DE2645513C3 - Zweirichtungs-Photothyristor - Google Patents
Zweirichtungs-PhotothyristorInfo
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Description
der beiden Thyristorteile fehlerhaft vor Anlegen eines Ziindsignals 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-Thyristor 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 zuin 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 unabgeglichenen Steueranschluß-Empfindlichkeit. 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 Gleichstrommotoi
seine Rotation von Vorwärts- ind Rückwärts-Richtung ändert oder die anliegende Last plötzlich ver-
ringen wird, nimmt die Gegen-EMK im Vergleich mn
dem Zustand während des normalen Betriebes zu, und außerdem muß der Voreilwinkel für die Phasensteuerung zum Verlangsamen verzögert werden, so daß das
Steuersignal mit einer Vorwärts-Spannung kleiner als
i> die Gegen-EMK am Thyristorteil anliegt. Das heißt,
das Steuersignal liegt so an, daß der zündende Thyristorteil in Sperrichtung vorgespannt ist, während eier
andere, zu diesem Thyristorieil antiparallel geschaltete Thyristorteil in Vorwärts-Richtung vorgespannt
μ ist. Wenn in diesem Fall der Zweirichtungs-Thyristor
in zwei Richtungen abhängig vom gleichen Steuersignal oder von zwei synchronisierten Steuersignalen
von der gleichen Steuerschaltung geschaltet wird, wird der zu dem zu zündenden Thrystorteil antiparallel lie-
2*> gende Thyristorteil in unerwünschter Weise gezündet,
was zum Kurzschluß der Last und der Stromquelle führt. Fine Möglichkeit zum Vermeiden dieses Zustandes liegt darin, daß der Zweirichtungs-Thyristoi
in einem Bereich geschaltet wird, in dem die Gegen-
so EMK niedriger ist als die Quellenspannung. Diese
Möglichkeit beschränkt jedoch siark die Drehzahlregelung oder -steuerung des Gleichstrommotors, so
daß eine praktische Anwendung hiervon unzweckmäßig ist.
J5 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
stör oder der Zweirichtungs-Thyristor durch einer
Photostrom geschaltet wird, der durch Einstrahler von Licht auf das Halbleitersubstrat des Thyristors erzeugt wird. Fünfschicht-Zweirichtungs-Photothyristoren sind bekannt (US-PS 3422323, DE-OS
2461190). Im Vergleich zur elektrischen Zündanordnung hat die Licht-Zündanordnung den Vorteil, daß
die einfache Isolation der Steuerschaltung von dei Hauptschaltung den Aufbau der Steuerschaltung vereinfacht und gleichzeitig eine Anwendung auf eine
so Hochspannungsschaltung erleichtert, und daß das Fehlen einer Rückkopplung von der Hauptschaltung
zur Steuerschaltung das fehlerhafte Zünden ausschließt, das sonst aufgrund der Induktivität auftreten
kann. Die Licht-Zündanordnung hat trotz dieser Vor
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 Zündempfindlichkeit in beiden Richtungen aufweist und der gui
für die Verwendung in einer Schaltung mit induktivei
Last geeignet ist.
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
Durch die Sperreinrichtung wird erreicht, daß keiner der Halble'terkörperabschnitte gezündet wird,
selbst wenn ein Lichtsignal von der Zündeinrichtung bei in Riickwärts-Richtung vorgespanntem ersten
Halbleiterkörperabschnitt und bei in Vorwärts-Richturig «forgespanntem 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 ZUndglieder 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. 4 eine schematische Darstellung der Zündeinrichtung mit Lichtleitern,
führungsbeispiels der Fig. 2,
Fig. 6 einen Schnitt einer anderen Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Fig. 2,
Fig. 7 einen Schnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels,
Fig. 8 einen Schnitt eines dritten Ausführungsbeispiels,
Fig. 9 eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbeispiels,
ic Fig. 10 einen Teilschnitt X-X in Fig. 9,
Fig. 11 einen Teilschnitt einer Abwandlung des
Ausführungsbeispiels der Fig. 10,
Fig. 12 eine Draufsicht eines fünften Ausführungsbeispiels,
|-> Fig. 13 einen Schnitt XIII-XIII in Fig. 12,
Fig. I4 einen Schnitt eines sechsten Ausführungsbeispiels,
Fig. 15 einen Schnitt eines siebenten Ausführungsbeispiel,
2» Fig. 16 eine Draufsicht eines achten Ausführungsbeispiels, und
Fig. 17 einen Schnitt eines neunten Ausführungsbeispiels.
