DE2659909C2

DE2659909C2 - Halbleiterschaltereinrichtung

Info

Publication number: DE2659909C2
Application number: DE2659909A
Authority: DE
Inventors: Masahiko Amagasaki Akamatsu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1976-02-12
Filing date: 1976-11-24
Publication date: 1982-11-18
Also published as: DE2653432A1; SE7710046L; FR2341204B1; SE7613161L; DE2659909A1; SE431697B; JPS5297684A; FR2341204A1; US4338617A; GB1578758A; CA1068411A; CH612795A5; GB1578760A; GB1578759A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleit-rschaltereinrichtung mit einem einen Kollektor, eir.en Emitter und eine Basis aufweisenden Transistor und mk einem Hauptelektroden und eine Steuerelektrode aufweisenden Thyristor, dessen Hauptelektroden mit dem Kollektor und der Basis des Transistors verbunden sind und mit einer Steuereinrichtung zur Beaufschlagung der Steuerelektrode des Thyristors mit einem Steuersignal.

Eine solche Halbleiterschaltung ist bekannt aus der DE-OS 16 14 035, und sie dient dabei dem Schutz des Halbleiterbauelementes vor Oberspannungen. Eine Möglichkeit zur Erleichterung der Löschung der Halbleiterschaltereinrichtung ist aus dieser Druckschrift nicht bekannt.

Als Leistungshalbleiterschalteinrichtungen werden Leistungstransistoren verwendet oder Leistungsthyriitoren. Leistungstransistoren können über die Basis gelöscht werden, während Thyristoren im allgemeinen nicht über die Steuerelektrode gelöscht werden können. Es sind zwar spezielle Thyristoren bekannt, welche über die Steuerelektrode löschbar sind. Diese werden jedoch leicht durch die Ausschaltleistung zerstört, so daß derartige über die Steuerelektrode löschbare Thyristoren nut bei geringen Strömen und Spannungen* verwendet werden können. Andererseits ist es auch schwierig, einen Transistor für hohe Spannung und hohen Strom herzustellen, da die Erhöhung der Durchbruchspannung und die Erhöhung des Stromverstärkungsfaktors in einem antagonistischen Verhältnis stehen. Man verwendet daher im Falle hoher Spannungen und hoher Ströme im allgemeinen Thyristoren, welche nicht über die Steuerelektrode löschbar sind.

Es wurde bereits Vorgeschlagen, eine komplexe Schaltvorrichtung zu verwenden, bei der ein über die Steuerelektrode löschbarer Thyristor zwischen Basis und Kollektor eines Transistors geschaltet ist, so daß der Transistor ausgeschaltet wird, wenn der Thyristor über die Steuerelektrode gelöscht wird. Diese bekannten Schaltvorrichtungen sind jedoch ebenfalls auf relativ niedrige Stromwerte begrenzt, da der erreichbare Basisstrom des Transistors durch das geringe Ausschaltvermögen des durch die Steuerelektrode löschbaren Thyristors beschränkt ist Ferner kommt es bei solchen Schaltvorrichtungen leicht zu einer örtlichen Konzentrierung der Schaltleistung, und der Bereich innerhalb dessen ein sicherer Betrieb möglich ist, erweist sich als eng.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiterschaltereinrichtung mit Selbstlöschfunktion für hohe Spannungen und hohen Strom zu schaffen, bei der die Aussrhaltleistung nicht örtlich konzentriert wird und die innerhalb eines weiten Betriebsbereiches sicher betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Halbleiterschaltereinrichtung der eingangs genannten Art, welche gekennzeichnet ist durch eine Löschsteuereinrichtung (300) zur Beaufschlagung der Basis des Transistors (TR) mit einem Durchlaßimpulsstrom unter Beaufschlagung der Hauptelektroden des Thyristors (CR)in Sperr-Richtung, wobei der durch den Durchlaßimpulsstrom hervorgerufene Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter des Transistors (TR) größer ist als der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter des Transistors (TR) während der Zufuhr des Durchlaßimpulsstroms.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

F i g. 1 und F i g. 3 bis 7 schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsformen eines in der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltereinrichtung verwendbaren Halbleiterelementes;

F i g. 2 eine schematische Darstellung der Arbeitsweise des Halbleiterelementes der Fig. 1,

Fig.8 ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterschal'sreinrichtung;

F i g. 9 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der Halbleiterschailereinrichtung gemäß Fig. 8;

F i g. 10 ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltereinrichtung;

Fig. 11 und 12 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsformen verwendbarer Haibieitereiemente;

Fig. 13 symbolische Schaltbilder der Ausführungsformen der Fig. 11 und 12;

Fig. 14 eine schematiche Ansicht und ein symbolisches Schaltbild eines weiteren verwendbaren Halbleiterelementes.

In den Zeichnungen werden gleich oder sich entsprechende Bauteile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Die Fig. la und b zeigen eine Draufsicht und einen Schnitt einer Ausführungsform des Halbleiterelementes. In dem jeweils linken Bereich sind die Kontakte 22 bis 12 weggelassen während sie in dem jeweils rechten Bereich gezeigt sind. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 handelt es sich um ein Halbleiterelement vom PNPN-Typ, wobei die erste Halbleiterschicht U₁ die zweite Halbleiterschicht 12, die dritte Halbleiterschicht 13 und die vierte Halbleiterschicht 14 jeweils Halbleiterschichten vom P-, N-, P- und N-Typ sind.

Die erste Halbleiterschicht 11 hat eine freiliegende Fläche an der ersten Oberfläche, welche in ohmschem Kontakt mit dem ersten Kontakt 21 steht und den

zentralen Bereich der Halbleiterscheibe 1 an der ersten Oberfläche bildet. Die zweite Halbleiterschicht 12 bildet den ersten PN-Übergang J\ mit der ersten Halbleiterschicht Il und hat eine freiliegende Fläche auf der ersten Oberfläche der Halbleiterscheibe wo sie in ohmschem Kontakt mit dem ersten Kontakt 21 steht. Dabei kann es sich um einen Kontakt handeln, welcher von dem die erste Halbleiterschicht berührenden Kontakt getrennt ist und mit diesem Kontakt lediglich elektrisch .erbunden ist Die freiliegende Fläche der zweiten Halbleiterschicht 12 bildet den peripheren Bereich der ersten Hauptfläche der Halbleiterscheibe 1.

