DE2733060C2

DE2733060C2 - Abschaltbarer Thyristor

Info

Publication number: DE2733060C2
Application number: DE19772733060
Authority: DE
Inventors: Masahiko Itami Hyogo Akamatsu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1977-07-21
Filing date: 1977-07-21
Publication date: 1982-04-08
Also published as: DE2733060A1

Description

Die Erfindung betrifft einen abschaltbaren Thyristor, bestehend aus einem Halbleitersubstrat mit zwei quer zur Stromdurchflußrichtung verlaufenden, einander gegenüberliegenden Hauptflächen, einer ersten Halbleiterschicht des einen.Leitungstyps, die auf der einen Hauptfläche des Halbleitersubstrats nach außen freiliegt, einer zweiten Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitungstyps, die mit der ersten Halbleiterschicht einen ersten pn-übergang bildet, einer dritten Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps, die mit der zweiten Halbleiterschicht einen zweiten pn-Obergang bildet, einer vierten Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitungstyps, die auf der zweiten Hauptfläehe des Halbleitersubstrats nach außen freiliegt und mit der dritten Halbleiterschicht einen dritten pn-Obergang bildet, einer ersten, in ohmschem Kontakt mit der ersten

ίο Halbleiterschicht angeordneten Hauptelektrode, und einer zweiten, in ohmschem Kontakt mit der vierten Halbleiterschicht angeordneten Hauptelektrode, wobei die zweite Halbleiterschicht eine zur ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats nach außen hin freiliegende Fläche aufweist, von welcher ein Teil mit einer Steuerelektrode in ohmschem Kontakt steht, und wobei die zweite Halbleiterschicht dicker als die dritte Halbleiterschicht ausgebildet ist.

Ein derartiger abschaltbarer Thyristor ist bereits aus der Zeitschrift »IEEE Transactions on Electron Devices«, Bd. ED-21 (1974), Nr. 7, S. 416-420 bekannt. Zur Verbesserung des Abschaltverhaltens eines Thyristors wird dabei von einem gewöhnlichen Thyristor ausgegangen, dessen Steuerelektrode auf seiner kathodenseltigen, p-leitenden Basisschicht angebracht ist und bei dem die n-Basisschicht die dickste Schicht ist. Bei diesem bekannten Thyristor wird in Abwandlung des allgemein üblichen Aufbaus eines Thyristors anstelle der Steuerelektrode auf der p-Basisschicht eine Steuerelektrode auf der n-Basisschicht, der dicksten der vier Thyristorschichten angebracht. Bei einem Ausführungsbeispiel dieses bekannten Thyristors ist auf der Anodenseite eine n⁺-Diffusionszone vorgesehen, um dadurch den ohmschen Kontakt während der Herstellung oder Aufbringung der Elektrode zu verbessern.

Die bisherigen als pnpn-Vierschichtvorrichtungen aufgebauten Thyristoren der geschilderten Art sind allgemein mit den folgenden Nachteilen behaftet: Beim Sperren wird die Sperrspannung von der Stromversorgung an die Gate-Elektrode angelegt, um über diese Ladungsträger aus der zwischen die zweite und die vierte Halbleiterschicht eingefügten dritten Halbleiterschicht zu ziehen. Im Verlaufe des Sperrvorgangs konzentrieren sich Strompfade aufgrund der von der ersten Halbleiterschicht injizierten Ladungsträger in einer von der Gate-Elektrode am weitesten entfernt gelegenen Position, nämlich im zentralen Bereich der vierten Halbleiterschicht.

