DE2723951A1 - In zwei quadranten der strom- spannungs-charakteristik schaltbares leistungs-halbleiterbauelement - Google Patents

In zwei quadranten der strom- spannungs-charakteristik schaltbares leistungs-halbleiterbauelement

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BBC Brown Boveri France SA
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    • H01L2924/13033—TRIAC - Triode for Alternating Current - A bidirectional switching device containing two thyristor structures with common gate contact

Description

BPCHVN1, COVCH! f. CIE · AKTIENGESELLSCHAFT
MANIiK = JM " 1Ir-OVVNr-OV1-
Mp.-Nr. 573/77 Mannheim, den 25.. Mai 1977
ZFE/P3-Pp/dr
"In zv/ei Quadranten der Strom-Spannungs-Charakteristik schaltbares Leistunßis-Halbleiterbauelement"
j Die Erfindung bezieht sich auf ein steuerbares leistungs-Halbleiterbauelement, das für beide Stromrichtungen von einem Zuj stand höheren Widerstandes in einen Zustand niedrigeren Wider-Standes schaltbar ist und entsprechende antiparallele Zonenfolgen aus jeweils mindestens vier Zonen abwechselnd entgegenj gesetzten Leitungstyps in einem scheibenförmigen Halbleiterkörper besitzt, dessen als Metallisierungen der äußeren Anoden - und Kathodenzonen und der kleinflächig von mittleren Zonen aus an die Hauptoberflächen austretenden beiden Steuerzonen ausgebildeten Elektroden sperrschichtfrei elektrisch und thermisch durch entsprechende Haupt- und Steueranschlüsse kontaktiert sind.
Ein derartiges Halbleiterbauelement findet Anwendung als symmetrischer Wechselstromschalter oder als Gleichstromsteller, anstelle der oder neben den bisher allgemein üblichen Triacs bzw. antiparallel geschalteten Einzelthyristoren, die ihrerseits die Antiparallelschaltung zweier Stromrichtergefäße mit Quecksilberkathode und Zündstiftsteuerung (Ignitrons) sowie Wechselstromschalter mit beweglichen Kontakten wegen ihrer höheren
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Wartungsfreiheit ersetzt haben. Unter "Leistungs"-Halbleiterbau-| element wird ein Bauelement mit einem Durchlaßstrom > 10 Ampere verstanden.
Bei einem steuerbaren Halbleiterbauelement der eingangs genannten Gattung werden die Steuerelektrodenanschlüsse beispielsweise aus Aluminium mit Hilfe von Ultraschallschweißverfahren randseitig an die Hauptoberflächen und dabei an die mittleren, an diesen Flächen austretenden p-leitenden Zonen aufgebracht (DT-AS 1 564 420). Die Hauptanschlüsse werden in Form von Molybdän-Ronden mit Hilfe eines aus einer Blei-Nickel-Legierung bestehenden Lotes auf die Hauptoberflächen, d.h. auf die Emitter zonen, des Halbleiterkörpers gelötet. Diese Technologie ist bei j übergang auf höhere Leistungen und entsprechend größere Schei- j bendurchmesser, falls man z.B. von kreisförmigen Scheiben ausgeht, nicht mehr durchführbar. Bei hohen Leistungen wird im bekannten Fall nicht die erforderliche hohe Stromsteilheit bzw. di/dt-Festigkeit erreicht, und es kann zu inhomogener Zündung kommen. Der bekannte Aufbau ist folglich nur für kleinere steuerbare Halbleiterbauelemente gut geeignet.
Die allgemein bekannten Triacs sind wegen der üblichen Verwendung eines remote gates spannungsbegrenzt und für schnelle Kommutierungsvorgänge innerhalb von Stromrichterschaltungen wegen i zu geringer Stromsteilheit (di/dt) und Spannungssteilheit (du/dt) bei hohen Leistungen nicht mehr verwendbar (US-PS 3 275 909). j Die eingangs erwähnte Antiparallelschaltung von Einzelthyristoren führt zu Unsymmetrien bei der Phasenanschnittsteuerung. Die übertragbare Leistung wird von dem schlechteren Thyristor bestimmt. Der Gehäuseaufwand für zwei einzelne Thyristoren ist recht aufwendig. Die Wärme wird, zwar im Verhältnis zu einer an-
einzigen
gestrebten Ausführung mit einem Gehäuse besser abgeführt, aber - bezogen auf die beiden Einzelsysteme - ungleich abgeführt.