Die dritte Halbleiterschicht 13 bildet den zweiten Übergang h mit der zweiten Halbleiterschicht 12 und besitzt eine freiliegende Oberfläche in der zweiten Hauptfläche der Halbleiterscheibe 1. Die freiliegende Oberfläche der dritten Halbieiterschicht 13 umfaßt die Oberfläche der Steuerelektrodenschicht oder Gate-Schicht 13«. welche in ohmschem Kontakt mit dem vierten Kontakt 24 steht Ferner bildet diese freiliegende Fläche der Schicht 13 auch die Oberfläche für die Basis 130, weiche in ohmschem Kontakt mit dem dritten B-Kontakt 23Ä steht (mit einem Teilbere«:h des dritten Bereichs 23). Die freiliegende Fläche für die Steuerelektrodenschicht 13a (Pc) ist derart angeordnet, daß sie im wesentlichen der ersten Halbleiterschicht 11 gegenüberliegt, wobei jedoch eine Diskrepanz um etwa eine Dicke mit der Halbleiterscheibe in der Gegenüberlage zulässig ist. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 1 bildet die Oberfläche der Steuerelektrodenschicht \?a den mittleren Bereich der Halbleiterscheibe 1 auf der zweiten Oberfläche und liegt der ersten Halbleiterschicht 11 gegenüber. Andererseits liegt die freiliegende Fläche der Basis XZb der dritten Halbleiterschicht 13 im wesentlichen gegenüber mindestens der freiliegenden Fläche der zweiten Halbleiterschicht 12. Bei dieser Ausführungsform liegt die Oberfläche der Basis 136 der freiliegenden Fläche der zweiten Halbleiterschicht 12 gegenüber und besitzt eine gemusterte Fläche, v/elche sich in die Ringfläche (zweite Fläche) der Halbleiterscheibe hinein erstreckt (als Vorspannungsgrenzlinie) (Bias Shoreline). Die vierte Halbleiterschicht 14 bildet den dritten Übergang J₃ mit der dritten Halbleiterschicht 13 und besitzt eine freiliegende Fläche auf der zweiten Hauptfläche. Die freiliegende Fläche der vierten Halbleiterschicht umfaßt einen ersten Bereich 14a, welcher in ohmschem Kontakt mit dem dritten Α-Kontakt 23a (eines Teils des dritten Kontakts 23) steht, üowie einen zweiten Bereich 146. welcher in ohmschem Kontakt mit dem zweiten Kontakt 22 steht. Der erste Bereich 14a liegt der ersten Halbleiterschicht 11 gegenüber und der zweite Bereich 146 liegt der freiliegenden Fläche der zweiten Halbleiterschicht 12 gegenüber. Der erste Bereich 14a und der zweite Bereich 146 bilden die freiliegenden Flächen der Kathodenschicht 14a (TVt) bzw. der Emitterschicht 146 (N_e). Der dritte Α-Kontakt ist elektrisch verbunden mit dem dritten B-Kontakt. Bei dieser Ausführungsform sind sie durch den dritten Kontakt 23 verbunden, welcher im wesentlichen aus dem gleichen Material besteht, so daß die Herstellung einfach ist.

In Fig. la zeigt die linke Hälfte das Muster der zweiten Hauptfläche welche die Fläche der Steuerelektrodensehicht 13a der dritten Halbleiterschicht 13 zeigt sowie die Fläche des ersten Bereichs 14a der vierten Halbleiterschicht 14 sowie die Fläche der Basis 13t der dritten Halbleiterschicht 13, wowie die Fläche des zweitein Bereichs 1·'ί6 der vierten Halbleiterschichl 14

und schließlich auch die Fläche des peripheren freien Bereichs 13c (P₀) der dritten Halbleiterschicht 13. Bei dieser Ausführungsform nimmt die Fläche 13a einen zentralen kleinen kreisförmigen Bereich ein uno die Fläche 14a nimmt einen großen zentralen ringförmigen Bereich ein. Die Fläche 13Z) weist fingerförmige Vorsprünge auf, welche sich von dem ringförmigen Bereich nach außen erstrecken und die Fläche 146 weist fingerförmige Vorsprünge auf, welche sich von dem ringförmigen Bereich nach innen erstrecken.

Das Oberflächenmuster der freiliegenden Fläche der ersten Hauptfläche ist nicht gezeigt Die Oberfläche der ersten Halbleiterschicht 11 (P_c) nimmt einen zentralen großen kreisförmigen Bereich ein und die Oberfläche der zweiten Halbieiterschicht 12 (N_c) nimmt den äußeren ringförmigen Bereich ein. Die Halbleiterscheibe 1 ist auf einem Substrat 30 befestigt, welches aus Molybdän oder Wolfram besteh't oder im Falle eines kleinen Halbleiterelementes aus Kupfer oder aus mit Silber beschichtetem Eisen. Auf diese Weise wird die Halbleiterscheibe erhalten. Der p':;te, zweite, dritte und vierte Kontakt 21 bis 24 werden jeweils herausgeführt und mit den Außenelektroden oder Anschlüssen 41 (CA), 42 (E), 43 (KB)und 44 (G) verbunden.

Ein Halbleiterelement mit der beschriebene;. Struktur kam nach herkömmlichen Diffusionsverfahren, nach Epitaxialverfahren oder nach Legierungsverfahren hergestellt werden. Die äußeren Anschlüsse und Herausführungen der Anschlüsse können in herkömmlicher Weise wie bei üblichen Transistoren und Thyristoren angebracht werden.

Das Schaltdiagramm des Halbleiterelementes obiger Ausführungsform ist in den Fig.8 und 10 durch ausgezogene Linien dargestellt. Der Vierschichtbereich bestehend aus der ersten bis vierten Halbieiterschicht (zentraler großer kreisförmiger Bereich) wirkt als Thyristor CR und der Dreischichtbereich aus der zweiten bis vierten Halbieiterschicht (äußerer ringförmiger Bereich) wirkt als Transistor TR Die Anode und die Kathode des Thyristors sind über den Kollektor und die Basis des Transistors mite'nander verbunden. Das erste Merkmal der Erfindung besteht darin, die dritte Elektrode 43 (KB) welche dem Basisanschluß des Transistoranschlusses 77? und dem Kathodenanschluß

"*5 des Thyristors CR entspricht, herauszuführen. Die Funktion dieser dritten Elektrode 43 soll in/ folgenden anhand der F i g. 8 bis 10 erläutert werden. Das Löschen oder Ausschalten des Vierschichtbereichs kann auf einfache Weise erzielt werden, indem man den gewünschten Impulsstrom zwischen Basis und Emitter des Dreischichtbereichs einspeist. Die Impulsbreite ist dabei die Löschzeit oder Ausschaltzeit des Vierschichtbereichs. Die erforderliche Impulsspannung ist der Spannungsabfall über die Basis-Emitter-Strecke. Es ist einfach, einen Impuls mit größerer Stromstärke einzuspeisen, vonn die zulässige Leistung die gieiche ist. Daher kann die Stromverstärkung des aus drei Schichten bestehenden Transistorbereichs geringer sein und z. B. kleiner als 1 sein, und die Dicke der Basisschicht ."'β des aus drei Schichten bestehenden Transistorbereichs kann größer sein als bei einem herkömmlichen Transistor. Es ist ferner möglich, die Dicke des Kollektorbereichs Ne zu erhöhen und ferner die Dicke der /-Schicht mit hohem spezifischen Widerstand (v-Schicht in Fig. 1) zu erhöhen. Daher kann die Durenbruchspannung leicht verbessert werden.
Herkömmliche Thyristoren sind gegen hohe Span-

' nungen widerstandsfähiger als herkömmliche Transistoren. Daher dienen Thyristoren bei Anwendungen mit hohen Spannungen. Der Grund liegt in der Ausnutzung der gegenseitigen positiven Rückkopplüngsfunktion der beiden Transistoren (PNP und NPN), welche einen geringeren Stromverstärkungsfaktor haben als ein einfacher Transistor, Daher ist die Dicke der Steuerelektfodenschicht Pg des herkömmlichen Thyristors größer als die Dicke der Basisschicht Pb des herkömmlichen Transistors.

yomit kann der aus den drei Schichten bestehende Transistorbereich der Vorrichtung in gleicher Weise aufgebaut sein wie der zweite Transistor des aus vier Schichten bestehenden Thyristorbereichs (die zweite, dritte und vierte Halbleiterschicht 12, 13, 14). Somit können die Basisschicht Pb und die Steuerelektrodenschicht Pg nach dem gleichen Verfahren mit der gleichen Dicke und der gleichen Störstellendichte ausgeführt werden. Die Emitterschicht Ne und die Kathodenschicht Nk können ebenfalls im gleichen Verfahren mit gleicher Dicke und gleicher Störstellendichte ausgeführt werden. Auch die Kollektorschicht N_c und die N-seitige Basisschicht Ng des Vierschichtbereichs können im gleichen Verfahren ausgebildet werden.