Andererseits besitzt die dritte Schicht (Gate-Steuerschicht), durch welche die Strompfade verlaufen, einen hohen Schichtwiderstand. Der Spannungsabfall über diesem hohen Widerstand macht es schwierig, den dritten Übergang, der sich in dem von der Gate-Elektrode am weitesten entfernten zentralen Abschnitt der vierten Halbleiterschicht befindet, in Sperrichtung vorzuspannen. Wenn die dritte Halbleiterschicht zur Verringerung des genannten Widerstandes aus einem Halbleitermaterial mit niedrigem spezifischen Widerstand hergestellt wird, verringert sich die Sperrspan-

nung, welche der dritte Übergang auszuhalten vermag, bis schließlich der nahe der Gate-Elektrode gelegenen Bereich des dritten Übergangs zuerst in Sperrichtung durchbricht. Eine Maßnahme zur Verringerung des genannten Widerstandes bestand darin, ein kleines Quermaß des zentralen Teils der vierten Halbleiterschicht vorzusehen, wodurch jedoch wiederum die von dieser vierten Schicht eingenommene Fläche verkleinert wird. Diese Fläche bildet die Effektivfläche für

einen' durch die vierte Schicht fließenden Strom. Außerdem ist es dabei erforderlich, ein kompliziertes feines Muster vorzusehen, in welchem die dritte und die vierte Halbleiterschicht zur anderen Hauptfläche des Substrats hinweisen. Dies ist wiederum mit einer hohen Fehlerhäufigkeit im Substrat verbunden, weshalb ein solches Muster in Hinblick auf die Fcitigungsvorgänge schwierig auszubilden ist. Schließlich bestand keine andere Möglichkeit als die mittlere Dichte des durch das zugeordnete Halbleitersubstrat fließenden Stroms, außerordentlich stark zu verringern.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen abschaltbaren Thyristor der eingangs definierten Art hinsichtlich seines Sperrvermögens auf solche Weise zu verbessern, daß eine Reduzierung der Querabmessungen der Halbleiterzonen nicht mehr erforderlich ist und die Herstellung der Halbleitervorrichtung damit vereinfacht wird.

Ausgehend von dem abschaltbaren Thyristor der eingangs definierten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen der Steuerelektrode und der ersten Hauptelektrode Mittel zum Zuführen einer rückwärts gerichteten Spannung an den ersten pn-Übergang vorgesehen sind, und daß die zweite Halbleiterschicht aus einer durchgehenden Teilschicht mit niedrigem spezifischen Widerstand und einer solchen mit hohem spezifischen Widerstand gebildet ist, wobei erstere Teilschicht mit der ersten Halbleiterschicht des einen Leitungstyps in Berührung steht.

Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 und 3.

Bei der Ausführungsform gemäß dem Patentanspruch 3 wird der besondere Vorteil erreicht, daß die Sperrspannung des ersten pn-Obergangs erhöht wird, so daß eine höhere Steuerspannung an diesen Übergang angelegt werden kann. Dadurch wird im Zusammenwirken mit der beschriebenen Verringerung des Schichtwiderstandes das Abschalten bzw. Sperren höherer Ströme ermöglicht.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. IA einen schematischen Schnitt durch eine pnpn-Vierschicht-Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. IB eine Fig. IA ähnelnde Darstellung einer abgewandelten Ausführungsform,

Fig.2A eine schematische Schnittansicht einer weiteren abgewandelten Ausführungsform,

Fig.2B eine Fig.2A ähnelnde Darstellung einer Abwandlung der Ausführungsform nach F i g. 2A,

F i g. 3A eine schematische Schnittansicht noch eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 3B eine F i g. 3A ähnelnde Darstellung einer weiteren Abwandlung dieser Konstruktion und

F i g. 4 eine graphische Darstellung der Strom/Spannung-Kennlinie im Durchschalt- und Sperrzustand der Halbleiter-Schaltvorrichtung beim Umschalten aus dem Durchschalt- in den Sperrzustand.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

In allen Figuren (ausgenommen Fig.4) ist der Leitungstyp des Emitter- oder Basisbereichs mit dem den Leitungstyp des Halbleitermaterials, welches den betreffenden Bereich bildet, bezeichnenden Symbol zuzüglich eines angehängten Buchstabens »e« oder »ix< bezeichnet. Beispielsweise bezeichnet das Symbol Pb den Leitungstyp der als Basisbereich dienenden dritten Halbleiterschicht

