DE2824133A1

DE2824133A1 - Feldgesteuerter thyristor

Info

Publication number: DE2824133A1
Application number: DE19782824133
Authority: DE
Inventors: Kenji Miyata; Masayoshi Naito; Takuzo Ogawa; Masahiro Okamura; Yoshio Teresawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-06-08
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1978-12-21
Also published as: JPS542077A; FR2394175A1; US4223328A; JPS5751981B2; FR2394175B1; DE2824133C2

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiter-Schaltelement, insbesondere auf einen feldgesteuerten Thyristor.

Bisher wurden verschiedene feldgesteuerte Thyristoren vorgeschlagen, die enthalten: einen ersten Einitterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, der zu einer Hauptfläche eines Halbleitersubstrats freiliegt, einen zweiten Emitterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der zur anderen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegt, einen Basisbereich des zxveiten Leitfähigkeitstyps, der die beiden Emitterbereiche miteinander verbindet, und einen Gatebereich des ersten Leitfähigkeitstyps, der im Basisbereich angeordnet ist, wobei der zwischen den beiden Emitterbereichen fließende Hauptstrom durch die Verarmungsschicht gesteuert wird, die im Basisbereich durch die Gate-Vorspannung gebildet wird, die gegenüber dem Emitterbereich mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp angelegt wird.

Der Stand der Technik und die Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung · erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Querschnitt eines herkömmlichen feldgesteuerten Thyristors,

Fig. 2A eine perspektivische Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen feldgesteuerten Thyristors,

Fig. 2B die Draufsicht auf den Thyristor der Fig. 2 A,

Fig. 2C in vergrößertem Maßstab einen Hauptbereich des Thyristors der Fig. 2A,

Fig. 3 das Profil der StörStellenkonzentration des feldgesteuerten Thyristors der Fig. 2,

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Fig. 4 die Abhängigkeit der Konzentration der vom n⁺ - leitenden Katodenbereich injizierten Elektronen vom Diodenstrom, wenn der feldgesteuerte Thyristor der Fig. 2 eingeschaltet wird,

Fig. 5 das Profil der Elektronenkonzentration des feldgesteuerten Thyristors der Fig. 2 im eingeschalteten Zustand und

Fig. 6

bis 10 weitere Ausführungsfornien des erfindungsgemäßen feldgesteuerten Thyristors bzw. die zughörigen Kennlinien.

Bei dem herkömmlichen feldgesteuerten Thyristor der Fig. 1 liegt der Gatebereich zur Hsuptoberfläche des Halbleitersubstrats frei und erstreckt sich längs eines Katodenbereichs. Dieses Halbleiter-Bauelement ist beispielsweise aus D.E. Houston et al, "A FIELD TERMINATED DIODE", IEEE Trans Electron Devices, Bd.ED-23, S.905 (1976) oder aus der JA-OS 50176/77 bekannt. Gemäß Fig. 1 enthält das Halbleitersubstrat 1 einen p⁺ - leitenden, zur ersten Hauptfläche 101 des Substrats 1 freiliegenden Anodenbereich 11, einen an die P⁺- leitende Anode 11 angrenzenden und zur zweiten Hauptoberfläche 102 des Substrats 1 freiliegenden η-leitenden Basisbereich 12, angrenzend an die zweite Hauptoberfläche 102 im η-leitenden Basisbereich 12 ausgebildete n⁺-leitende Katodenbereiche 13, und angrenzend an die zweite Hauptoberfläche 102 und sich längs der n⁺- leitenden Katodenbereiche 13 erstreckende, im η-leitenden Basisbereich 12 ausgebildete p⁺-leitende Gatebereiche 14. An den zur zweiten Hauptoberfläche 102 des Substrats 1 freiliegenden Stellen des p⁺-leitenden Anodenbereichs, der n⁺-leitenden Katodenbereiche und der p⁺-leitenden Gatebereiche sind ein Anodenanschluß 15, Katodenanschlüsse 16