Wie bereits erwähnt, kann bei dem Halbleiterelement das Löschen des Vierschichtenbereichs leicht dadurch erfolgen, daß man den Basiskontakt 23b des Dreischichtenbereichs zu dem Außenanschluß herausführt. Nähere Einzelheiten werden v/eiter unten erläutert. Die Durchbruchspannung des Dreischichtbereichs kann leicht auf diejenige des Vierschichtbereichs erhöht werden. Der Stromverstärkungsfaktor des Dreischichtbereichs kann leicht gesenkt werden, so daß die Charakteristika hinsichtlich des sekundären Durchbruchs oder des Standhaltens gegen eine hohe Spannung im Dreischichtbereich verbessert werden können, so daß der Bereich innerhalb dessen ein sicherer Betrieb möglich ist (ASO) wesentlich verbessert wird.

Anhand der Fig. 1 soll im folgenden eine weitere Verbesserung der Herstellung erläutert werden. Gemäß F i g. 1 wird eine Halbleiterscheibe vom schwachen N-Typ mit geringer Störstellendicke (v-Typ) oder vom schwachen P-Typ (π-Typ) (als /-Typ bezeichnet) als Region 12a mit geringer Störstellendichte der zweiten Halbleiterschicht 12 verwendet. Sodann werden die erste Halbleiterschicht 11 vom P-Typ (oder N-Typ) und die dritte Halbleiterschicht 13 gleichzeitig nach dem Diffusionsverfahren oder nach dem Epitaxialaufwachsverfahren hergestellt Man erhält dabei Schichten gleicher Störstellendichte und gleicher Dicke. Sodann wird die vierte Halbleiterschicht 14 vom N-Typ (n + -Typ) oder vom P-Typ (p-I--Typ) ausgebildet sowie die Region hoher Störstellendichte 126 der zweiten Halbleiterschicht 12 und zwar gleichzeitig nach dem Diffusionsverfahren oder dem Expitaxialverfahren oder dem Legierungsverfahren. Auf diese Weise kann man den Vierschichtenbereich und den Dreischichtenbereich nach einem einfachen Verfahren herstellen. Bei einem anderen Verfahren geht man folgendermaßen vor: Nach Bildung der ersten und dritten Halbleiterschichten wird die Dicke der ersten Halbleiterschicht durch Läppen der ersten Hauptfläche (der Fläche der ersten Halbleiterschicht) herabgesetzt und es wird die Schicht i2ö hoher Störsteiiendichte der zweiten Halbleiterschicht und die vierte Halbleiterschicht 14 ausgebildet In diesem Falle kann die Dicke der Schicht 126 hoher Störstellendichte gleich sein wie oder größer als die Dicke der ersten Hälbleiferschicht 11 (Dicke nach dem Läppen). Die dabei resultierende Beziehung zwischen der Dicke der Schicht 12ώ hoher Störstellendichte (gestrichelte Linie) Und der Dicke der ersten Halbleiterschicht 11 ist in F t g. 3a gezeigt. Wie oben erwähnt, kann das Halbleiterelement nach einem ebenso einfachen Verfahren hergestellt werden, wie ein herkömmlicher Thyristor, wenn es die Struktur

N
P

>/r—Ν— Ρ

Die folgenden Funktionen und Effekte können erreicht werden wenn man eine Schicht 12fa mit geringer spezifischer Leitfähigkeit auf der Seite der freiliegenden Fläche der zweiten Halbleiterschicht 12 ausbildet. F i g. 2 zeigt eine schematische Ansicht des Halbleiterelementes im endgültigen Zustand kurz vor Beendigung des Löschvorgangs, d. h. in dem Zustand zwischen den Zeitpunkten i₅ bis k der Betriebswellenform gemäß F i g. 9. In der schematischen Darstellung der Fi g. 2 bildet die Seite der ersten Halbleiterschicht der F i g. Ib die Oberseite. Wenn die Erholungslöschung des Dreischichtenbereichs durchgeführt wird aufgrund der Löschung des Vierschichtenbereichs und der Ausschaltung (oder der Sperrpolarität) des Basisstroms des Dreischichtenbereichs im Halbleiterelement, so fließt der Ausschaltübergangsstrom /(off) gemäß der ausgezogenen Pfeillinie in Fig.2. Zu diesem Zeitpunkt kommt es in der zweiten Halbleiterschicht 12 zu einem Spannungsabfall und zu einer geringfügigen Ladungsträgerdiffusion, wobei der erste PN-Übergang ]\ an der Grenzfläche der freiliegenden Oberfläche auf der ersten Oberseite oder Hauptfläche über die erste Halbleiterschicht 11 und die zweite Halbleiterschicht 12 in Vorwärtsrichtung oder Durchlaßrichtung beaufschlagt wird, so daß es zu einer Fehlzündung des Vierschichtenbereichs kommt, d. h. zu einem Fehlverhalten beim Ausschalten.

Demgegenüber kann der Spannungsabfall VW herabgesetzt werden, um eine Fehlzündung oder fehlerhafte Einschaltung zu verhindern, indem man die Schicht hoher Störstellendichte 126 ausbildet Die Diffusion der Ladungsträger kann durch Zugabe von Störstoffen durch Golddiffusion oder dgl. inhibiert werden, so daß eine ungewollte Zündung verhindert wird.

Mit dem Aufbau der Ausführungsform gemäß F i g. 1 werden die folgenden Funktionen und Effekte dadurch erzielt daß man eine freiliegende Fläche der dritten Halbleiterschicht ausbildet (die freiliegende Fläche der Basisschicht Pb, d. h. die partielle Basisfläche, oder die freiliegende Fläche der Steuerelektrodenschicht Pa d. h. die partielle Steuerelektrodenfläche, und die erste gemäß F i g. 1 und 2) und zwar in der Nähe der Grenze zwischen der freiliegenden Fläche der ersten Halbleiterschicht 11 und der freiliegenden Fläche der zweiten Halbleiterschicht 12, d.h. der Grenzregion zwischen dem Vierschichtenbereich und dem Dreischichtenbereich (unterhalb der Grenzlinie in der schematischen Darstellung der F i g. 2).