In F i g. 1A ist eine pnpn-Vierschicht-Halbleiterschaltvorrichtung dargestellt Die dargestellte Anordnung umfaßt ein Halbleitersubstrat 10 mit zwei Hauptflächen, eine erste p-Halbleiterschicht 12 in Form eines ringförmigen und eines zentralen Abschnitts, die am Umfangsrand und im Mittelbereich der ersten bzw. oberen Hauptfläche des Substrats 10 nach außen ο freiliegen, und eine zweite η⁺-Halbieiterschicht 14a, die auf dem restlichen Teil der ersten Hauptflächs des Substrats nach außen freiliegt und über welcher sich die erste p-Schicht 12 befindet, so daß zwischen beiden Schichten drei getrennte erste pn-Übergänge ]\ gebildet werden. Die n⁺-Teiischicht 14a schließt übergangsfrei an eine /-Typ-Teilschicht 14£> an, so daß eine n-Halbleiterschicht 14 gebildet wird. Die /-Teilschicht 14£> ist auf einer dritten p-Halbleiterschicht 16 angeordnet, so daß zwischen den n- und p-Halbleiter-

schichten 14 bzw. 16 ein zweiter pn-Übergang J₂ festgelegt ist

Die andere Hauptfläche des Substrats 10 besteht aus einer vierten n-Halbleiterschicht 18, die auf der dritten p-Halbleiterschicht 16 angeordnet ist und mit dieser

einen dritten pr.-Übergang h festlegt

Es bilden die erste, die zweite und die dritte Halbleiterschicht einen ersten Transistor, während die zweite, die dritte und die vierte Halbleiterschicht einen zweiten Transistor bilden.

Eine ringförmige Steuerelektrode 24 und eine erste Hauptelektrode 20 sind in ohmschem Kontakt mit dem ringförmigen bzw. dem zentralen Bereich der ersten n-Halbleiterschicht 12 angeordnet und an einer ersten Hauptklemme X miteinander verbunden. Die erste Hauptelektrode 20 bildet bei der dargestellten Ausführungsform eine Anode. Eine zweite Hauptelektrode 22 bzw. Kathode ist in ohmschem Kontakt mit der vierten Halbleiterschicht 18 angeordnet und an eine zweite Hauptklemme Y angeschlossen. Die ringförmige

<to Steuerelektrode 24 ist in ohmschen Kontakt mit dem freiliegenden Abschnitt der η+ -Teilschicht 14a zwischen der ersten Hauptelektrode und einer weiteren ringförmigen Elektrode angeordnet Die dritte Halbleiterschicht 16 liegt nicht an der Hauptfiäche des Substrats 10 nach außen hin frei.

Mittel 26 zum Zuführen einer rückwärts gerichteten Spannung gemäß Fig. IA sind mit der negativen Seite bzw. dem Minuspol mit der ersten Hauptklemme X und mit der positiven Seite bzw. dem Pluspol mit einer Steuerklemme C verbunden, an welche die Steuerelektrode 24 angeschlossen ist.

Die Vorrichtung gemäß Fig. IA wird in der Weise durchgeschaltet, daß über die erste Hauptelektrode 20 und die Steuerelektrode 24 eine Spannung angelegt wird, deren Polarität gegenüber der in Fig. IA mit — Vca bezeichneten Steuerspannung entgegengesetzt ist.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß bei der Vorrichtung gemäß F i g. 1 die zweite Halbleiterschicht 14, die dicker ist als die anderen Schichten, an der ersten Hauptfläche des Substrats 10 nach außen freiliegt und die Steuerelektrode 24 in ohmschen Kontakt mit der freiliegenden Fläche der zweiten Halbleiterschicht 14 angeordnet ist. Im Sperrzustand wird eine Gegen- bzw. Sperrspannung über den zweiten Übergang Ji angelegt, um eine Verarmungsschicht sich neben diesem Übergang der zweiten Halbleiterschicht 14 ausbreiten zu lassen.

