuchtdioden 91 und 92 erzeugtes Lichtsignal auf der zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 bzw. den erster Halbleiterkörperabschnitt 1 strahlt. Dieser Aufbau isi vorteilhaft, wenn für das Bauelement ein flaches Gehäuse vorgesehen wird. Anstelle des Grabens 8 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 16 zum Trennen des ersten Halbleiterkörperabschnittes 1 und des zweiter Halbleiterkörperabschnittes 2 kann mit den gleicher

ic Vorteilen ein PNP-Halbleiterkörperabschnitt 504 gebildet werden, wie dieser in Fig. 8 gezeigt ist. In diesem Fall wird der Isolierabschnitt 504 mit dem ir Fig. 16 dargestellten Ausschnitt 60 gebildet, wobei die Zündeinrichtung 9 darin vorgesehen ist (in dei Zeichnung nicht dargestellt). Es ist auch möglich, die als Lichtquellen vorgesehenen Leuchtdioden durch elektrische Lampen wie bei den vorhergehenden verschiedenen Ausführungsbeispielen zu ersetzen. Weiterhin können Lichtleiter, wie z. B. optische Fasern, verwendet werden, um Lichtsignale von derartiger Lichtquellen, wie z. B. Leuchtdioden oder elektrischen Lampen, zu leiten.

Die Fig. 17 zeigt den gesamten Aufbau eines Photothyristors mit integriertem ersten und zweiten HaIbleiterkörperabschnitt, wobei Lichtsignale von Lichtquellen, wie z. B. Leuchtdioden zu den Lichtempfangsflächen mittels derartiger Lichtleiter, wie z. B. optischen Fasern, geführt werden. Es ist ein Halbleitersubstrat 50 aus zwei Hauptflächen 501 und 502, Seitenflächen 503, die die Hauptflächen miteinander verbinden und fünf zusammenhängenden Schichten mit NPNPN-Aufbau zwischen den Hauptflächen vorgesehen. Wie bereits oben anhand der Fig. 8 erläutert wurde, müssen die beiden äußersten N-Schichten des Substrats 50 so angeordnet sein, daß sie sich nicht überlagern, wenn sie übereinander auf eine der Hauptflächen projiziert werden, und sie sind in vorbestimmter Weise voneinander beabstandet. Mit derartigen N-Schichten werden der erste Halbleiterkörperabschnitt 1 und der zweite Halbleiterkörperabschnitt 2 mit dem Isolierabschnitt 504 dazwischen hergestellt. Das Halbleitersubstrat 50 wird auf eine Grundplatte 51 eines elektrischleitenden Materials über eine Hilfshalterung 7 aufgebracht, die auch aus einem elektrischleitenden Material besteht. Das Halbleitersubstrat ist hermetisch in einem Gehäuse aus der Grundplatte 51, einem Isolierrohr 52 und einem Deckel 53 eingeschlossen. Ein Leitungsdraht 54 führt zu einer der Elektroden und Lichtleiter 55 und

so 56, wie z. B. optische Fasern, koppeln optisch die Leuchtdioden 91 und 92 mit den Seitenflächen 503 des Halbleitersubstrats 50. Es ist vorteilhaft, daß der Lichtleiter 55 gegenüber zur Seitenfläche des ersten Halbleiterkörperabschnittes 1 liegt, an der der mitt-

lere PN-Übergang freiliegt, während der Lichtleiter 56 gegenüber zur Seitenfläche des zweiten Halbleiterkörperabschnittes 2 vorgesehen ist, wo der mittlere PN-Übergang freiliegt.

Bei diesem Aufbau verhindert der zwischen dem ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 und dem zweiten Halbleiterkörpersbschnitt 2 liegende Isolierabschnitt 504, daß die gesammelten Rest-Ladungsträger in einem Halbleiterkörperabschnitt einen Einfluß auf den anderen haben, wodurch beim Umschalten das fehler-

b5 hafte Zünden verhindert wird. Da auch Lichtsignale von den Leuchtdioden auf die freiliegenden Teile der mittleren Übergänge mit hoher Lichtempfindlichkeit der jeweiligen Halbleiterkörperabschnitte durch

Lichtleiter gestrahlt werden, kann die Lichtempfindlichkeit in beiden Richtungen im wesentlichen gleich gehalten werden, und es wird verhindert, daß die Leuchtdiode 91 oder 92 fehlerhaft den ersten bzw. den zweiten Halbleiterkörperabschnitt 1 bzw. 2 zündet. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaues liegt im einfachen Ersatz der Leuchtdioden. Die Gehäuseform hat keinen Einfluß auf die Vorteile der Erfindung und bildet lediglich ein Beispiel, wie die Leuchtdioden außerhalb des Gehäuses anzuordnen sind.