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bzw. Gateanschlüsse 17 ausgebildet. Auf den restlichen freiliegenden Teilen der zweiten Hauptoberfläche 102 ist ein - Film 5 ausgebildet. Bei diesen Halbleiter- Bauelement

liegen die n⁺-leitenden Katodenbereiche 13 und die p⁺-leitenden Gatebereiche 14 zur zweiten Hauptoberfläche 102 des Substrats 1 frei, v/obei sich der η-leitende Basisbereich 12 zwischen diesen befindet. Bei diesem Aufbau ist der Raum zwischen angrenzenden Teilen der p⁺-leitenden Gatebereiche groß, so daß zum Sperren des Hauptstroms eine hohe Gate-Vorspannung erforderlich ist. Infolgedessen ist die in Durchlaßrichtung wirkende BlockierSpannungsverstärkung, die als Spannung zwischen Anode und Katode geteilt durch die Gate-Vorspannung definiert ist, die zum Sperren der Anoden - Katodenspannung erforderlich ist, gering, so daß das Halbleiter-Bauelement für Schaltzwecke ungeeignet ist. Selbst wenn der Zwischenraum zwischen den p⁺-leitenden Bereichen 14 kleiner gemacht wird, so daß die im Durchlaßrichtung wirkende Sperrspannungsverstärkung verbessert werden kann, wird die Strombelastbarkeit des Bauelements verringert, weil die Breite jedes der η -leitenden Katodenbereiche 13 entsprechend vermindert werden muß. In extremen Fällen besteht die Gefahr, daß die zulässige Schaltleistung vermindert oder das Bauelement zerstört wird, weil in Folge der geringen Breite der η -leitenden Katodenbereiche 13 und der Katodenanschlüsse 16 die Stromdichte erhöht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Mangel und Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere soll ein feldgesteuerter Thyristor geschaffen werden, der bei kurzer Schaltzeit eine hohe zulässige Schaltleistung hat.

Nach einem ersten wesentlichen Merkmal der Erfindung ist die Störstellenkonzentration im Basisbereich des feldgesteuerten Thyristors in dem Teil des Basisbereichs höher, der näher am Emitterbereich mit den Leitfähigkeitstyp des Basisbereichs liegt,

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als in dem Teil des Basisbereichs, der näher am Emitterbereich liegt, dessen Leitfähigkeit der des Basisbereichs entgegengesetzt ist.

Ein weiterer wesentlicher Erindungsgedanke liegt darin, daß zusätzlich zu dem ersten Merkmal eine Anordnung vorgesehen ist, bei der der Gat-ebereich parallel zu den Hauptoberilächen des Halbleitersubstrats in dem Basisbereich vergraben ist, wobei die Teile des Gatebereichs die Projektion des Emitterbereichs mit dem Leitfähigkeitstyp des Basisbereichs auf die Hauptoberfläche gegenüber dem Emitterbereich überlappen.

Ein dritter v/esentlicher Erfindungsgedanke besteht darin, daß zusätzlich zu den vorstehenden Merkmale die vergrabenen Teile des Gatebereichs in den Grenzbereichen zwischen den Teilen mit hoher und niedriger Störstellenkonzentration des Basisbereichs liegen.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.

Bei dem erfindungsgemäßen feldgesteuerten Thyristor der Fig. 2A enthält das Halbleitersubstrat 1 einen durchgehenden p⁺-leitenden Anodenbereich 31 angrenzend an die erste Hauptoberfläche 101 des Substrats 1, sowie einen angrenzend an den Anodenbereich 31 ausgebildeten η-leitenden Basisbereich 32, wobei diskrete Teile desselben zur. zweiten Hauptoberfläche 102 hin frei liegen, und angrenzend an den η-leitenden Basisbereich 32 ausgebildete p-leitende Gatebereiche 34, die längs der freiliegenden Teile der n⁺-leitenden Katodenbereiche 33 zu zweiten Hauptoberfläche 102 freiliegen.