In der schematischen Darstellung der F i g. 2 wird die Sperrspannung θ vbe (oder θ V_gs ~ θ T^jt) an die

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Strecke KB-Eangelegt (oder an die Strecke G-KBoder Wie in den Fig. 1 und 4a gezeigt, wird die G-E) und zwar zur Zeit der Beendigung des freiliegende Fläche 13c der dritten Halbleiterschicht im Ausschaltens oder sie werden durch eine niedrige peripheren Bereich im Zuge des Verfahrens zur Impedanz verbunden oder zumindest der Basisflächen- Ausbildung der dritten Halbleiterschicht Po
bereich der freiliegenden Fläche der dritten Halbleiter- 5 ^t

schicht und die Oberfläche der vierten Halbleiterschicht (/J₀ in der Struktur ρ +)>/r—-N*— P)

14 auf der ersten Hauptfläche oder ersten Oberflächenwelle bilden den Kurzschluß (der dritte B-Konlakt 236 welche an der zweiten Oberflächenseite des peripheren ist verbunden mit dem dritten Α-Kontakt 23a an der Bereichs der Halbleiterscheibe freiliegt ausgebildet Stirnflächenposition in der Nähe der Grenzlinie). Der Io öder im Zuge des Verfahrens der Ausbildung der dritten Strom (die gestrichelte Pfeillinie) weicher in die vierte Halbleiterschicht P₅
Halbleiterschicht (Nk) des Vierschichtenbereichs fließt, ^

und zwar unter Diffusion des Übergangslöschstroms (N, in der Struktur _p +^>/r—N—P)

/(off) des Dreischichtenbereichs, kann durch eine der jj

oben beschriebenen Methoden verhindert werden. Dies 15 (siehe F i g. 7) welche an der zweiten Oberflächenseite | bedeutet, daß die Emission der Ladungsträger von der des peripheren Bereichs der Halbleiterscheibe freiliegt jjl vierten Halbleiterschicht des Vierschichtenbereichs zur zur Bildung eines Kurzschlusses mit dem zweiten |^f Basisschicht des Dreischichtenbereichs verhindert wird Kontakt 22 oder dem dritten Α-Kontakt 23a oder im R und eine fehlerhafte oder ungewollte Zündung des Zuge des Verfahrens der Ausbildung der dritten Vierschichtenbereichs bei Beendigung des Abschaltens 20 Halbleiterschicht, welche an der zweiten Oberfiächenkann verhindert werden. seite des peripheren Bereichs der Halbleiterscheibe,

Das Halbleiterelement muß keine Sperrdurchbruch- welche in Kontakt mit dem dritten B-Kontakt (nicht spannung aufweisen, so daß die Abschrägung BV nur gezeigt) als Basisfläche gebracht wird oder mit dem eine positive Abschrägung sein kann. Daher ist der vierten Kontakt als Gate-Schichtfläche (Steuerelektro- B'. Abschrägungswinkel groß und die Flächeneffizienz der 25 denschichtfläche) (siehe F i g. 6), wobei der Leckstrom Halbleiterscheibe hoch. und der Isolierungsdurchbruch in der Nähe des

F i g. 3a zeigt einen schematischen Schnitt durch eine peripheren Bereichs der dritten Halbleiterschicht 13 mit weitere Ausführungsform eines Halbleiterelementes. kurzem Abstand auf der peripheren Fläche leicht Die zweite Oberflächenseite kann das gleiche Muster verhindert werden kann. Dies bedeutet, daß die aufweisen wie in Fig. la oder in Fig.5. Bei der 30 Isolierung der peripheren Bereiche des zweiten Ausführungsform gemäß F ig. 3 liegt die auf der zweiten Übergangs /2 und des dritten Übergangs /3 leicht Oberflächenseite freiliegende Fläche der dritten Halb- verbessert werden kann. Insbesondere kann der leiterschicht 13 gegenüber der freiliegenden Fläche der Isolierungsdurchbruch und die Beeinträchtigung der ersten Halbleiterschicht 11 auf der ersten Oberflächen- Isolierung zwischen der zweiten Halbleiterschicht und seite und ein Bereich P_s (13c) der freiliegenden Fläche 35 der vierten Halbleiterschicht durch die an den zweiten (der äußere periphere Bereich des äußeren ringförmi- Übergang /2 angelegte Durchlaßspannung oder Vorgen Teils in der Ausführungsform gemäß F i g. 3) steht in wärtsspannung verhindert werden,
ohmschem Kontakt mit dem zweiten Kontakt 22. Auf F i g. 5 zeigt eine Draufsicht einer weiteren Ausfüh-

diese Weise wird die Zweischichten-PN-Übergangsre- rungsform des auf der zweiten Oberflächenseite des gion ΛΊ gebildet (Teil des zweiten Übergangs J₂). Das 40 Halbleiterelementes ausgebildeten Musters. Die linke Schaltbild dieses Halbleiterelementes ist in Fig. 3b Seite der Fig.5a zeigt das Muster der freiliege-.den | gezeigt. Es entspricht einer umgekehrt parallelen Oberfläche der Halbleiterscheibe ohne Kontakte und Verknüpfung des Diodenbereichs D_x mit dem aus drei die rechte Hälfte zeigt dieses Muster mit Kontakten. Schichten bestehenden Transistorbereich. Bei dieser F i g. 5b zeigt eine vergrößerte Teilansicht des Musters Ausführungsform kann ein Sperrspannungsdurchbruch 45 mit Kontakten.

des Dreischichtenbereichs wegen der niedrigen Sperr- Diese Ausführungsform weist ein Muster auf, bei dem

spannung verhindert werden. Darüber hinaus ist es die Oberfläche 13a des Gate-Teils Po (Nc in der möglich, eine optimale Konstruktion zu erzielen, wobei Struktur Ν— π—N-P) der dritten Halbleiterschicht 13 die Halbleiterschichten nur im Hinblick auf die und die Oberfläche des ersten Teils 14a (N_k) (P_A in der Durchlaß-Blockierspannung und die Durchlaßstrom- 50 Struktur Ν—π—N-P) der vierten Halbleiterschicht 14 Charakteristik angeordnet werden, so daß die Durchlaß- in einander vorstehen. Demgemäß befindet sich der Blockierspannung und der Spannungsabfall verbessert vierte Kontakt 24 auf der dem Gate-Teil zugeordneten werden. Es ist ferner möglich, den Diodenbereich Oberfläche und der dritte Α-Kontakt 23a befindet sich auszunutzen, indem man den Strom über den Diodenbe- auf der Oberfläche des ersten Teils und sie erstrecken reich führt 55 sich ineinander. Dies bedeutet, daß das Steuerelektro-

Die F i g. 4a und b zeigen schematische Darstellungen denmuster des Vierschichtenbereichs ein fingerartiges weiterer Ausführungsformen des Halbleiterelementes Muster mit vorspringenden Fingern ist, wodurch die mit negativer Abschrägung. F i g. 4a zeigt die Ausfüh- Ausschaltcharakteristik des Halbleiterelementes verrungsform eines zusammengesetzten Halbleiterelemen- bessert werden kann. Insbesondere kann das Bezugstes mit einem Dreischichlenbereich und einem Vier- 60 phänomen (Referring-Phänomen) des Vierschichtenbeschichtenbereich und Fig.4b zeigt die Ausführungs- reichs zur Zeit der Beendigung des Ausschaltens form eines zusammengesetzten Halbleiterelementes mit verhindert werden, so daß die Sperrspannungszeit tq einem Zweischichtenbereich, einem Dreischichtenbe- und der Basisimpulsstrom welche für das Ausschalten reich und einem Vierschichtenbereich, welches den erforderlich sind (ψ und tq in F i g. 9) gesenkt werden. Zweischichtenbereich X\ umfaßL In F i g. 4b ist nur etwa 65 Im folgenden soll diese Funktion beschrieben werden. In die Hälfte des Schnittes gezeigt Die zweite Oberfiä- der schematischen Darstellung der Fig,2 neigt der chenseite oder Hauptfläche der Fig.4 kann das Muster Strom dazu, von der ersten Halbleiterschicht It zum gemäß F i g. 1 a oder gemäß F i g. 5a haben. dritten Α-Kontakt 23a zu fließen, und zwar aufgrund der

Diffusion der Ladungsträger, welche durch den Ausschaltübergangsstrom /'(off) (bei, vor oder nach der Initiierung und dem Verlauf des Anstiegs der Vorwärtsspannung über CA-E), welcher durch den Vierschichtenbereich fließt, wie durch die ausgezogene Linie angedeutet, verursacht werden, sowie der Restladungsträger im Vierschichtenbereich. Dies bedeutet, daß sowohl der Vorwärtserholungsstrom im Vierschichtenbereich des zweken Übergangs Ji und ein Teil des Vorwärtserholungsstroms im Dreischichtenbereich dazu neigen, zum Vierschichtenbereich zu fließen. In diesem Falle wird die Steuerelektroden*Sperrspannung θ vgeübzr G-E angelegt oder über G-KB (über G-AB in der Struktur N —π — N — P) (siehe F i g. 7), wobei der Vorwärtserholungsstrom im Vierschichtenteil über den vierten Kontakt 24 als i_g ^e ausfließt, wodurch es verhindert wird, daß der Strom die vierte Halbleiterschicht 14a erreicht. Dieser Effekt, durch den es verhindert wird, daß der Strom die vierte Halbleiterschicht 14s erreicht, ksnn durch durch Has Muster der Steuerelektrode mit fingerförmigen Vorsprüngen erzielt werden.