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zrrn· 4 i ι «;7·
Der Erfindung liegt, ausgehend von dem steuerbaren Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Gattung, die Aufgabe zu- ; gründe, ein in einem Halbleiterkörper integriertes System zwei- ! er Thyristoren und entsprechender antiparalleler Schichtenfoli
gen unterschiedlichen Leitungstyps für große Leistungen mit
Strömen ^ 10 Ampere, vorzugsweise ■> 50 Ampere, zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß sich erfindungsgemäß die beiden Steuerelektroden jeweils in Aussparungen der
Hauptelektroden befinden und daß sowohl die ersteren als auch
die letzteren mit ihren entsprechenden Anschlüssen bzw. Anschlußkörpem beidseitig des Halbleiterkörpers druckkontaktiert sind. Es vorsteht sich dabei, daß die vorstehend gekennzeichnete Anordnung der Steuerelektroden und^Hauptelektroden auch
Emitter- bzw.
für die entsprechenden Steuerzonen unduiathodenzonen gilt.
Wie im bekannten Fall (DT-AS 1 564 420) enthält das Halbleiter-! bauelement zwei Thyristoren, die in einem einzigen Herstellvor-| gang aus einer Halbleiterscheibe, vorzugsweise einer Silizium- j scheibe, erzeugt werden, so daß beide Thyristoren des einen j Halbleiterbaueloraentes aus gleichen Diffusions- und/oder Legie-' rungsprozessen stammen. Dies ist eine erste Grundlage für ι gleiche Schalteigenschaften beider Thyristoren. Da die beiden
Thyristorsysteme denselben V/erdegang haben, besitzen sie auch ι exakt gleiche physikalische Eigenschaften, d.h., das sonst j beim Zusammenschalten mehrerer konventioneller Bauelemente
notwendige Selektieren nach ähnlichen Eigenschaften entfällt.
Im Gegensatz zu dem aus der DT-AS 1 564 420 bekannten symmetrisch schaltenden Halbleiterbauelement befinden sich die
Steuerelektroden nicht am Rand, sondern jeweils in Aussparungenj der Hauptelektroden..Bezogen auf das jeweilige Thyristorsystem j liegt folglich jeweils ein an sich bekanntes sogenanntes Zentral gate vor (DT-AS 1 132 247). Wegen der geometrisch günstigeren j Lage bezüglich der Zündstromverteilung kann der Durchmesser
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bzw. die Breite der Halbleiterscheibe erheblich vergrößert werden. Die bei diesen sehr großen Scheiben nicht mehr durchführbaren, beidseitig notwendigen Lötprozesse werden vorteilhaft durch die an sich bekannte direkte Druckkontaktierung ersetzt (CH-Zeitschrift Brown Boveri Mitteilungen 5/75, Seite 225). "Direkter Druckkontakt" bedeutet dabei, daß keine stoffschlüssige, d.h. keine legierte Verbindung zwischen dem scheibenförmigen Silizium-Halbleiterkörper und einer elektrisch und thermisch leitenden Trägerplatte erfolgt. Weiterhin ist vorteilhaft, daß der Halbleiterkörper beidseitig von sämtlichen Elektroden druckkontakt!ert ist, wobei er auf seinen beiden Hauptoberflächen druckmäßig symmetrisch, - bezüglich der Steuerelek-j troden gegenüber der zu den Hauptoberflächen senkrechten Mittel-ί· linie zu verschiedenen Seiten versetzt, - direkt druckkontak- i
tiert ist. Bisher ist lediglich ein einseitig druckkontakt!ertes Zentralgate bekannt (DT-OS 2 246 423).