Infolge der vergrößerten Dicke der zweiten Halbleiterschicht 14 kann sich die Verarmungsschicht auf erforderliche Weise ausreichend weit ausbreiten.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. IA erfolgt die Steuerung durch den ersten Transistor 12, 14, 16, der einen niedrigen Stromverslärkungsfaktor besitzt, woraus eine Erhöhung des Steuerstroms — I_c von der Steuerstromquelle 26 zur Gegenvorspannung des zweiten Übergangs h resultiert. Da jedoch die zweite Halbleiterschicht 14 im Vergleich zu den anderen Halbleiterschichten eine sehr große Dicke besitzt, wird ein durch die erste Hauptelektrode 20 und die erste Halbleiterschicht 12 fließender Strom tatsächlich über die Steuerelektrode 24 unmittelbar zur zweiten Halbleiterschicht 14 kommutieri. Dies bedeutet, daß die »weite Halbleiterschicht !4 einen niedrigen Schichtwiderstand /v(vgl. F i g. 1 A) besitzt.

Weiter besteht die nahe dem zweiten Übergang /2 befindliche Seite der zweiten Halbleiterschicht 14 aus einer niedrig dotierten Teilschicht 14£> mit hohem spezifischen Widerstand und infolgedessen niedriger Fremdatomkonzentration. Die Schicht 14i> kann aus einem Halbleitermaterial vom i- oderv-Typ bestehen.

Zusätzlich besteht der in der Nähe des ersten Übergangs )\ befindliche Abschnitt 14a der zweiten Halbleiterschicht 14 aus einem Halbleitermaterial, das hoch mit einem Fremdatom bei der dargestellten Ausführungsform mit einem p-Typ-Fremdatom dotiert ist, so daß er einen niedrigen spezifischen Widerstand besitzt. Diese Schicht mit niedrigem spezifischen Widerstand ist daher vom ρ+-Typ, wobei ihre Dicke X2 (vgl. F i g. 1 A) größer sein kann als die Dicke X₁ der den Basisbereich des zweiten Transistors bildenden dritten Halbleiterschicht 16. Dies beruht darauf, daß die zweite Halbleiterschicht 14 einen Basisbereich dieses Transistors mit niedrigem Stromverstärkungsfaktor bildet. Aus diesem Grund kann die Dicke der Schicht 14 ohne weiteres vergrößert werden. Beispielsweise besitzt die dritte Halbleiterschicht eine Dicke xi im Bereich von einigen μπι, während die Dicke xi der zweiten Halbleiterschicht 14 in der Größenordnung von einigen Mikron bis zu einigen hundert μ™, liegen kann. Die Dicke X5 der Halbleiterteilschicht 14a mit niedrigem spezifischen Widerstand kann hierbei im Bereich von '/6 bis ²Iz der Dicke X2 liegen.

Infolge dieser Ausbildung ist der Schichtwiderstand r_c der zweiten Halbleiterschicht 14 und insbesondere der Halbleiterteilschciht 14a mit niedrigem spezifischen Widerstand außerordentlich niedrig. Infolgedessen wird die Absolutgröße einer Steuerspannung — Vca, die für die Kommutierung des Hauptstroms /, etwa eines Stroms — Ic durch die Steuerelektrode 24 erforderlich ist, verringert. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Absolutgröße des Steuerstroms — /_c nicht größer als diejenige des Hauptstroms /, und sie kann zu Beginn des Sperrvorgangs über der Größe des Hauptstroms / liegen. Wahlweise kann bei unveränderten Bedingungen für die Steuerspannung der Durchmesser λ_Α des zentralen Abschnitts der auf der ersten Hauptfläche des Substrats 10 freiliegenden ersten Halbleiterschicht 12 vergrößert werden (vgL Fig. IA). Hierdurch kann der Feinheitsgrad des betreffenden Musters zur Erleichterung der Herstellung der Vorrichtung verringert werden.