Die Struktur des Vierschichtenbereichs mit der dieser Effekt erzielt werden kann, ist ähnlich derjenigen eines über die Steuerelektrode löschbaren Thyristors. Die Ausschaltung oder Löschung erfolgt jedoch nicht zwangsmäßig über eine Steuerelektrode und es ist lediglich ein Steuerelektroden-Hilfslöschsystem vorgesehen, zur Verhinderung des Ausfalls der Ausschaltung durch den Hilfseffekt der Steuerelektrodensperrspannung zur Zeit des Anstiegs der Durchlaßspannung. Die zulässige Stromdichte im Vierschichtenbereich ist bemerkenswert groß im Vergleich mit einem herkömmlichen System unter Verwendung eines über die Steuerelektrode löschbaren Thyristors.

Mit der Struktur des Vierschichtenbereichs, welcher als über die Steuerelektrode löschbarer Thyristor konstruiert ist, kann der Strom für den Vierschichtenbereich, welcher durch Zufuhr des Basisimpulsstroms zum Dreischichtenbereich ausgeschaltet oder gelöscht werden kann, beträchtlich verbessert werden, und eine Beschädigung des Vierschichtenbereichs durch die Schaltleistung oder durch die örtliche Verteilung derselben kann verhindert werden. Wenn der gleiche Strom für den Vierschichtenbereich, welcher gelöscht werden kann, zugeführt wird, so kann das Steuerelektrodenmuster einfach sein und die Vorsprünge können grob sein, oder ungenau und der Besetzungsfaktor der Oberfläche des ersten Teils kann verbessert werden, so daß es sich um eine kleinere Fläche der Halbleiterscheibe handelt

Fig.6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die erste Halbleiterschicht 11 und der erste Teil 14a der vierten Halbleiterschicht und der Gate-Teil 13a der dritten Halbleiterschicht in dem äußeren ringförmigen Bereich untergebracht sind (der Vierschichtenbereich ist im äußeren ringförmigen Bereich untergebracht) und wobei die freiliegende Fläche der zweiten Halbleiterschicht, der zweite Teil 146 der vierten Halbleiterschicht und der Basisteil 136 der dritten Halbleiterschicht in dem inneren kreisförmigen Teil untergebracht sind (der Dreischichtenbereich ist im inneren kreisförmigen Bereich untergebracht). F i g. 6a zeigt ein Muster der freiliegenden Oberfläche (halbe Oberfläche) der zweiten Oberflächenseite, wobei die Kontakte weggelassen sind. Fig.6b zeigt einen Schnitt des Halbleiterelementes und F i g. 6c zeigt das Muster der freiliegenden Fläche (halbe Fläche) der ersten Oberflächenseite, wobei der Kontakt weggelassen ist. Anstelle des Musters gemäß Fig.6a können verschiedene andere. Muster mit Vorsprüngen vorgesehen sein.

Gemäß F i g. 6 niVnmt der Vierschichtenbereich den äußeren ringförmigen Bereich ein, so daß hierfür auf einfache Weise ein großer Flächenbereich vorgesehen sein kann, obgleich die Breite λ 13a des zweiten Teils i3b der vierten Halbleiterschicht 13 schmal ist. Somit

iö kann man die Funktionen und Effekte der Ausführungsform gemäß Fig.5 erzielen (die Verhinderung eines Einflusses durch die Gate-Sperrspannung zur Zeit des Wiederanlegens der Durchlaßspannung unmittelbar nach dem Löschen) ohne daß das komplizierte gefingerte oder gefiederte Muster der Steuerelektrodenfläche im Falle eines Halbleiterelementes mit relativ geringer Kapazität ausgebildet werden muß. Es ist ferner möglich, einen solchen Einfluß durch geringfügige Vorsprünge zu verhindern, wie sie in Fig.6a durch

Hie gestrichelte Linie FG angedeutet sind, selbst wenn es sich um ein Halbleiterelement für relativ große Ströme handelt. Somit hat die Ausführungsform gemäß F i g. 6 das Merkmal, daß der Gate-Sperrspannungseffekt des Vierschichtenbereichs leicht verwirklicht werden kann.

Fig.7 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterelementes. F i g. 7a zeigt einen schematischen Schnitt durch ein Element vom

Ν—Ρ

N—P-Typ.

Fig. 7b zeigt ein Schaltdiagramm desselben. Diese Ausführungsform kann auf der zweiten Oberflächenseite das Muster gemäß F i g. 1 oder F i g. 5a aufweisen. Es ist ferner möglich, den Vierschichtenbereich im äußeren ringförmigen Bereich unterzubringen. Darüber hinaus ist es möglich, die Zweischichtendiode X\ (Dx\) gemäß Fig.3 vorzusehen. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 7 können die in Sperrichtung oder Rückwärtsrichtung leitfähige Schicht (^niedriger Störstellendichte 12ö {pt-Tyρ gemäß der Zeichnung) und die Schicht hoher Störstellendichte (P⁺-Typ gemäß der Zeichnung) ausgebildet werden, so daß man ein Element des Typs

N₊>__N_p

erhält. Wie F i g. 7 zeigt, können die Ausführungsformen gemäß F i g. 1 bis 6 derart modifiziert werden, daß man Halbleiterelemente mit der in Rückwärtsrichtung oder Sperrichtung leitfähigen Halbleiterschicht erhält

Gemäß F i g. 8 ist der aus drei Schichten bestehende Transistorbereich TR das Hauptstromführungselement und der aus vier Schichten bestehende Thyristorbereich CR dient als Element zur Zufuhr des Basisstroms und als Nebenschlußelement für einen Teil des Hauptstroms. Gemäß Fig.8 umfaßt die Hauptschaltung 100 eine Stromquelle 101 und eine Last 102. Wenn das Halbleiterelement gelöscht werden soll, so wird der anfängliche Steuerelektrodensirom igt der Steuerelektrode (über G-E oder über G-KB) des Vierschichtenbereichs CR zugeführt und nachfolgend wird der Steuerelektrodenstrom i_g® oder der sich wiederholende Steuerelektrodenimpulszug ig gegeben. Die Wellenform des Stroms während dieses Betriebs ist in F i g. 9b gezeigt Dieser Strom wird durch die Steuerelektroden-

.Steuereinrichtung 200 bereitgestellt.