Die erreichte Freiheit in der Erweiterung in der Breite bzw. j des Durchmessers des scheibenförmigen Halbleiterkörpers erlaubt' auch in vorteilhafter V/eise einen extrem großen Entlappungsabstand zwischen den Projektionen der Kathoden- bzw. Anodenzonen auf eine gemeinsame, zu den beiden Hauptoberflächen parallele Grundebene, vorzugsweise einen Entlappungsabstand von mehr als einem Millimeter. Durch die Vergrößerung des Entlappungsabstandes ist in bekannter Weise eine Entkopplung der beiden Systeme gegeben und die Spannungssteilheit (du/dt) vergrößerbar, ebenso die Stromsteilheit (di/dt) (DT-AS 1 564 420 sowie US-PS 3 123 750, Fig. 8). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, zwischen die beiden antiparallelen Zonenfolgen eine neutrale, nicht hochdotierte Zone mit der vorgenannten Breite zu legen.
Die Erweiterung der Breite bzw. des Durchmessers des Halbleiterkörpers erlaubt weiterhin vorteilhaft bei physikalischer Symmetrie eine Anpassung an die Entwicklung der Leistungsthyristoren
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bezüglich der Kristallgrößen und der Gehäusegrößen. Die thermische Kopplung wird dabei zweckmäßig dadurch verbessert, daß in an sich bekannter Weise (DT-PS 2 039 806) an die Elektroden der Anoden und/bzw. Kathodenzonen napfförmige Anschlußelektro-. den mit ihren Napf boden grenzen, deren zur Mittellinie achsparallele Napfränder von den Hauptoberflächen abgekehrt sind, daß in jedem Napfboden ein Durchbruch für den Steuerelektrodenanschluß vorgesehen ist und daß jeweils eine in die napfförmige Anschlußelektrode eingelegte, ebenfalls einen Durchbruch für den Steuerelektrodenanschluß aufweisende Ronde als Hauptanschluß dient. Die Verwendung von napfförraigen Anschlußelektroden, vorzugsweise aus Silber, und eingelegten Ronden, vorzugsweise aus Molybdän, gewährleistet einerseits eine völlige Drucksymmetrierung und andererseits die Möglichkeit der Stapelung der Leistungs-Halbleiterbauelemente bei einfacher mechanischer Verspannung.
Zum Zweck der Schaltung sehr großer Ströme bei dennoch sehr kleinen Steuerimpulsen entspricht die seitliche Versetzung der jeweiligen Steuerzone und -elektrode, gemessen bis zum jeweiligen Mittelpunkt der Steuerzone, etwa der Hälfte der Entfernung des Ubergangsrandes zwischen der Hauptoberfläche und der doppel negativ angeschrägten Seitenfläche bis zur Mittellinie, und die Steuerzone mit der Steuerelektrode ist in an sich bekannter Weise als Amplifying Gate ausgebildet (BBC-Druckschrift "Beziehungen zwischen Kenndaten und Eigenschaften von Leistungsthyristoren" Best. Nr. D GHS 30132 D, Seite 8 sowie die General Electric Publication No. 671.15 vom März 1969 "The Amplifying Gate" SCR), wobei die p+-dotierte und mit dem Steuerelektrodenanschluß über die Steuerelektrode verbundene Steuerzone zwischen η-dotierten Bereichen liegt, die über Metallisierungen mit an die Hauptoberfläche austretenden, von der Steuerzone abgewandten Bereichen der mittleren p-Zone verbunden sind.
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Die in an sich bekannter Weise in Doppelmesatechnik durchge- führte jeweils negative Randabschrägung bedeutet, daß zur je- veils äußeren Zone des geringeren spezifischen Widerstandes hin eine Querschnittsabnahme des scheibenförmigen Halbleiter- körpers vorliegt. Diese Maßnahme ist zur Erhöhung der Spannungsbeanspruchung in Sperr- bzw. Blockierrichtung, d.h. zur Erhöhung der Uberschlagsspannung an der Randfläche bereits aus der AU-PS 244 374 und" bezüglich der vorstehenden Defini- tion aus der DT-AS 1 281 584 bekannt.