F i g. 1B zeigt eine Abwandlung der Anordnung gemäß Fig. IA. Diese Anordnung unterscheidet sich von derjenigen gemäß Fig. IA nur darin, daß die Bauteile gemäß Fig. IB gegenüber Fig. IA die entgegengesetzte Polarität besitzen und die Stromquellen entsprechend gepolt sind. Beispielsweise ist gemäß Fig. IA eine zweite Halbleiterschicht mit n+-Leitungstyp dargestellt, die wirkungsmäßig an die Steuerelektrode angeschlossen ist, während in F i g. 1B eine solche vom p+-Leitungstyp dargestellt ist. Gemäß Fig. IB kann die Halbleiterschicht 146 aus einem i- oder ^-Halbleitermaterial bestehen.

In Fig.2A ist eine andere Ausführungsform der Erfindungdargestellt, die sich von derjenigen in Fig. IA nur dadurch unterscheidet, daß gemäß Fig.2A eine dünne Halbleiterschicht 30 an der Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Halbleiterschicht 12 bzw. 14a oder dem Übergang /1 in der zweiten Halbleiterschicht 14a vorgesehen ist, welche an der ersten bzw. oberen Häuptfläche des Substrats 10 nach außen freiliegt. Diese dünne Halbleiterschicht 30 besitzt einen höheren spezifischen Widerstand als der freiliegende Teil der ersten Halbleiterschicht 12, und sie kann aus einem n~- oder einem ρ--Halbleitermaterial bestehen. Eine n~- oder ρ--Schicht besitzt einen höheren spezifischen Widerstand bzw. eine niedrigere Fremdatomkonzentration als eine n- oder p-Halbleiterschicht. Wenn die dünne Halbleiterschicht 30 vom η--Typ ist, werden getrennte erste Übergänge /1 gebildet, wie dies in ausgezogener Linie /1 angedeutet ist. Bei Verwendung einer dünnen p--Halbleiterschicht 30 ergeben sich dagegen die ersten Übergänge, die in gestrichelter Linie nahe der ausgezogenen Linie J\ angedeutet sind.

Bei der Abwandlung gemäß Fig.2B besitzen die Bauteile die gegenüber Fig.2A entgegengesetzte Polarität, wobei die nicht dargestellten Stromquellen entsprechend gepolt sind. In jeder anderen Hinsicht entspricht diese Anordnung derjenigen gemäß F i g. 2A.

Gemäß Fig.2B bildet daher die dünne Halbleiterschicht 30 vom ρ--Leitungstyp in ausgezogener Linie dargestellte diskrete bzw. getrennte erste Übergänge mit der ersten Halbleiterschicht 12, während eine dünne Halbleiterschicht 30 vom η--Leitungstyp mit der Halbleiterschicht 12 die neben der ausgezogenen Linie 7i in gestrichelten Linien eingezeichneten ersten Übergänge bildet

Bei den Anordnungen gemäß Fig.2A und 2B ist die Sperrdurchbruchspannung des ersten pn-Übergangs ]\ erhöht, so daß eine höhere Steuerspannung — Vca an diesen Übergang angelegt werden kann. Dadurch wird im Zusammenwirken mit der beschriebenen Verringerung des Schichtwiderstands r_r das Abschalten bzw. Sperren höherer Ströme ermöglicht

Fig.3A zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf eine in Sperrichtung leitende Vorrichtung, und F i g. 3B zeigt eine Abwandlung dieser Vorrichtung, die mit Ausnahme des Leitungstyps der Bauteile der Ausführungsform gemäß Fig.3A entspricht Genauer gesagt: Die Anordnung gemäß Fig.3A weist eine Gate-Steuerschicht 14 vom η+-Typ und diejenige gemäß Fig.3B eine solche vom ρ+-Typ auf.