Andererseits wird der Nebenstrom i'cr des Hruiptstroms als Elasisstrom dem Dreischichtenbereich zugeführt, so daß der Kollektorstrom ;V« fließen kann und der Strom /;. = (i'cr 4- /Yk) dem Emitter zugeführt wird. Es ist ferner möglich, den anfänglichen der Löschung oder Ausschaltung dienenden Impulsbasisstrom /s,- (die gestrichelte Linie in Fig.9a) von der Basissteuereinrichtung 300 her dem Dreischichtenbereich bei der initiierung dlss Löschens oder Ausschaltens zuzuführen. In diesem Falle wird der zulässige Stromanstieg d/'i/df des Hauptstroms kerhöht.

Wenn der anfängliche Ausschaltbasisstrom /» allmählich gesenkt wird, was in Fig.9a durch die gestrichelte Linie dargestellt ist, so kann die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Zündbereichs im Vierschichtenteil CF. harmonisiert werden, so daß der Ausschaltübergangsspannungsabfall am Vierschichtenbereich gesenkt werden knnn.

Es ist ferner möglich, den normalen Basisstrom Is (gemjiß de:r gestrichelten Linie in Fig.9a) während des Normalzustandes durch die Basissteuereinrichtung 300 zuzuführen. Dies hat die Wirkung, daß der Kollektorspannungiiabfall gesenkt wird, wenn ein relativ kleiner LastS'trom fließt, wobei der den Kurzschluß des Basisütroms; während der Zeit der Zufuhr eines großen Laststroms kompensierende Strom über den Vierschichienbereich CR fließt. Eine Selbstzufuhr des Transformierungsstroms für den Hauptstrom k mit Hilfe eines Stromtransformators als Quelle der Basis-Steuereinrichtungen 300 zur Zufuhr des Basisstroms Ib im normalen Zustand ist möglich.

Werim das Halbleiterelement ausgeschaltet wird, so kann der Ausschaltbasisimpulsstrom-Zg-Impuls in Durchlaßrichtung mit Hilfe der Basissteuereinrichtung 300 zugeführt werden. Dies ist in Fig. 9a durch den mit einer ausgezogenen Linie dargestellten /s-Impuls angedeutet. Durch den Ausschaltbasisimpulsstrom wird der Spannungsabfall Vkeüber die Basis-Emitter-Strecke (KB-E) des Dreischichtenbereichs erhöht, während der Spannungsabfall V_Ce über die Kollektor-Emitter-Strekke (CA-E) des Dreischichtenbereichs gesenkt wird. Dies bedeutet, daß der Vierschichtenbereich CR sich in Speri'ichtung erholt aufgrund der Sperrspannung Vce;S Vkb «

Obgleich der Strom-Z^-Impuls relativ klein ist (Vce Si ν,κε), so wird doch der Pfad des Hauptstroms i/. durch dem Dreischichtenbereich aufrechterhalten. Wenn der Viexschichtenbereich die Struktur eines über die Steuerelektrode löschbaren Thyristors (F i g. 5) hat, so wird er leicht ausgeschaltet und zwar durch die Gate-Sperrspannung (ig, Vf in den F i g. 9b, c). Dies bedeutet, daß die Ausschaltung des Vierschichtenbereichs über die Steuerelektrode unter Bedingungen erfolgt, welche den Durchlaßstromanstieg des Drei-Schichtenbereichs TR inhibieren. Daher gelingt das Ausschalten über die Steuerelektrode leicht. Der Impulsbasisstrom-Zg-Impuls für das Ausschalten oder Löschen kann nur während der Ausschaltzeit tq zugeführt werden.

Zur Verkürzung der Ausschaltzeit des Vierschichtenbereiichs kann die Lebensdauer der Ladungsträger in den Halbleiterschichten (insbesondere in der zweiten und dritten Halbleiterschicht) durch Golddiffusion in das Halbleiterelement verkürzt werden. Darüber hinaus kann die Abschaltzeit tq erheblich verkürzt werden, indem man hilfsweise die Sperrspannung an die Steuerelektrode anlegt Demzufolge kann die Ausschaltzeit oder Löschzeit tq auf einen Bereich von 3 μ sec bis etwa mehrere 10 μεεο verkürzt werden.

Somit kann bei Durchführung des Einschaltens und Ausschaltens während einer Zeitdauer, welche genügend langer ist als die Ausschaltzeit tq (unter normalen Bedingungen) der Leistungs-ZVImpuls für den Strom-/ylmpuls aus folgenden Gleichungen erhalten werden:

/Vlmpuls = V_BE ■ /,-Impuls · -ψ

^rBE

h_FE

B-

T '

(D

wobei VgE den Spannungsabfall über die Basis-Emitter-Strecke durch den Strom-/_S-Impuls bedeutet und wobei

T die EIN-AUS-Periode bedeutet und wobei
h_FE den Stromverstärkungsfaktor des Dreischichtenbereichs TR bedeutet und wobei
/ den auszuschaltenden Laststrom bezeichnet.

Zum Vergleich ergibt sich die Leistung des Kommutierungsimpulses, welcher bei einem herkömmlichen Thyristor erforderlich ist, um eine Löschung über die Anodensperrspannung herbeizuführen, aus der folgenden Gleichung:

(2)

wobei E die Durchlaßspannung des zu löschenden Thyristors bedeutet. Für das Verhältnis der Gleichungen (1) zu (2) ergibt sich die folgende Beziehung:

/^Impuls < V_BE

1
h_FE

(3)

Obgleich h_FE =? 1 gilt, so kann doch die Impulsleistung (VbeIE - 1/mehrere 10 bis mehrere 100) bei dem Halbleiterelement sein.

In der Basissteuereinrichtung 300 für die Impulsleistung wird das Ausgangssignal der Sekundärwicklung N2 mit Hilfe eines Impulstransformators ^mpulsstromtransformator) über die Basis-Emitterstrecke angelegt und die Impulsstromquelle wird mit der Primärwicklung N_x verbunden und das Windungsverhältnis liegt in der Größenordnung von

N_x

wobei der Inipulsstrom der Impulsstromquelle nur 1/mehrere 10 bis 1/mehrere 100 des auszuschaltenden Hauptstroms sein kann. Wie man klar aus diesem Beispiel erkennt, kann die Basissteuereinrichtung 300 für das Löschen des Halbleiterelementes gemäß vorliegender Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Thyristor wesentlich vereinfacht sein. Wenn man andererseits nur einen Dreischichtentransistor verwendet, so ist es schwierig, der Basis des Transistors mit einem Stromverstärkungsfaktor von h_FE Φ 1 während der EIN-Periode kontinuierlich den Basisstrom zuzuführen und der Basisverlust ist hoch.

Bei der Ausführungsform des Halbleiterelementes gemäß F i g. 8 wird der Basisstrom im Halbleiterelement selbst zugeführt, und zwar über den Vierschichtenbe-

reich CR und es handelt sich bei diesem Basisstrom um einen Teil des Laststroms iu so daß hierdurch ein Teil des Hauptstroms übernommen wird. Somit kann man leicht eine hohe Durchbruchspannung von z. B. 1200 bis 2500 Volt erzielen. Man erkennt aus obiger Beschreibung klar, daß das erfindungsgemäße Halbleiterelement störungsfrei verwendet werden kann, auch wenn der Stromverstärkungsfaktor des Dreischichtenbereichs TR erheblich herabgesetzt wird.