Zur weiteren Erhöung der du/dt-Festigkeit bzw. der zulässigen Spannungssteilheit werden die Emitterzonen vorzugsweise mit ! Emitterkurzschlüssen, d.h. punktförmigen Durchdringungen der ! jeweils benachbarten mittleren Zonen an die Hauptoberflächen (shorted emitter) versehen (Journal of Applied Physics,Vol.30, · No. 11, November 1959, Seiten 1819 bis 1823 sowie j
DT-PS 1 154 872). In an sich bekannter Kombination zu dieser · Ausbildung der Kathoden- bzw. Emitterzonen können die Steuerzonen als sogenannte Fingergate bzw. Streifengate ausgebildet sein, wodurch sich ein günstigeres Flächenverhältnis zur ; Emitterfläche ergibt und noch größere Werte der zulässigen Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt (DT-OS 2 164 644) erreichbar sind. .
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert,
Es zeigt:
Fig. 1 ein Schnittbild des Halbleiterkörpers in einer Schnittebene senkrecht zu seinen Hauptoberflächen und
Fig. 2 die Druckkontaktierung des Halbleiterkörpers gemäß Figur 1.
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Es versteht sich, daß die Darstellung gemäß Figur 1 wie Üblich
verzerrt ist, weil bekanntlich die Scheibenbreite bzw. der !
Scheibendurchmesser sehr groß im Verhältnis zur Scheibendicke i
ist. Der Silizium-Halbleiterkörper besteht aus einer n sof<fc- J
dotierten Zone 1 und zwei angrenzenden, p-dotierten mittleren !
Zonen 2 und 2'. In diesen Zonen 2 bzw. 21 befinden sich auf
ι der Seite der Hauptoberflächen 4 bzw. 41» auf unterschiedlichen'
Seiten der zu den Hauptoberflachen 4, 41 senkrechten Mittel- j linie 5, Emitterzonen 3 bzw. 3' mit punktförmigen Durchdringungen 6 bzw. 6' (shortings) der angrenzenden mittleren Zonen 2 bzw. j 2' an die jeweilige Hauptoberfläche 4 bzw. 4'. Weiterhin sind [ auf unterschiedlichen Seiten der Mittellinie 5, an die Haupt- ! oberflächen 4 bzw. 4* angrenzend, ρ -dotierte Anodenzonen 7 i bzw. 71 vorhanden. Die Emitterzone 6 und die Anodenzone 7 sind
mit einer Metallisierung bzw. Hauptelektrode 8 und die Emitterzone 6' und die Anodenzone 7' sind mit einer Metallisierung ; bzw. Hauptelektrode 81 versehen. Dabei überbrücken die Haupt- ' elektroden 8 bzw. 81 auch die Durchdringungen 6 bzw. 6' und
bilden shortings. Die Hauptelektroden 8, 8f und die Emitter- ' zonen 3, 31 besitzen auf unterschiedlichen Seiten der Mittel- i linie 5 Aussparungen 9 bzw. 91 für die an sich bekannten : Amplifying Gates, wobei eine vorzugsweise p+-dotierte und mit . einer Steuerelektrode 10 bzw. 10* versehene Steuerzone 11 bzw. : 11' zwischen η-dotierten Bereichen 12 bzw. 12' liegt, die über
weitere Metallisierungen 13 bzw. 13' mit an die Hauptober- ,
fläche 4 bzw. 41 austretenden, von der jeweiligen Steuerzone !
i 11 bzw. 11' abgewandten Bereichen 14 bzw. 14' der jeweiligen \ mittleren p-Zone 2 bzw. 2' verbunden sind.