In den Fig. 1 und 2, die ein erstes Ausführungsbeispiel des Zweirichtungs-Photothyristors zeigen, sind
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 NEl,
P81, N8, und P£1 abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps, die einen PN-Übergang zwischen jeder benachbarten Schicht zwischen den Hauptflächen bilden. Ein zweiter Halbleiterkörperabschnitt 2 hat zwei
r> Hauptflächen 21 und 22 auf entgegengesetzten Seiten,
Seitenflächen 23 und 23', die die Hauptflächen 21 und 22 miteinander verbinden, und vier benachbarte
Schichten /VE2, P82, /V82 und PF2 abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps, die einen PN-Übergang
zwischen jeweils benachbarten Schichten zwischen den Hauptflächen 21 und 22 bilden. Weiterhin sind
N-leitende Emitterschichten NEi und /V62 (im folgenden jeweils als »NE ,-Schicht« bzw. » NE2-Schicht« bezeichnet), P-leitende Basisschichten P81 und P82 (im
folgenden als »PB)-Schicht« bzw. »P82-Schicht« bezeichnet) neben der NE ,- und der /V^-Schicht vorgesehen, die erste PN-Ubergänge Jn und J21 mit der
/V£1- bzw. der A/£2-ScHicht bilden. Weiterhin sind N-leitende Basisschichten /V81 und /V82 (im folgenden
als »/V8 ,-Schicht« bzw.»/V82-Schicht« bezeichnet) neben der P81- bzw. P82-Schicht vorgesehen und bilden
zweite PN-Übergänge J12 und .Z22 mit der P81- bzw.
Pjj-Schicht. P-leitende Emitterschichten P£1 und P£2
(im folgenden als »P£,-Schicht« bzw. »P£2-Schicht«
bezeichnet) liegen neben der /V81- bzw. /V82-Schicht
und bilden dritte PN-Übergänge J13 und J23 mit der
/V81- bzw. /Vaj-Schicht. Die P£1- und die P£2-Schicht
liegen an den Hauptflächen 11 und 21 des ersten bzw. des zweiten Halbleiterkörperabschnittes 1 bzw. 2 frei,
während die /V£1- und die P8 ,-Schicht sowie die NE2-
und die P82-Schicht an den anderen Hauptflächen 12
bzw. 22 freiliegen. Die jeweiligen ersten PN-Übergänge Jn und J21 haben an den Hauptflächen 12 und
22 sowie den Seitenflächen 13' und 23' jeweils im Graben 8 freiliegende Enden, während die zweiten
PN-Übergänge Z12 und J22 und die dritten PN-Übergänge Jn 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. 5 ist in niederohmigem Kontakt mit der PE,- und der PE2-Schicht an der Hauptfläche 11 bzw. 21. Eine erste
bzw. eine zweite Kathoden-Elektrode 4 bzw. 6 sind in niederohmigem Kontakt mit der NEl- und der P8,-Schicht bzw. der NE,- und der P8,-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
tendem 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 ί sind der erste PN-Übergang 7,, und der dritte PN-Übergang Jn in
Vorwärts- oder Durchlaß-Richtung vorgespannt, während der zweite PN-Übergang Jn in Rückwärtsoder Spcrr-Richtung vorgespannt ist. Beim zweiten
\ialblcitcrkörpcrabschnitt 2 sind dagegen der erste
PN-Übergang J21 und der dritte PN-Übergang J73 in
Kuckwarts-Richtung vorgespannt, während der
/weite PN-Übergang J12 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 ersre HaIbieitcrkürpcranMrhnitt i gezündet. Dieses Zünden wird
im folgenden kurz erläutert. Die Lichtstrahlung erzeugt Klektron-Li>ch-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 /V8,- bzw. P8,-Schicht gesammelt, so daß
so der erste PN-Übergang /,, stark in Vorwärts-Richtung vorgespannt wird, der bisher etwas in Vorwärts-Richtung vorgespannt war. Wenn die Spannung am
ersten PN-Übergang Jit bei dessen einem Endteil neben dem Graben 8 das Aufbaupotential (Raumladungs-Randschicht-Spannung) des ersten PN-Uberganges J11 überschreitet, beginnen Elektronen an
diesem Teil von der /VE1-Schicht in die PB1-Schicht
zu injizieren. Die in die P81-Schicht injizierten Elektronen diffundieren in die NH ,-Schicht über den zweiten PN-Übergang ./,2. Diese Elektronen bewirken.