Jeder Gatebereich 34 besteht aus einem ersten scheibenförmigen Teil 341, der in den Basisbereich 32 parallel zu den Hauptoberflächen eingelassen ist und einen zweiten Bereich 342 der zur

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- ίο -

zweiten Hauptoberfläche 102 verläuft, an dieser frei liegt und eine höhere Stijü-stellenkonzentration hat als der erste Bereich 341. Die ersten scheiben- oder plattenförmigen Bereiche 341 haben Spalten unterhalb der n⁺-leitenden Katodenbereiche 33, die als Kanäle bezeichnet werden. Der η-leitende Basisbereich besteht aus einem ersten Bereich 321, der sich vom ρ - leitenden Anodenbereich 31 bis zu den Kanälen erstreckt, und aus zweiten Bereichen 322, die sich von den Kanälen bis zur ,zweiten Hauptoberfläche 102 und den Katodenbereichen 33 erstrecken. Die Störstellenkonzentration der zweiten Bereiche 322 ist höher als die des ersten Bereichs 321.

Elin Anodenanschluß 2, ein Katodenanschluß 3 und ein Gateanschluß 4 sind auf den freiliegenden Oberflächen des Anodenbereichs 31, der Katodenbereiche 33 bzw. der zweiten Teile der Gatebereiche 34 ausgebildet. Nach der Draufsicht der Pig. 2B greifen die Katoden- und Gateanschlüsse 3 bzw. 4 auf der zweiten Hauptoberfläche 102 des feldgesteuerten Thyristors (im folgenden kurz als Thyristor bezeichnet) bei diesem Ausführungsbeispiel kammartig ineinander. Die Figuren 2B und 2C zeigen weiter einen Oberflächen-Passivierungsfilm aus S1O2, der in Fig. 2A weggelassen ist.

Der vorstehend beschriebene Thyristor wird etwa folgendermaßen hergestellt: zunächst wird durch Eindiffundieren von Boratomen in ein η-leitendes Siliziumplättchen mit einem spezifischen Widerstand von 50 0hm-cm und einer Stärke von etwa 220 μ von einer Hauptoberfläche desselben aus bis zu einer Tiefe von etwa 50 /U ein p⁺- leitender Anodenbereich 3Έ gebildet. Von der zweiten Hauptoberfläche werden bis zu einer Tiefe von etwa 15/U nochmals Boratome selektiv in das Siliciumplättchen eindiffundiert. Die selektiv diffundierten Bereiche werden als die ersten Teile 341 der p⁺- leitenden Gatebereiche 34 verwendet. Darauf wird auf dem gesamten Teil der zweiten Hauptoberfläche 102 eine η-leitende Halbleiterschicht mit einer Stärke von etwa

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15 —3 20yu und einer Störstellenkonzentration von etwa 1 χ 10 cm epitaktisch aufgebracht. Danach wird das Plättchen einer Temperatur ausgesetzt, die höher ist als die bei der epitaktischen Behandlung angewandte, so daß verhindert wird, daß die angrenzenden seiaktiv diffundierten Bereiche in Folge Selbstdotierung überbrückt werden. Die zweiten Teile 342 der p-leitenden Gatebereiche werden gebildet, indem von der Oberfläche der η-leitenden epitaktischen Schicht an den den Mitten der ersten Teile 341 der ρ -leitenden Gatebereiche 34 entsprechenden Stellen Boratoma eindiffundiert werden. Infolge der Wärmebehandlung zur Diffusion der zweiten Teile 342 wird die Stärke der ersten Teile 341, die etwa 15/x betrug, nun auf etwa 40 yu erhöht und die Kanäle haben eine Breite von etwa 5 Λΐ . Durch selektives ELndif fundier en von Phosphoratomen in die Oberfläche der η-leitenden Schicht längs der freiliegenden zweiten Teile der p-leitenden Gatebereiche bis zu einer Tiefe von 3 Λ* werden η -leitende Katodenbereiche 33 gebildet. Schließlich werden auf den freiliegenden Oberflächen des p⁺-leitenden Anodenbereichs 31, der η -leitenden Katodenbereicha33 und der zweiten Teile 342 der p^-leitenden Gatebereiche 34 ein Anodenanschluß 2, ein Katodenanschluß 3 und ein Gateanschluß 4 gebildet. In Fig. 3 sind die Änderungen der Störstellenkonzentrationen im Thyristor als eine Ausführungsform der Erfindung in x- und y-Richtung der Fig. 2 durch ausgezogene bzw. gestrichelte Linien dargestellt. Das aus Fig. 3 ersichtliche besondere Merkmal besteht darin, daß die Störstellenkonzentration im ersten Teil 341 des p-leitenden Gatebereichs mit steigendem Abstand vom Katodenbereich 33 allmählich in einem Intervall ansteigt, und daß die Störstellenkonzentration unterhalb von 1 χ 10 cm~ liegt. Diese durch das strukturelle Merkmal hervorgerufenen Auswirkungen ergeben sich aus der folgenden Betrachtung:

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Vorab sei aber daraufhingewiesen, daß die erfindungsgemäße Herstellung eines Thyristors und die Abmessungen der einzelnen Teile desselben sowie die Störstellenkonzentrationen keineswegs auf die vorstehend beschriebenen beschränkt sind. Beispielsweise kann als Ausgangsmaterial ein ρ - leitendes Plättchen verwendet werden und auf dieses eine n-leitende Halbleiterschicht epitaktisch aufgewachsen werden, wobei die η-leitende Halbleiterschicht dem η-leitenden Si-Plättchen des vorstehenden Ausführungsbeispiels entspricht.

Im folgenden werden die durch den Thyristor erzielten Auswirkungen und die Arbeitsweise vom Einschalten über den eingeschalteten Zustand bis zum Gate- Ausschalten desselben erläutert. Das Ausführungsbeispiel der Fig.2 hat die beiden folgenden Hauptauswirkungen oder Vorteile:

1. die Ein- und Ausschaltzeiten sind kurz und

2. die beim Einschalten verbrauchte Schaltleistung ist gering.

Diese Vorteile ergeben sich aus der im folgenden beschriebenen Arbeitsweise. Zum Einschalten des vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels des Thyristors muß der zum Ausschalten des Thyristors verwendete Gatekreis geöffnet und zwischen Anodenanschluß 2 und Katodenanschluß 3 eine Spannung angelegt werden, wobei Anoden- und Katodenanschluß 2 bzw. 3 auf einem positiven bzw. negativen Potential gehalten werden. Sobald die Spannung angelegt ist, fließt in Durchlaßrichtung ein Strom Iy. einer ρ n~nn - Diode, die aus dem Anodenbereich 31» dem ersten Teil 321 des Basisbereichs 23, dem zweiten Teil 322 des Basisbereichs 32 und dem Katodenbereich 33 besteht, durch die Kanäle. Zu diesem Zweck ist es vorzuziehen, ein Einschnüren der Kanäle durch die Potentialsperren in Folge des Diffusionspotentials zwischen den ersten Teil 341 des Gatebereichs 34 und dem ersten Teil 321 des Basisbereids 32 sowie zwischen dem ersten Teil 341 und dem zweiten Teil 322 des Basisbereichs zu verhindern. Der Einschnür-Effekt kann verhindert werden, indem

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die Störstellenkonzentration in den jeweiligen Bereichen /< und die Kanalbreite des Thyristors in geeigneter Weise ge- * steuert wird. Bei der hier behandelten'Ausführungsform tritt ;, dieser unerwünschte Einschnür-Effekt nie auf.

Fig, 4 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Dichte des Anodenstroms i-pj und der Konzentration der vom Katodenbereich 33 in den Basisbereich 32 injizierten Elektronen- Gemäß Fig. 4 werden Elektronen mit einer Konzentration von mehr als 1 χ.1 O^ ^ö-cni bei einem Strom von i^ ~ 10 A/cm injiziert. Vom Anodenbereich 31 werden Träger mit positiver Ladung (d.h. Löcher) injiziert, deren Anzahl fast gleich ist der der Elektronen. Diese injizierten Träger fließen durch Diffusion und Drift in die je-

+ — + weiligen Bereiche oder Teile eines η npn ρ -Thyristors ,der aus dem Katodenbereich 33, dem zweiten Teil 322 des Basisbereichs 32, dem ersten Teil 341 des Gatebereichs 34, dem ersten Teil 321 des Basisbereichs 32 und dem Anodenbereich 31 besteht, wobei der n⁺npn~p -Thyristor angrenzend an die oben erwähnte η nn ρ - Diode angeordnet ist. In Folge dessen