Weiterhin besitzt der Halbleiterkörper zwischen den beiden
vorbeschriebenen antiparallelen Zonenfolgen 7-2-1-21^S1
einerseits und 7' -2? -1-2-3 andererseits, die Teil eines
Normal-Thyristors T1 einerseits und eines Invers-Thyristors T2
andererseits sind, eine neutrale, nicht hochdotierte Zone 15
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Zf E/P 4 I 1 (07i hO
- sr-
mit einer Breite bzw. einem Entlappungsabstand a von vorzugsweise mehr als 1 mm, die sich parallel zur Mittellinie 5 erstreckt. Der Halbleiterkörper ist in sogenannter Doppelmesatechnik doppelt negativ angeschrägt - Seitenfläche 16.
Der Abstand zwischen der Mittellinie 5 und der Jeweiligen Steuerzone 11 bzw. 11· beträgt vorzugsweise etwa die Hälfte der ge-; samten Entfernung bis zum Übergang 17 bzw. 17' der jeweiligen ' Hauptoberfläche 4 bzw. 41 zur Seitenfläche 16.
Gemäß Figur 2 grenzen an die Häuptelektröden 8 bzw. 81 der Anoden- und Emitterzonen 7 und 3 bzw. 7' und 31 napfförmige Anschlußelektroden 20 bzv/. 20', vorzugsweise aus Silber, deren j zur Mittellinie5 achs- / waprränder 21 bzw. 21' von der Haupt-' oberfläche 4 bzw. 41 abgekehrt sind. In jedem Napfboden ist ein1 Durchbruch 22 bzw. 22· für einen Steuerelektrodenanschluß 23 bzw 231 vorgesehen. Die Steuerelektrodenanschlusse 23, 23' befinden sich in Form von Druckfedern innerhalb von Isolierungen 24 bzw. 24' innerhalb der Durchbrüche 22 bzw. 22'. In die napfförmigen ; Anschlußelektroden 20 bzw. 20' sind ebenfalls Durchbrüche für \ die SteuerelektrodenanschlüssG 23 bzw. 23' aufweisende Ronden ;
25 bzw. 25' als Hauptanschlüsse eingelegt. Sie bestehen vorzugsweise aus Molybdän und weisen Isolierungen 26 bzw. 26' zur seit·^- lichen Herausführung der Steuerelektrodenanschlusse 23 bzw. 23'! auf. Um eine mögliche Stapeltechnik nicht zu beeinträchtigen, ι ragen die Isolierungen 26, 26' nicht über die jeweils äußeren j Ebenen der Ronden 25, 25' hinaus. Die schrägen Seitenflächen . 16 sind in üblicher Weise durch dne Passivierungsschicht 27, j eine Glaspassivierung oder einen Schutzfilm aus organischen j Stoffen oder Mischungen beider geschützt.
Das steuerbare Halbleiterbauelement, das aus zwei voneinander praktisch völlig entkoppelten, aber in einem Halbleiterkörper
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ZfTfP Λ T 1 (0768000/ΚΓΙ
-y-
integrierten und antiparallel geschalteten Thyristoren T1 und T2 besteht, wird mit üblichen Techniken hergestellt. Die zwei Thyristoren T1 und T2 werden in einem einzigen Herstellungsvorgang, ausgehend von einer gemeinsamen Siliziumscheibe, dadurch erzeugt, daß zunächst in bekannter Weise aus der n-leitenden j Siliziumscheibe durch Einbringen von Defektelektronen lieferndem Material ein p-n-p-System aus den drei Zonen 1,2 und 2· gemacht wird. Danach wird jeweils etwa die Hälfte der Hauptoberflächen 4 und 41 mit einer weiteren Schicht aus Donatoren bzw. Akzeptoren lieferndem Material versehen, so daß die Emitterzonen 3 und 31 sowie die Anodenzonen 7 und 7' entstehen. Die shortings 6 und 61 in den Emitterzonen 3 und 31 sind dabei abgedeckt. So entstehen in axialer Richtung des scheibenförmigen Halbleiterkörpers nach einem oder mehreren Diffusions- und/oder Getter- und/oder Legierungsprozessen zwei antiparallele Schichtenfolgen 7 - 2 - 1 - 2' - 31 bzw. 7'-2'-1-2-3 abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps. Es handelt sich hierbei um die bei Thyristoren typischen Folgen ρ - ρ - η ».