Gemäß F i g. 3A besitzt die erste p⁺-Halbleiterschicht 12 die Form zweier konzentrischer, auf der einen Hauptfläche des Substrats 10 angeordneter Ringe. Zwei Hauptelektroden 20, bei der dargestellten Ausführungsform Anoden sind in ohmschen Kontakt mit den beiden Ringen der ersten ρ+-Halbleiterschicht 12 angeordnet Es ist darauf hinzuweisen, daß der äußere Ring der Elektrode 20 auch in ohmschen Kontakt mit dem • freiliegenden Oberflächenabschnitt der zweiten n-Halbleiterschicht 14 steht

An der anderen Hauptfläche des Substrats 10 ist in deren Mittelbereich die vierte n-Halbleiterschicht 18 vollständig nach außen hin freiliegend angeordnet, während am Umfangsbereich dieser Hauptfläche der Umfangsabschnitt der dritten p-Halbleiterschicht 16 nach außen freiliegt. Mit der anderen Substrat-Hauptfläche ist über deren Gesamtoberfläche hinweg eine einzige zweite Hauptelektrode 22, d. h. eine Kathode, in ohmschen Kontakt angeordnet und außerdem auf passende Weise mit einer Grundplatte 32 aus einem elektrisch leitenden Material oben beschriebener Art verbunden.

Gemäß F i g. 3A ist der Radius der vierten Halbleiterschicht 18 um ό kleiner als der Außenradius des äußeren Rings der ersten Halbleiterschicht 12. Ersichtlicherweise bilden zudem die mit der zweiten und dritten Halbieiterschicht 14 bzw. 16 in Berührung stehenden Abschnitte beider Elektroden 20 und 22 eine Halbleiterdiode mit den dazwischenliegenden Abschnitten der Schichten 12 und 14. Die Diode umfaßt den Umfangsbereich des zweiten Übergangs /2.

Die Anordnung gemäß F i g. 3A bildet somit eine von einer Halbleiterdiode umgebene pnpn-Schaltvorrichtung. Da eine derartige Vorrichtung keine Sperrspannung auszuhalten braucht, kann die Dicke der Halbleiterschicht 14a mit hohem spezifischen Widerstand vergrößert sein. Infolgedessen kann ohne weiteres auch die Halbleiterschicht 14£> mit niedrigem spezifischen Widerstand eine vergrößerte Dicke besitzen. Hierdurch wird eine weitere Verringerung des Schicht-Widerstands r_cder Halbleiterschicht 14abegünstigt.

Bei pnpn-Schaltvorrichtungen, bei denen die Sperrspannung kleiner ist als die Vorwärtssperrspannung, kann die Umfargsfläche des Halbleitersubstrats positiv abgeschrägt bzw. geneigt sein, um dadurch beispielsweise die Anbaufläche des Halbleiterplättchens zu vergrößern. Bei dieser Ausbildung liegt der Neigungswinkel zwischen den beiden Hauptflächen des Substrats bei nahezu 50° und normalerweise in der Größenordnung von 60°.

Bei den Ausführungsformen gemäß F i g. 1 bis 3 ist die Steuerelektrode 24 auf der einen Hauplfläche des Halbleitersubstrats 10 angeordnet, an welcher die erste Halbleiterschicht 12 nach außen freiliegt, so daß die zweite Hauptelektrode 22 an der Seite der vierten Halbieiterschicht 18 flach sein kann. Hierbei kann dann die beschriebene Grundplatte 32 sicher an dieser flachen Oberfläche der zweiten Hauptelektrode befestigt werden. Infolge der positiven Abschrägung bzw. der Kegelstumpfform legt das Substrat im Querschnitt auf der Grundplatte einen spitzen Winkel fest. Mit anderen Worten: Die zweite Hauptfläche des Substrats besitzt eine größere Oberfläche als die erste Hauptfiä ehe. Im Zusammenwirken mit dem positiven Neigungswinkel, der sich 90° annähert, wird also ein Bruch oder eine Beschädigung des Halbleitersubstrats unwahrscheinlicher.