Es kann leicht gezeigt werden, daß der Isolierabschnitt 504 beim Ausführungsbeispiel der Fig. 17 mit gleichen Vorteilen durch den Graben 8 der Ausführungsbeispiele der Fig. 1-7 ersetzt werden kann, wenn der Photothyristor der Fig. 17 hergestellt wird.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß anstelle der Leuchtdioden der Fig. 17 elektrische Lampen

verwendet werden können.

Der erste und der zweite Halbleiterkörperabschnitt werden hergestellt, indem eine 350 μΐη dicke Siliziumscheibe mit 16 mm Durchmesser mittels eines Grabens mit V-Querschnitt halbiert wird, der 22 μΐη an seiner Oberseite breit ist. Die Nennwerte von Spannung und Strom betragen jeweils 800 V und 100 A. Für die beiden Leuchtdioden werden GaAs-Leuchtdioden mit 0,1 W (Photo-Ausgangsleistung 10 mW) verwendet. Bei einer Anstiegszeit von 100 A/us des Rückwärtsstromes beträgt die dv/dt-Unempfindlichkeit 100 V/us, wobei gewährleistet ist, daß kein Halbleiterkörperabschnitt abhängig von einem Lichtsignal gezündet wird, das am Halbleiterkör-"> perabschnitt liegt, während der andere Halbleiterkörperabschnitt in Vorwärts-Richtung mit 800 V vorgespannt ist.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Zweirichtungs-Photothyristor, mit einem vier benachbarte Schichten abwechselnd unterschiedliehen Leitungstyps aufweisenden ersten Halbleiterkörperabschnitt, wobei ein PN-Überzug zwischen jeweils benachbarten Schichten gebildet ist, einem ebenfalls vier benachbarte Schichten abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps aufweisenden zweiten Halbleiterkörperabschnitt, wobei ebenfalls ein PN-Übergang zwischen jeweils benachbarten Schichten gebildet ist, einem Isolierabschnitt zum elektrischen Isolieren des ersten Halbleiterkörperabschnittes vom zweiten Halbleiterkörperabschnitt, einer Einrichtung, die die beiden Halbleiterkörperabschnitte in vorbestimmter gegenseitiger Lage hält, einem ersten Anschluß zum elektrischen Verbinden der N-Endschicht des ersten Halbleiterkörperabschnittes mit der P-Endschicht des zweiten Halbleiterkörperabschnittes, einem zweiten Anschluß zum elektrischen Verbinden der P-Endschicht des ersten Halbleiterkörperabschnittes mit der N-Endschicht des zweiten Halbleiterkörperabschnittes, und einer Zündeinrichtung zum Zünden der beiden Halbleiterkörperabschnitte mittels eines Lichtsignals, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündeinrichtung (9) ein erstes Zündglied (91) zur Abgabe eines Lichtsignals an eine Licht-Empfangsfläche des ersten Halbleiterkörperabschnittes (1) zu dessen Zünden und ein zweites Zündglied (92) zur Abgabe eines Lichtsignals an eine Licht-Empfangsfläche des zweiten Halbleiterkörperabschnittes (2) zu dessen Zünden aufweist, und daß eine Sperreinrichtung die Fortpflanzung des Lichtsignals vom ersten Zündglied (91) zum zweiten Halbleiterkörperabschnitt (2) und die Fortpflanzung des Lichtsignals vom zweiten Zündglied

(92) zum ersten Halbleiterkörperabschnitt (1) sperrt.

2. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 1, bei dem Seitenflächen des ersten und zweiten Halbleiterkörperabschnitts die Lichtempfangsflächen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierabschnitt ein Graben (8) zwischen dem ersten Halbleiterkörperabschnitt (1) und dem zweiten Halbleiterkörperabschnitt (2) ist, und daß bei beiden Halbleiterkörperabschnitten (1, 2) die jeweils an den Graben (8) angrenzenden Seitenflächen (13', 23') als Lichtempfangsflächen dienen.

3. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und zweite Zündglied (91, 92) oder die Lichtsignal-Ausgangsanschlüsse eines ersten und eines zweiten Lichtleiters (55, 56) zum Leiten der Lichtsignale von den Zündgliedern (91,92) zu den Lichtempfangsflächen auf einer Halterung (93) mit einem vorspringenden Abschnitt (931) gelagert sind, der die Sperreinrichtung bildet.

4. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Zündglied (91,92) oder die Lichtsignal-Ausgangsanschlüsse des ersten und des zweiten Lichtleiters zusammen mit der Halterung

(93) in den Graben (8) eingeführt sind.

5. Zweirichtungs-Photothyristor nach einem

der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Halbleiterkörperabschnitt (1, 2) miteinander am Boden des Grabens (8) verbunden sind.

6. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Insel (10) auf dem Boden des Grabens (8) vorliegt, die als die Sperreinrichtung dient.

7. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Zündglied (91,92) oder die Lichtsignal-Ausgangsanschlüsse eines ersten und eines zweiten Lichtleiters (55, 56) zum Leiten der Lichtsignale von den Zündgliedern (91,92) zu den Lichtempfangsflächen auf einer Halterung (93) mit einem vorspringenden Abschnitt (931) gelagert sind, der zusammen mit der Insel (10) als die Sperreinrichtung dient.

8. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Zündglied (91, 92) oder ein erster und ein zweiter Lichtleiter (55, 56) zum Leiten der Lichtsignale von den Zündgliedern (91, 92) zu den Lichtempfangsflächen auf einer Halterung (93) gelagert und in den zwischen dem ersten Halbleiterkörperabschnitt (1) und der Insel (10) bzw. in den zwischen dem zweiten Halbleiterkörperabschnitt (2) und der Insel (10) gelegenen Teil des Grabens (8) eingeführt sind.

9. Zweirichtungs-Photothyristor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Insel (10) mit einem reflektierenden Metallfilm bedeckt ist..

10. Zweirichtungs-Photothyristor nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Insel (10) aus Halbleitermaterial besteht.

11. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Isolierabschnitt ein Graben (8) zwischen dem ersten Halbleiterkörperabschnitt (1) und dem zweiten Halbleiterkörperabschnitt (2) vorgesehen ist, daß der erste und der zweite HalbleUerkörperabschnitt (1, 2) eine erste bzw. eine zweite öffnung (301, 401; 302,402) aufweisen, die so angeordnet sind, daß wenigstens der mittlere PN-Übergang (J₁₂, J₂₂) der beiden Halbleiterkörperabschnitte innerhalb der öffnung freiliegt, daß die Flächen der beiden Halbleiterkörperabschnitte (1, 2), die die Grenzflächen mit den beiden Öffnungen bilden, als Lichtempfangsflächen dienen, und daß die beiden Halbleiterkörperabschnitte (1, 2) selbst als Sperreinrichtung dienen.

12. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Zündglied (91,92) oder die Lichtsignal-Ausgangsanschlüsse eines ersten und eines zweiten Lichtleiters (55, 56) zum Leiten der Lichtsignale von den Zündgliedern (91,92) zu den Liichtempfangsflächen in die erste bzw. die zweite öffnung (301, 401; 302, 402) eingeführt sind.

13. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündglieder (91, 92) bzw. die Lichtsignal-Ausgangsanschlüsse des ersten und des zweiten Lichtleiters (55, 56) innerhalb der öffnungen (301, 401; 302, 402) in einen transparenten Isolierstoff (403) eingebettet sind.

14. Zweirichtungs-Photothyristor nach An-

Spruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben (8) an einem Ende einen Ausschnitt (60) mit einer größeren Qiierschnittsfläche aufweist, daß eine Halterung (93) im Ausschnitt (60) vorgesehen ist, um das erste und das zweite Zündglied (91, 92) oder einen ersten und einen zweiten Lichtleiter (55, 56) zum Leiten der Lichtsignale von den Ziindgliedern (91, 92) zu den Lichtempfangsflächen zu lagern, und daß die Halterung (93) als die Sperreinrichtung dient.

15. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 1, bei dem Seitenflächen des ersten und des zweiten Halbleiterkörperabschnitts die Lichtempfangsflächen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierabschnitt ein Graben (8) zwischen dem ersten und dem zweiten Halbleiterkörperabschnitt (1, 2) ist, daß die mit dem Raum außerhalb des Grabens (8) zusammenhängenden Seitenflächen (13,23) der beiden Halbleiterkörperabschnitte (1, 2) die Lichtempfangsflächen der ersljn bzw. des zweiten Halbleiterkörperabschnittes (1, 2) bilden, und daß die beiden Halbleiterkörperabschnitte (1, 2) selbst als die Sperreinrichtung dienen.

16. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 1, bei dem der Isolierabschnitt ein Halbleiterkörperabschnitt mit PNP-Dreischicht-Aufbau ist, der den ersten und den zweiten Halbleiterkörperabschnitt miteinander verbindet, und bei dem die Seitenflächen des ersten und des zweiten Halbleiterkörperabschnittes, die an die Oberfläche des Halbleiterkörpers angrenzen, als die Lichtempfangsflächen des ersten bzw. des zweiten Halbleiterkörperabschnittes dienen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Halbleiterkörperabschnitt (1, 2) selbst als Sperreinrichtung dienen.

17. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der PNP-Dreischicht-rlalbleiterkörperabschnitt (504) Schwermetall-diffundiert ist.

18. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der PNP-Dreischicht-Halbleiterkörperabschnitt
(504) zwei entgegengesetzte Schlitze (8', 8") aufweist, die sich nach den jeweiligen äußersten P-Schichten öffnen und jeweils eine Sohle aufweisen, die die N-Schicht des PNP-Dreischicht-Halbleiterkörperabschnittes erreicht, und daß der erste und der zwetle Halbleiterkörperabschnitt miteinander durch die N-Schicht im PNP-Dreischicht-Halbleiterkörperabschnitt verbunden sind.

19. Zweirichtungs-Photothyristor nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtsignale vom ersten und vom zweiten Zündglied (91,92) durch einen ersten und einen zweiten Lichtleiter (55, 56) zu den Lichtempfangsflächen (13, 23) des ersten bzw. des zweiten Halbleiterkörperabschnittes (1,2) geführt sind.

20. Zweirichtungs-Photothyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Zündglied (91, 92) Leuchtdioden oder elektrische Lampen sind.

Die Erfindung betrifft einen Zweirichtungs-Photothyristor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiger Zweirichtungs-Photothyristor ist bekannt (US-PS 3422323).

Ein Zweirichtungs-Thyristor hat zum Schalten in zwei Richtungen abhängig von einem Signal von einer Licht-Zündeinrichtung ein Halbleitersubstrat aus fünf Schichten abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps. Von diesen fünf Schichten berührt die erste Schicht die zweite Schicht, die zweite Schicht die dritte Schicht, die dritte Schicht die vierte Schicht und die vierte Schicht die fünfte Schicht. Die erste bis vierte Schicht mit der ersten Schicht als einer Endschicht auf einer Seite des Halbleitersubstrats bilden einen ersten Vierschichtbereich, während die zweite bis fünfte Schicht mit der fünften Schicht als der anderen Endschicht auf der anderen Seite des Halbleitersubstrats einen zweiten Vierschichtbereich darstellen. Ein derartiger Zweirichtungs-Thyristor hat eine erste Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit der äußersten ersten Schicht und der zweiten Schicht, die eine Zwischenschicht neben der ersten Schicht ist, eine zweite Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit der äußersten fünften Schicht und der vierten Schicht, die eine andere Zwischenschicht in Berührung mit der fünften Schicht ist, und eine Einrichtung zum Anlegen von Zündsignalen. Wenn ein Zündsignal so angelegt wird, daß die Spannung zwischen der ersten und der zweiten Hauptelektrode bei einer Hauptelektrode ein höheres Potential als bei der anderen aufweist, beginnt einer der Vierschichtbereiche zu leiten, dessen Vorwärts-Richtung mit der Richtung von der einen Hauptelektrode zu anderen übereinstimmt. Wenn ein Zündsignal so angelegt wird, daß eine Rückwärts-Spannung zwischen den Hauptelektroden liegt, wobei die andere Hauptelektrode ein höheres Potential als die eine Hauptelektrode hat, wird dagegen der andere Vierschichtbereich leitend, dessen Vorwärts-Richtung mit der Richtung von der anderen Hauptelektrode zur einen Hauptelektrode übereinstimmt, so daß der Thyristor ein Zweirichtungsschalten durchführt.

Ein derartiger Zweirichtungs-Thyristor ist elektrisch zwei rückwärts sperrenden Thyristoren (im folgenden lediglich als »Thyristoren« bezeichnet) gleichwertig, die antiparallel geschaltet sind, und hat gegenüber den letzteren die folgenden Vorteile:

1. Da er in einer einzigen Baugruppe enthalten sein kann, ist die Anzahl der Kühlrippen auf die Hälfte verringert, so daß eine raumsparende Vorrichtung ermöglicht wird;

2. er ist in zwei Richtungen abhängig von einem Zündsignal schaltbar, was zu einer raumsparenden Steuervorrichtung führt; und

3. es ist keine spezielle Verdrahtung für die Antiparallelschaltung erforderlich.

Aufgrund dieser Vorteile ersetzen derartige Zweirichtungs-Thyristoren stetig antiparallel geschaltete Thyristorpaare in zahlreichen Anwendungsgebieten. Trotz ihrer Vorteile führt jedoch eine praktische Verwendung derartiger Zweirichtungs-Thyristoren zu den unten erläuterten Schwierigkeiten:

Ein erstes Problem derartiger Zweirichtungs-Thyristoren ist ein fehlerhaftes Zünden beim Umschalten. Da ein derartiger Zweirichtungs-Thyristor ein Halbleitersubstrat hat, das zwei nahe beieinander antiparallel geschaltete Thyristorteile aufweist, kann einer