i' daß der bisher etwa in Vorwärts-Richtung vorgespannte dritte PN-Übergang Jn stark in Vorwirts-Richtung vorgespannt wird, so daß Löcher von der
PE1-Schicht in die Λ/,,,-Schicht injiziert werden, wenn
die Sn2P.p.ün" am PN-Übergang J ·, Ha« Aufhminoten-
2» tial des dritten PN-Überganges überschreitet. Die so
injizierten Löcher diffundieren in die P8,-Schicht
durch den zweiten PN-Übergang Jn, um den ersten
PN-Übergang J11 stärker in Vorwärts-Richtung vorzuspannen. Als Ergebnis wird die Injektion von Elek-
2r> tronen von der NE ,-Schicht begünstigt. Diese Verfahrensschritte werden wiederholt. Wenn der Stromverstärkungsfaktor aNPN des Transistors aus der Λ/Ε1-,
P8,- und Ng ,-Schicht plus der Stromverstärkungsfaktor a„NP des Transistors aus der P81-, /V8,- und PE1-
Schient 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 bezüg-
)5 lieh 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 Halbleiterkörper-
abschnitt 2 wiederholt, so daß dieser leitet. Der Unterschied in diesem Fall liegt darin, daß Licht von
der Leuchtdiode 92 als Lichtsignal verwendet wird.
erläuterten Aufbau ist der erste Halbleiterkörperabschnitt 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-Unempfindlichkeitbeim Umschalten zu verbessern. Da weiterhin
die vergleichsweise empfindlichen Enden der zweiten PN-Übergänge Jn und J22 der jeweiligen Halbleiter
körperabschnitte an den Seiten des Grabens 8 freilie
gen, 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 Halbleiterkörperabschnitt 2 und von der Leuchtdiode 92 zum ersten Halbleiterkörperab
schnitt 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 Zweifichtungs-Thyristor in einer Schaltung
mit induktiver Last verwendet wird, wird oft der zu zündende Halbleiterkörperabschnitt in Kiickwärts-Richtung
aufgrund der Gegen-EMK infolge der induktiven Last vorgespannt, während der I Jalbleiterkörperabschnitt,
der eine Sperre bilden sollte, in Vorwärts-Rtchtutig
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 I 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 HaIbleiterkörf srabschnitt 2 fällt, wird kernen 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 Nutzfaktorder 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 kennen Lichtleiter verwendet werden, um Lichtsignale von den Lichtquellen zum
Träger 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 Abwandlungen ersetzt werden, und auch Lichtsignale können beinahe zu den Außenseiten
durch derartige Lichtleiter geführt werden, w**
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 den Licht-
i' empfangsfiächen 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 ge-
-n trennt 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
JO eine zur Massenproduktion 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,
r> 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 darüberliegenden drei PNP-Zwi-
schenschichten gebildet wird, wobei der Isolierabschnitt
504 aus dem Teil der drei PHP-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 oje 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
zu 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-Phoiothyristors
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. Eint 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 ZUnd-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
Ausfuhrungsbeispiel 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
Quefsehnittsform anstelle eines Dreieckes auf Kosten der Reflexion eines Lichtsignals an ihr haben. Beim
betrachteten Ausfuhrungsbeispiel haben der erste und