Bei dem an der Steuerelektrode sperrenden Thyristor gemäß der Erfindung ist der Stromverstärkungsfaktor AfFin Emitterschaltung im Vergleich zu den herkömmlichen Vorrichtungen um etwa eine Größenordnung (Zenerpotenz) im Betriebsbereich mit niedrigen und mittleren Stromstärken verringert, in welchem der im Basisbereich erzeugte Feldeffekt unwirksam gemacht wird. Dies bedeutet, daß der Stromverstärkungsfaktor hfr einen Wert von höchstens 2 besitzt Dies führt zu einem steilen Anstieg der Aushaltespannung Vceo(sus) des ersten Transistorteils. Die Aushaltespannung Vs₁₁₅ dieser Vierschicht-Vorrichtung beim Sperrvorgang entspricht dem 0,8- bis 0,9fachen der Durchbruchspann'ung ß Vdes zweiten pn-Übergangs /2.

Dies bedeutet, daß die dynamische Aushaltespannung stark verringert ist, so daß eine Steuerung einer höheren Spannung gemäß Fig.4 möglich ist, in welcher der Hauptstrom /auf der Ordinate in Gegenüberstellung zu einer auf der Abszisse aufgetragenen Spannung über erste und zweite Hauptelektrode veranschaulicht ist. Der Pfeil gemäß F i g. 4 verdeutlicht zudem den Sperrvorgang, mit welchem die Vorrichtung vom Durchschaltzustand in den Sperrzustand umgeschaltet wird.

Es kann der Faktor hff ohne weiteres mit dem Wert 2 oder kleiner ausgelegt werden. Darüber hinaus wird die Größe der Ladungsträgerinjektion aus der ersten Haibleiterschichi i2 dadurch reduziert, daß der Schichtwiderstand r_c der einen Teil der Basisschicht 14 bildenden Halbieiterschicht 14a verringert ist. Hierdurch wird eine weitere Herabsetzung des Faktors !iff erleichtert, wodurch der Sperrstrom-Verstärkungsgrad herabgesetzt wird. Die unmittelbar mit der ersten Halbieiterschicht 12 in Berührung stehende Halbieiterschicht 14a besitzt jedoch einen niedrigen Schichtwiderstand, so daß die an die beiden Halbleiterschichten 12 und 14 angelegte Sperrspannung — Vca beim Sperrvorgang kleiner sein kann. Durch die Verkleinerung des Faktors AfF wird außerdem die Sperrgeschwindigkeit erhöht. Infolgedessen ist die für die Steuerung des Sperrens erforderliche elektrische Energie im Vergleich zu den bisherigen Vorrichtungen nicht besonders groß.

Wie erwähnt, führt eine Verringerung des Sperrstrom-Verstärkungsgrads zu einer Erhöhung des Sperrsteuerstroms I_a doch wird die sperrbare Spannung V₅₁₁₅ bei Verkürzung der Sperrzeit herabgesetzt. Dies bedeutet, daß der Sperrstrom-Verstärkungsgrad bezüglich der mittleren Leistung eher vergrößert wird.