- ρ - η . Die η -Emitterzonen 3, 3f bleiben dabei durch shortings 6 unterbrochen, so daß die jeweils darunterliegende p-Zone 2 bzw. 21 an die Oberfläche tritt. Diese Durchdringungen sind für die an sich bekannten Emitterkurzschlüsse der beiden Thyristoren T1 und T2 notwendig, die entsprechenden Bereiche 14 bzw. 14' hingegen für die Ansteuerung der beiden Thyristoren T1 und T2. Bei der galvanischen oder durch sputtering (Kathodenzerstäubung) bewirkten Metallisierung können außer den Aussparungen 9, 91 auch Unterbrechungen über der neutralen Zone 15 vorgesehen sein. Es versteht sich, daß die an dem gemeinsamen Halbleiterkörper durchgeführten Arbeitsprozesse wie Diffusions-, Temperungsprozesse,... Passivierung, Galvanik, anschließende Druckkontaktierung und eventuelle Verkapselung gegenüber dem Aufwand bei der Herstellung von zwei Einzelthyristoren rationeller sind. Die Druckkontaktierung erfolgt in der in der DT-PS 2 039 806 beschriebenen Weise.
-10-
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ZFF/P< F 1 iC7i.r,00C'i;ri
- ie - j
13 I
Die Wirkungsweise des steuerbaren Halbleiterbauelementes ergibt; sich aus der an sich bekannten Wirkungsweise der Einzelthyristoren T1 und T2 (BBC-Silizium-Stromrichter-Handbuch 1. Auflage (1971), Seite 25 ff).
Der Normal-Thyristor T1 wird durchgeschaltet bei positiver Span nung zwischen dem Hauptelektrodenanschluß 25 und dem Hauptelek-! trodenanschluß 25' sowie einer Spannung am Steuerelektrodenan- j Schluß 23', die bezüglich des Potentials am Hauptelektrodenanschluß 25' positiv ist (Fig. 2). Dabei befindet sich die p+- leitende Anodenzone 7 auf einem positiven Potential, wogegen sich die n+-leitende Emitterzone 3' auf negativen Potential befindet. Die pn-Übergänge zwischen der Emitterzone 31 und der mittleren Zone 2' sowie zwischen der Zone 1 und der mittleren Zone 2 sind in Durchlaßrichtung beansprucht, während der pnübergang zwischen der mittleren Zone 21 und der η 3Ο+·+~2οηβ 1 zunächst in Sperrichtung beansprucht ist. - Der Invers-Thyristor T2 besitzt bei diesen Spannungsverhältnissen einen zusätzlichen sperrenden pn-übergang zwischen der mittleren p-leitenden Zone 2 und seiner n+-leitenden Emitterzone 3.
Der Normal-Thyristor T1 wird durchgeschaltet, indem bei dem erwähnten positiven Potential am Steuereiektrodenanschluß 23' (Fig. 2) bzw. an der ρ -leitenden Steuerzone 11· ein Steuerstrom (Löcherstrom) fließt. Die mittlere p-leitende Zone 21 liegt am Emitterpotential bzw. am negativen Potential der Metallisierung 8'. Da die η-dotierten Bereiche 12' im Bereich des Amplifying Gate galvanisch mit der p-leitenden mittleren Zone 2' verbunden sind, können sie als Hilfsemitter angesehen werden. Der Löcherstrom an der Steuerzone 11' veranlaßt folglich zunächst eine leistungsarme Zündung des mittleren Bereiches des Halbleiterkörpers unter dem Amplifying Gate (vgl. General Electric Application s.o.).