F i g. 9c zeigt die Wellenform der Gate-Sipannung V_g weiche dem Strom /a» der Steuerelektroden-Steuereinrichtung 2¹OO gemäß F i g. 9b bei der Ausführungsform gemäß F i g. 8 entspricht. F i g. 9d zeigt die Wellenformen des Laststroms k des Stroms icR des Vierschichtenbereichs und des Stroms /77? des Dreischichtenbereichs. Diese Wellenformen werden ausgebildet durch Zufuhr des anfänglichen Einschaltbasisstroms /'s, gemäß der gestrichelten Linie in F i g. 9a im anfänglichen Stadium des Einschaltens. In diesem Falle steigt zunächst der Strom /77? des Dreischichtenbereichs an und danach steigt der Strom des Vierschichtenbereichs icp. an. Das Ausschalten oder Löschen kann beschleunigt werden, indem man die Basissperrspannung ifi während jer Zeit der Vervollständigung des Ausschaltens des Dreischichtenbereichs TR zuführt.

Wenn der Laststrom /(. während der normalen EIN-Periode auf Werte in der Größenordnung des maximalen Spitzenstroms ansteigt, so wird der Stromversiirkungsfaktor des Dreischichtenbereichs TR gesenkt. Es kann jedoch der Strom im Vierschichtenbereich CR erhöht werden, so daß die Beständigkeit des Halbleiterelementes gegen hohe Ströme gut ist. Zum Beispiel ist die Bedingung icr > im zulässig. Dieser Fall ist in Fig. 9d durch die konvexe Wellenform während der Periode t) bis U gezeigt. In der Ausfühningsform gemäß F i g. 8 bilden die erste Elektrode 41 und die zweite Elektrode 42 die Hauptelektroden und die dritte Elektrode 43 und die vierte Elektrode 44 dienen als Steuerelektroden.

Fig. 10 zeigt ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei die vierte Elektrode 44 (Steuerelektrode C) mit der zweiten Elektrode 42 (Emitterelektrode E) verbunden ist, und wobei die Steuerungseinrichtung 400 zwischen dem zweiten Kontakt 42 und der dritten Elektrode 43 (Basiselektrode KB) liegt. Der Hauptstrom //. fließt über die erste Elektrode 41 und die zweite Elektrode 42 des Dreischichtenbereichs TR.

Wenn gemäß Fig. 10 die Steuerspannung V400 mit positiver Polarität gemäß der Pfeillinie im Falle der Einschaltung durch die Steuereinrichtung 400 angelegt wird, so fließt der Einschaltstrom i„„ über die Strecke 400-42-44-C7?-43-400 zur Steuerelektrode des Vierschichtenbereichs CR. wodurch dieser eingeschaltet wird. Der Zustand des Stroms nach dem Einschalten ist ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8. Wenn die Steuerspannung V₄₀O mit negativer Polarität durch die Steuereinrichtung 400 zum Zwecke des Abschaltens oder Löschens angelegt wird, so fließt ein Vorwärts-Impiilsstrom i„n über die Strecke 400-43- TR-42-400 zur Basis des Dreischichtenbereichs TR₁ wodurch dec Vierschichtenbereich CR abgeschaltet wird. Der Abschaltvorgang ist ähnlich demjenigen der Fig.8. Somit liegt die Gate-Rückwärtsvofspahnurig über 400-43-CAM4-42-400 am Vierschichtenbereich CR an, und zwar aufgrund des Impülsstroms i_on, so daß die Abschaltung des Vierschichtenbereichs CR durch den Strom wgeföfdeft wifdi

Es ist klar, daß die Ausführungsform gemäß Fig. 10 auch auf ein Element vom Typ

Ν—Ρ

>N—P
P

angewandt werden kann (Fig.7 usw.). Die Ausführungsform gemäß Fig. 10 kann zwei Steuereinrichtungen aufweisen und durch die Steuerung über zwei Anschlüsse vereinfacht sein. Die Ausführungsform gemäß Fig. 10 zeigt den Fall der Verringerung der Anzahl der Außenzuleitungselektroden des Halbleiterelementes.
F i g. 11 bis 14 zeigen weitere Ausführungsformen des Halbleiterelementes mit einer herabgesetzten Anzahl von Außenelektrodenzuführungen. Der Aufbau der Halbleiterschichten der Halbleiterscheibe t gemäß den F i g. 11 und 12 ist ähnlich denjenigen gemäß den F i g. 1 bis 7. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 11 liegt der Gate-Teil 13a der dritten Halbleiterschicht 14 in dem Bereich frei, welcher vom ersten Teil 14a der vierten Halbleiterschicht 14 umgeben oder gehalten ist und der vierte Kontakt 24 steht in ohmschem Kontakt mit der freiliegenden Fläche und verbindet diese mit dem zweiten Kontakt 22. Die Verbindung kann erfolgen durch Herstellung eines im wesentlichen einstückigen Kontaktes in Form eines ebenen Kontaktmusters auf der zweiten Oberflächenseite oder durch eine Verbindungsleitung. Die erstere Ausführungsform eines ebenen Kontaktmusters ist in Fig. Hb gezeigt, worin die linke Hälfte das Muster der freiliegenden Oberfläche ohne Kontakte zeigt und wobei die rechte Hälfte das Kontaktmuster zeigt. Gemäß Fig. lib bezeichnet W einen Kontakt für die Verbindung des vierten Kontaktes 24 mit dem zweiten Kontakt 22 und der Verbindungskontakt W steht in Berührung mit der freiliegenden Fläche der dritten Halbleiterschicht 13. Zu diesem Zweck ist die freiliegende Fläche des ersten Bereichs 14a der vierten Halbleiterschicht 14 im Bereich der Verbindungsleitung W ausgespart. Der Basisteil \3b der dritten Halbieiterschicht 13 liegt in der Zone frei, welche durch den ersten Bereich 14a und den zweiten Bereich 14fe der vierten Halbleiterschicht 14 umgeben oder gehalten ist und die freiliegende Fläche steht in ohmschem Kontakt mit dem dritten B-Kontakt 236. Andererseits steht der dritte Α-Kontakt 23a in ohmschem Kontakt mit dem ersten Teil 14a der vierten Halbleiterschicht 14 und ist mit dem dritten B-Kontakt 236 verbunden, wodurch ein im wesentlichen gemeinsamer dritter Kontakt 23 gebildet wird. Der zweite 146 der vierten Halbleiterschicht 14 steht in ohmschem Kontakt mit dem zweiten Kontakt 22. Der erste Kontakt ist ähnlich wie bei den Fig. 1 bis 7. Somit sind der erste Kontakt 21, der zweite Kontakt 22 und der dritte Kontakt 23 als erste Elektrode 41 bzw. zweite Elektrode 42 bzw. dritte Elektrode 43 aus dem Gehäuse des Halbleiterelementes herausgeführt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 12 liegt der Gate-Teil 13a der dritten Halbleiterschicht 13 in der Region frei, welche durch den ersten Teil 14a und den zweiten Teil 14ΐ> der vierten Halbleiterschicht umgeben oder gehalten ist und steht in ohmschem Kontakt mit dem vierten Kontakt 24 und der zweite Kontakt 22 steht in ohmschem Kontakt mit dec freiliegenden Fläche des zweiten Teils 146 der vierten Halbleiterschicht 14, Der vierte Kontakt 24 und der benachbarte zweite Kontakt 22 sind durch den im wesentlichen gemeinsamen Kontakt (24, 22) verbunden und der gemeinsame

Kontakt ist als zweite Elektrode 42 herausgeführt Andererseits ist der Basisteil 136 der dritten Halbleiterschicht 13 an der Oberfläche freigelegt, welche der freigelegten Oberfläche des zweiten Teils 146 der vierten Halbleiterschicht 146 benachbart ist und welche ferner der freiliegenden Fläche des Gate-Teils 13a auf der anderen Seite benachbart ist Der Basisteil 136 steht in ohmschem Kontakt mit dem dritten B-Kontakt 236. Der dritte B-Kontakt 236 ist mit dem dritten A-Kontakt 23a verbunden, welcher in ohmschem Kontakt mit der freiliegenden Oberfläche des ersten Teils 14a der vierten Halbleiterschicht 14 steht und als dritte Elektrode 43 herausgeführt ist Die Verbindung kann durch das Kontaktmuster an sich hergestellt werden oder durch eine Verbindungsieitung in dem Muster der zweiten Ebene.