Die abschaltbaren Thyristoren gemäß F i g. 1 bis 3 können, wie erwähnt, höhere Spannungen aushalten, weil der Stromverstärkungsfaktor Iiff des als Basisschicht die zweite Halbieiterschicht 14 aufweisenden Transistors in Emitterschaltung herabgesetzt ist Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß diesbezüglich die Fähigkeit der Schaltvorrichtung für die Steuerung hoher Leistungen bzw. Stromstärken verbessert wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Sperrcharakteristik dadurch verbessert werden kann, daß die erste Halbleiterschciht 12 unmittelbar mit der einen Teil der zweiten Halbieiterschicht 14 bildenden Schicht 14a mit niedrigem spezifischen Widerstand in Koniakt gebracht wird. Weiterhin besitzt die Ausführungsform gemäß Fig.3A und 3B weiter verbesserte Sperreigenschaften, weil eine Halbleiterdiode, die einen Teil des zweiten Übergangs J₂ einschließt so betätigbar ist, daß sie eine Sperrspannung unterdrückt oder die Anordnung in Gegenrichtung durchschaltet, so daß die zulässige Dicke der zweiten Halbieiterschicht und mithin auch der Schicht mit niedrigem spezifischen Widerstand vergrößert werden kann.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 2A und 2B ist außerdem das Sperrvermögen verbessert Dies beruht darauf, daß eine dünne Halbieiterschicht 30 mit höherem spezifischen Widerstand als dem der ersten Halbieiterschicht 12 am ersten pn-Übergang/i angeordnet ist und_dadurch die Gegensperrspannung für den ersten pn-Ubergang J_x unter Zulassung einer Sperr-Steuerspannung — Vca erhöht

Indem außerdem der Stromverstärkungsfaktor /jff des Transistors in Emitterschaltung, welcher als Basisbereich die zweite Halbleiterschicht 14 benutzt, auf 2 oder weniger festgelegt wird, kann auf beschriebene Weise eine höhere Spannung gesteuert werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abschaltbarer Thyristor, begehend aus einem Halbleitersubstrat mit zwei quer zur Stromdurchflußrichtung verlaufenden, einander gegenüberliegenden Hauptflächen, einer ersten Halbleiterschicht des einen Leitungstyps, die auf der einen Hauptfläche des Halbleitersubstrats nach außen freiliegt, einer zweiten Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitungstyps, die mit der ersten Halbleiterschicht einen ersten pn-Obergang bildet, einer dritten Halbleiterschicht des ersten Leitungstyps, die mit der zweiten Halbleiterschicht einen zweiten pn-Obergang bildet, einer vierten Halbleiterschicht des entgegengesetzten Leitungstyps, die auf der zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstr?ts nach außen freiliegt und mit der dritten Halbleiterschicht einen dritten pn-Obergang bildet, einer ersten, in ohmschem Kontakt mit der ersten Halbleiterschicht angeordneten Hauptelektrode, und einer zweiten, in ohmschem Kontakt mit der vierten Halbleiterschicht angeordneten Hauptelektrode, wobei die zweite Halbleiterschicht eine zur ersten Hauptfläche des Halbleitersubstrats nach außen hin freiliegenden Fläche aufweist, von welcher ein Teil mit einer Steuerelektrode in ohmschem Kontakt steht, und wobei die zweite Halbleiterschicht dicker als die dritte Halbleiterschicht ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerelektrode (24) und der ersten Hauptelektrode (20) Mittel (26) zum Zuführen einer rückwärts gerichteten Spannung an den ersten pn-Obergang vorgesehen sind, und daß die zweite Halbleiterschicht (14) aus einer durchgehenden Teilschicht mit niedrigem spezifischen Widerstand (14a) und einer solchen mit hohem spezifischen Widerstand (i4b) gebildet ist, wobei erstere Teilschicht mit der ersten Halbleiterschicht des einen Leitungstyps (12) in Berührung steht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Halbleiterschicht (16) eine zur zweiten Hauptfläche des Halbleitersubstrats (10) hin freiliegenden Fläche aufweist, und daß diese Fläche mit der zweiten Hauptelektrode (22) in ohmschem Kontakt steht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Halbleiterschicht (30) mit höherem spezifischem Widerstand als dem des freiliegenden Abschnitts der ersten Halbleiterschicht (12) am ersten pn-übergang an der Grenzfläche zwischen der ersten Halbleiterschicht (12) und der zweiten Halbleiterschicht (14) angeordnet ist.