Beim weiteren Zündvorgang wird auch die n+-dotierte Emitter-
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ZIE/P4F 1 (67Ob
- yr -
zone 3' zur Injektion von Elektronen in die mittlere p-leitende Zone 21 veranlaßt. Die in die mittlere Zone 2' injizierten Elektronen verursachen eine Löcherinjektion von der p-leitenden mittleren Zone 2 aus in die η f.-leitende Zone 1. Diese wanden zum p-Übergang zwischen der Zone 1 und der mittleren Zone 2·. Durch weitere Injektion von Elektronen einerseits und von Löchern andererseits wird die Raumladung am SperrUbergang 1 2' abgebaut, der Strom durch die linke Seite des Halbleiterkörpers gemäß Fig. 1 steigt, bis schließlich der gesamte linke Bereich des Halbleiterkörpers unter der Emitterzone 3' Strom führt. Eine Beeinflussung des Normal-Thyristors T1 durch den Invers-Thyristor T2 ist wagen des großen Entlappungsabstandes a ausgeschlossen.
Der Invers-Thyristor T2 wird durchgeschaltet, indem bei positiver Spannung zwischen dem Hauptelektrodenanschluß 25' (Fig. 2) j bzw. der Anodenzone 7' (Fig. 1) und dem Hauptelektrodenanschluß j 25 bzw. der Emitterzone 3 das Potential des Steueranschlusses j 23 positiv gegenüber dem Potential am Hauptelektrodenanschluß 25 gemacht wird. Die weiteren Vorgänge verlaufen analog wie oben anhand des Normal-Thyristors T1 beschrieben.
Beide Thyristoren T1 und T2 werden also mit positiver Zündung betrieben. Das Leistungs-Halbleiterbauelement ist also bei den beschriebenen Spannungsverhältnissen zwischen dem I. Quadranten (Normal-Thyristor T1 durchschaltbar) und dem III. Quadranten (Invers-Thyristor T2 durchschaltbar) umschaltbar. In der Durchschaltphase des einen Thyristors T1 bzw. T2 ist jeweils der andere Thyristor T2 bzw. T1 wie beschrieben gesperrt.
Darüberhinaus kann vorgesehen sein, daß die Anordnung bezüglich beider Thyristorsysteme selbstschützend wirkt, d.h. bei zu hoher Spannung in Durchlaßrichtung (zu hoher positiver Sperrspannung) schaltet das jeweilige System ohne entsprechenden
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15
Steuerimpuls in an sich bekannter Weise durch (US-PS 3 123 750]
Die beschriebenen vorteilhaften Maßnahmen, ausgehend von der aus der DT-AS 1 564 420 an sich bekannten Entkopplung der beiden Thyristorsysteme:
1. Druckkontaktierung,
2. Zentralgate,
3. Ausführung in Form eines Amplifying Gate, das bei dem bekannten, randseitig mit den Steuerelektroden kontaktierten Halbleiterbauelement überhaupt nicht realisierbar ist,
4. p+-dotierte Steuerzonen und
5. gegebenenfalls Fingergates
führen bei wesentlich erhöhter Kommutierungs- du/dt- und erhöhter di/dt-Festigkeit dazu, daß die Anwendung bei Frequenzen weit über 100 Hz möglich wird.
Wegen der physikalischen Symmetrie und der möglichen Erweiterung des Durchmessers bzw. der Scheibenbreite ist die Verwendung für extrem hohe Leistungen möglich, z.B. bei Strömen von 500 Ampere und Spannungen von 5000 Volt. Das Halbleiterbauelement ist technologisch erweiterbar, d.h., die genannten Werte stellen keine obere Begrenzung dar.