Fig. 12b zeigt die Verbindung des ebenen Musters. Dabei handelt es sich um die Ausführungsform mit einem Muster der freiliegenden Oberflächen, bei dem der Gate-Teil 13a und der erste Teil 14a ineinander vorspringen. Dieser Aufbau der Ausführungsformen gemäß den Fig. 11 und 12 kann durch die Schaltbilder gemäß Fig. 13a oder b wiedergegeben werden. Die Ausführungsform gemäß F i g. 13a hat die Struktur

Ρ—Ν

>P—N

und die Ausfuhrungsform gemäß Fig. 13b hat die Struktur vom Typ

Ν—Ρ

>N—P.

Fig. 14a zeigt einen schematischen Schnitt einer weiteren Ausführungsform, wobei der erste Teil 14a und der zweite Teil 146 der vierten Halbleiterschicht 14 gemäß der ausgezogenen Linie miteinander verbunden sind oder gemäß der gestrichelten Linie durch den freiliegenden Teil 13c der dritten Halbleiterschicht 13 getrennt sind. Der Basisteil 136 der dritten Halbleiterschicht hat eine freiliegende Fläche und steht damit in ohmschem Kontakt mit dem dritten B-Kontakt 236 und wird zusammen mit dem 3A-Kontakt 23a, welcher mit der freiliegenden Fläche des ersten Teils 14a der vierten Halbleiterschicht in Berührung steht, über die dritte Elektrode 43 aus dem Gehäuse herausgeführt. Der Gate-Teil 13a der dritten Halbleiterschicht 13 ist nicht herausgeführt. Die Durchbruchspannung des dritten Übergangs h zwischen 236 und 146 ist vorzugsweise niedrig. Dies bedeutet, daß die Dichte der Störstellen vorzugsweise hoch ist und die vierte Halbleiterschicht 14 vorzugsweise nach dem Epitaxialaufwachsverfahren ausgebildet wird. Der zweite Teil 146 der vierten Halbleiterschicht ist über den zweiten Kontakt 22 zum zweiten Anschluß 43 herausgeführt. Diese Ausführungsformen können durch die Schaltdiagramme gemäß den Fig. 14b und 14c wiedergegeben werden. F ig, 14b zeigt den Fall einer Struktur vom Typ

P-N

>P—N

und Fig. 14c zeigt den Fall einer Struktur vom Typ

Ν—Ρ

>N—P.
P

In den Fig. 14b und 14c bezeichnen die Bezugszeichen Ate und R_ac einen Schichtwiderstand zwischen dem dritten Α-Kontakt 23a der vierten Halbleiterschicht 14 und dem zweiten Kontakt 22. Der Schichtwiderstand (Sheet-Widerstand) kann erhöht werden durch Trennung derselben durch Ausbildung eines freiliegenden Bereichs der dritten Halbleiterschicht 13a Das Bezugszeichen Rgb bezeichnet einen Schichtwiderstand zwischen dem ersten Teil 13a und dem zweivcß Teil 136 der dritten Halbleiterschicht

Bei diesem Halbleiterelement wird die Steuerspannung in Rückwärtsrichtung oder Sperrichtung über den zweiten Anschluß 42 und den dritten Anschluß 43 angelegt, d. h. an die Basis-Emitter-Strecke des Dreischichtenbereichs TR (zwischen 136-146J und der Vierschichtenbereich CR wird über den Schichtwiderstand Rg (zwischen 136 und 13a) durch einen darüber hinweg stattfindenden Durchbruch getriggert oder gezündet, wodurch der Vierschichtenbereich gezündet wird. Somit sind diese Ausführungsformen im wesentlichen hinsichtlich ihrer Wirkung gleich den Ausführungsformen der F i g. 11 und 12.

Wie oben erwähnt, können die Halbleiterelemente gemäß den F i g. 12 bis 15 mit Verbindungen gemäß der Fig. 10 ausgeführt werden. Der Vierschichtenbereich kann leicht durch Kommutierung auf den Dreischichtenbereich TR gelöscht werden oder ausgeschaltet werden, und zwar ähnlich wie bei den Ausführungsformen der F i g. 1 bis 7. Somit sind diese Ausführungsformen praktisch verwendbar, obgleich der Stromverstärkungsfaktor des Dreischichtenbereichs TR gering ist. Somit kann man auf einfache Weise ein Halbleiterelement für hohe Spannung und hohe Leistung verwirklichen und der Bereich innerhalb dessen ein sicherer Betrieb möglich ist, kann auf einfache Weise sehr erweitert werden. Darüber hinaus kann der Dreischichtenbereich leicht ausgebildet werden, was die Dicken der Halbleiterschichten oder die Verteilung der Störstellendichten anbelangt.

Bei obigen Ausführungsformen sind der dritte Α-Kontakt und der dritte B-Koi.takt als jeweils ein Anschluß herausgeführt. Es ist somit möglich, eine getrennte Herausführung zu der anderen Elektrode vorzusehen. Wie oben im einzelnen ausgeführt wurde, kann man Löschvorgänge verschiedener Qualitäten erzielen, indem man die Basisschicht 136des Dreischichtenbereichs in der beschriebenen Weise herausführt. Die Halbleiterelemente umfassen einen Dreischichtenbereich TR und einen Vierschichtenbereich CR. Die Leitfähigkeit des Dreischichtenbereichs wird während der Ausschalt- oder Lösch-Übergangsperiode des Viersehichlenbereichs aufrechterhalten, da die Basis* schicht 136des ßreischichtenbereichs zu dem Außenal· schluß herausgeführt ist,

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterschaltereinrichtung mit einem einen Kollektor, einen Emitter und eine Basis aufweisenden Transistor und mit einem Hauptelektroden und eine Steuerelektrode aufweisenden Thyristor, dessen Hauptelektroden mit dem Kollektor und der Basis des Transistors verbunden sind und mit einer Steuereinrichtung zur Beaufschlagung der Steuerelektrode des Thyristors mit einem Steuersignal, ίο gekennzeichnet durch eine Löschsteuereinrichtung (300) zur Beaufschlagung der Basis des Transistors (TR) mit einem Durchlaßimpulsstrom unter Beaufschlagung der Hauptelektroden des Thyristors (CR) in Sperr-Richtung, wobei der durch den Durchlaßimpulsstrom hervorgerufene Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter des Transistors (TR) größer ist als der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter des Transistors (TR) während der Zufuhr des Durchlaßimpulsstroms.

2. Halbleiters, haltereinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Diode (DXi). welche umgekehrt parallel zur Kollektoremitterstrecke des Transistors (TR) geschaltet ist

3. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (TR) und der Thyristor (CR) einstückig in einer gemeinsamen Halbleiterscheibe ausgebildet sind.

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