der zweite Halbleiterkörperabschnitt den gleichen Aufbau wie beim Ausfuhrungsbeispiel 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. ίί-11 kann elekirische
Lampen anstelle von Leuchtdioden als Lichtquellen verwenden. Weiterhin können Lichtleiter, wie
z. B. optische Fasern, zum Leiten von Lichtsignalen von den Leuchtdioden oder anderen Lichtquellen, wie
z. B. elektrische Lampen, zum Träger 93 oder selbst 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 Ausführungsbeispiels
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 Off-
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 be η 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 Offnungen eingeführt
werden. Trotz des Aufbaues der ersten und der zweiten Öffnung 301 und 302 durch die jeweiligen
Halbleiterkörperabschnitte (vgl. Fig. 13) werden die Vorteile der Erfindung erzielt, solange sie so gebildet
sind, daß die zweiten PN-Ubergänge freiliegen. Wenn die Durchbruchsspannung berücksichtigt wird, haben
die Wände der ersten und der zweiten Öffnung vorzugsweise
den gleichen Winkel wie die Seitenendflä-
5j chen 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
Fi g. 8 erläutert wurde, werden die Vorteile der Erfindung in gleicher Weise erreicht, indem der erste und
der zweite Halbleiterkörperabschnitt alternativ durch den PNP-Teil des Substrats verbunden werden. Ahnes
Hch zum Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 8 kann der als Isoliereinrichtung dienende PNP-Halbleiterkörperabschnitt
504 mit einem derartigen Schwermetall, wie z. B. Gold, diffundiert sein.
Der IsoUerabscbnitt aus dem PNP-Halbleiterkörperabsdinitt
kann mit Schützen 8' und 8" versehen sein (vgl. Fig, 14), während die NBl- und die NS2-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 Offnungen
301 und 302 mittels derartiger Lichtleiter, wie ι > ζ. Β. optischen Fasern (nicht dargestellt), einzuführen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. IS 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 Bodenteile 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 zw«5en 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 elekfrischen 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 v>
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-Photothyristors
ist in Fig. 16 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich dadurch aus, daß
die Leuchtdioden auf einer Seite der Halbleiterkörperabschnitte vorgesehen sind. Ein Ausschnitt 6· wird
itn Teil des Grabens I zwischen dem ersten Halblei- w
terkörperabschnitt 1 und dem zweiten HalWeitcrkörperabschnitt
2 gebildet, so daß die Zündeinrichtung 9 einschließlich der Leuchtdioden 91 und 92 oder ähnlichen
Lichtquellen und der Träger 93 dazwischen im Ausschnitt 6t vorgesehen sind. Die Leuchtdiode 91 »
ist auf dem ersten Hftlbieiterkörperabschnitt 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 die Leuchtdioden 91 und 92 erzeugtes Lichtsignal auf den
zweiten Halbleiterkörperabschnitt 2 bzw. den ersten Halbleiterkörperabschnitt 1 strahlt. Dieser Aufbau ist
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 zweiten Halbleiterkörperabschnittes 2 kann mit den gleichen
Vorteilen ein PNP-Halbleiterkörperabschnitt 504 gebildet
werden, wie dieser in Fig. 8 gezeigt ist. In diesem Fall wird der Isolierabschnitt 504 mit dem in
Fig. 16 dargestellten Ausschnitt 60 gebildet, wobei die Zündeinrichtung 9 darin vorgesehen ist (in der
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 derartigen
Lichtquellen, wie z. B. Leuchtdioden oder elektrischen Lampen, zu leiten.