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2ΓΧ/Ρ4Γ 1 (B7I.K00C/KF)
Le e rs e i t e

Claims (1)

  1. Mp.-Nr. 573/77 Mannheim, den 25. Mai 1977
    ZFE/P3-Pp/ar
    Patentansprüche:
    f 1 .j Ste\ierbares leistungs-HalbleJ terbauelement, das für beide Stroiiir.ichtungen von einem Zustand höheren YMdorfitandes in : einen Zustand niedrigeren Widerstandes scheltbar ist und j entsprechende antj parallele Zonenfolgen aus jeweils minde- ; stens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungs- ! "typs in einem scheibenförmigen Halbleiterkörper besitzt, dessen als Metallisierungen der äußeren Anoden- und Kathodenzonen und der kleinflächig von mittleren Zonen aus ' an die Hauptoberflächen austretenden beiden Steuerzonen j ausgebildeten Elektroden sperrschichtfrei elektrisch und ! thermisch durch entsprechende Haupt- und Steueranschlüsse ; kontaktiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die beiden Steuerelektroden (10, 10') jeweils in Aussparungen (9, : 9') der Hauptelektroden (8, 8') befinden und daß sowohl die ersteren als auch die letzteren mit ihren entsprechenden Anschlüssen bzw. Anschlußkörpern (23, 23'; 20, 25, 20«, 25') beidseitig des Halbleiterkörpers direkt druckkontaktiert sind.
    2. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper auf seinen beiden
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    Haupt ober flächen (4-, 4') druckmäßig symmetrisch, -bezüglich | der Steuerelektroden (10, 10') gegenüber der zu den Haupt- i oberflächen (4, 41) senkrechten Mittellinie (5) zu verschiedenen Seiten versetzt, - direkt druckkontaktiert ist.
    Steuerbares Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden antiparallolen Zonenfolgen eine neutrale,, nicht hochdotierte Zone (15) mit einer Breite von mehr als 1 min liegt.
    Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder folgenf den, dadurch gekennzeichnet, daß an die Hauptelektroden (8, · 8') der Anoden- und Kathodenzonen (7 und 3 bzw. 7' und 31) | napfförm^ Anschlußelektroden (20 bzw. 20') mit ihren Napf- ' boden grenzen, deren zur Mittellinie (5) achsparallele Napfränder (21 bzw. 21') von den Hauptoberflächen (4 bzw. 41) abgekehrt sind, daß in jedem Napfboden ein Durchbruch (22 bzw.: 22') für den Stoucrelektrodenanschluß (23 bzv/. 23') vorgesehen ist und daß jeweils eine in die napfförmige Anschlußelektrode (20 bzw. 20') eingelegte, ebenfalls einen Durchbruch für den Steuerelektrodenanschluß (23 bzv/. 23') auf- j weisende Ronde als Hauptanschluß (25 bzw. 25") dient. j
    Steuerbares Halbleiterbauelement aus Silizium nach Anspruch4« dadurch gekennzeichnet, daß die napfförmigen Anschlußelektroden (20, 20') aus Silber und die Ronden aus Molybdän oder; Wolfram oder einem dem Ausdehnungskoeffizienten von Silizium angepaßten Verbundmetall bestehen.
    Steuerbares Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche j Versetzung der Steuerzone (12, 12') und -elektrode, ge- j messen bis zum jeweiligen Mittelpunkt der Steuerzone, etwa j der Hälfte der Entfernung des Ubergangsrandes (17 bzw. 17') ί zwischen der Hauptoberfläche und der negativ abgeschrägten Seitenfläche bis zur Mittellinie entspricht und -3-
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    ΖΓΡ/Γ' 4 f- 1 (6.·· MljiX'l-C!
    die Steuerzone (12, 12·) mit der Steuerelektrode (10, 10') als Amplifying Gate ausgebildet ist, wobei die p+-dotierte und über die Steuerelektrode (10, 10') mit dem Steuerelek- ( trodenanschluß (23, 23') verbundene Steuerzone (10, 10') zwischen η-dotierten Bereichen (12, 12') liegt, die über weitere Metallisierungen (13, 131) mit an die Hauptoberfläche austretenden, von der Steuerzone (11, 11f) abgewandten Bereichen (14, 14') der mittleren p-Zone (2 bzw. 2·) verbunden sind.
    7. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder folgenj· den, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerzone (11, 11') l als Fingergate ausgebildet ist.
    8. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzonen (3, 3')i mit Durchdringungen (6, 61) der benachbarten mittleren Zone j (2, 2·) an die jeweiligen Hauptoberflächen (4, 4') und Me- ι tallisierungen und somit mit Emitterkurzschlüssen versehen | sind (shorted emitter). \
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