Die Fig. 17 zeigt den gesamten Aufbau eines Photothyristors
mit integriertem ersten und zweiten Halbleiterkörperabschnitt, 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 NPMPN-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 SO 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
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
Halbletterkörperabschnittes 1 liegt, an der der mittlere 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
Halbleiterkörperabschnitt 2 liegende Isolierabschnitt 504, daß die gesammelten Rest-Ladungsträger in einem
Halbleiterkörperabschnitt einen Einfluß auf den anderen haben, wodurch beim Umschalten das fehlerhafte
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 um dicke Siliziumscheibe
mit 16 mm Durchmesser mittels eines Grabens mit V-Querschnitt halbiert wird, der 22 um
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-Ausgangslfistung
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 Halbleiterkörperabschnitt liegt, während der andere Halbleiterkörperabschnitt
in Vorwärts-Richtung mit 800 V vorgespannt ist.
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Zweirichtungs-Photothyristor, mit einem vier
benachbarte Schichten abwechselnd unterschiedliehen Leitungstyps aufweisenden eniten Halbleiterkörperabschnitt,
wobei ein PN-Übergang 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 '5
Halbleiterkörperabschnitt, einer Einrichtung, die die beiden Halbleiterkörperabschnitte in vorbestimmter
gegenseitiger Lage hält, einem ersten Anschluß zum elektrischen Verbinden -der N-Endsckidit
des ersten Halbleiterkörperabschnittes mit der P-Endschicht de« 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 ek.es Lichtsignals an eine Licht-Empfangsfläciie des zweiten Halbleiterkörperabschnittes
(2) zu dessei: Zünden aufweist, und J5
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 i, 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 Seiten- so flächen (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) gela- eo
gert 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 Halblejterkörperabschnitt
(1,2) miteinander am Boden des Grabens (8) verbunden sind,
6. Zweuicbtungs-Photothyristor nach Anspruch
2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Insel (10) auf dem Boden des Grabens (8) vorliegt, die
als die Sperreinrichtung dient.
7. Zweirichtangs-Photothyristor «ach 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 (9.1,92) 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 (Ij und dem zweiten Haibleiterkörperabschnitt (2) vorgesehen ist, daß
der erste und der zweite Halbleiterkörperabschnitt (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 ab 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 Lichtleiter» (55, 56) zum Leiten der
Lichtsignale von den Zündgliedern (91,92) zu den Lichtempfangsflächen in die erste bzw. die zweite
öffnung (301, 401; 302, 402) eingeführt sind.
13. Zweiriehtungs-Photothyristof nach An*
spruch 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-
sprwch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Graben
(8) an einem Ende einen Ausschnitt (6Q) mit einer größeren Querschnittsfläche 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 Zündgliedem (91,92) zu den Lichterapf
angsflächen zu lagern, und daß die Halterung (93) als die Sperreinrichtung dient. lu
15. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 1, bei dem Seitenflachen 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 ersten bzw. des zweiten Halbleiterkörperabschnittes (1,2) bilden,
und daß die beiden Halbleiterkörpen-,bschniite (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 Oberflä- Jo
ehe 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 Sperrein- J5 richtung dienen.
17. Zweirichtungs-Photothyristor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der PNP-Dreischicht-Halbleiterkörperabschnitt
(504) Schwermetall-diffundiert ist. -to
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 zweite Halbleiterkörperabschnitt miteinander durch die N-Schicht im PNP-Dreischicht-Halbleiterkörperabschnitt verbunden sind.
(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 zweite 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 Zihidglied (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 μ der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste und das zweite Zündglied (91, 92) Leuchtdioden oder elektrische Lampen
sind.
65 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 ejntf
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-Thyrirfor 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 Vorwarts-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 ver/ingert, so daß eine raumsparende Vorrichtung ermöglicht wird;
2. er ist in zwei Richtungen abhängig von einem ZUndsignal 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 Zweiriclitungs-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 Thvristorteile aufweist, kann einer
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