4- — +

schaltet der η npn ρ - Thyristor sehr schnell in einen stark

leitfähigen Zustand. Die Stromdichte i^ ~ 10 A/cm~ erweist sich als sehr klein verglichen mit der mittleren Stromdichte von 100 bis 200 A/cm einer normalen Diode. Andererseits ist die Elektronenkonzentration mit 1 χ 10 cm verhältnismäßig groß, da die zum Ein- und Ausschalten eines normalen pnpn-Thyristors erforderliche Trägerkonzentration etwa

14 -^

1 χ 10 cm beträgt. Der erfindungsgemäße feldgesteuerte Thyristor schaltet somit leicht ein, wobei der Schaltvorgang in sehr kurzer Zeit vollendet ist. Die Einschaltzeit eines erfindungsgemäßen Thyristors betrug 1,43 us · Im n-leitenden Basisbereichs 32 des erfindungsgemäßen Thyristors ist die Störstellenkonzentration des zv/eiten Teils 322 höher als die des ersten Teils 321. Dieser Aufbau hat die folgenden Vorteile

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In dem ersten Teil 341 des Gatebereichs 34, in den die Störstellenkonzentration mit dem Abstand vom Katodenbereich ansteigt, wird ein von der Katode zur Anode gerichtetes elektrisches Feld erzeugt,.Dieses elektrische Feld drückt die vom Katodenbereich 33 in den ersten Teil 341 des Gatebereichs über den zweiten Teil 322 des Basisbereichs fließenden Elektronen zurück. Wenn daher die Störstelllenkonzentrationen im ersten und zweiten Teil 321 bzw. 322 des Basisbereicb,s in der gleichen Größenordnung liegen, wird die Einschaltzeit lang und der Verlust an Schaltleistung zum Einschalten ist beträchtlich.Erfindungsgemäß wird das elektrische Feld dadurch, daß die StörStellenkonzentration im zweiten Teil 32 des η-leitenden Basisbereichs höher ist als die im ersten Teil 321 desselben, veringert, so daß der Verlust an Schaltleistung zum Einschalten vermindert werden kann.

Im leitenden Zustand des Thyristors fließt Strom durch dm

η nn~p -Diodenbereich und den n⁺npn~p -Thyristorbereich,

wobei der η npn~p⁺-Thyristorbereich größer ist als der η nn~p Diodenbereich.

Fig. 5 zeigt die Profile der Elektronenkonzentrationen im Thyristorbereich im leitenden Zustand bei Stromdichten von 600 und 168 A/cm . Zum Vergleich ist in Fig. 5 gestrichelt das Elektronenkonzentrationsprofil eines herkömmlichen, nur nach dem Diffusionsverfahren hergestellten Thyristors im

leitenden Zustand bei einer Stromdichte von 600 A/cm dargestellt. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Thyristors besteht darin, daß die Elektronenkonzentration innerhalb des ersten Teils 341 des Gatebereichs 34 ein Minimum aufweist (Fig.5). Damit die η npn~p - Anordnung wirksam als Thyristor arbeiten kann, ist die StörStellenkonzentration im ersten

Teil 341 des Gatebereichs vorzugsweise niedriger als 5 x 10 cm

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Zum Ausschalten des erfindungsgemäßen Thyristors muß zwischen Katoden- und Gateanschluß 3 bzw. 4 eine Gate-Vorspannung angelegt werden, wobei die Katode auf positivem und die Anode auf negativem Potential liegt. Unmittelbar nach dem Anlegen der Gate-Vorspannung fließen daher die bisher vom Anodenbereich

31 zum Katodenbereich 33 geflossenen Löcher'in den Gatebereich Die Elektronen, die vom Katodenbereich 33 zum Anodenbereich 31 flössen,fließen nun in Folge der Diffusion schnell in den Teil des ersten Teils 341 des Gatebereichs, wo die Elektronendichte am geringsten ist. Da ferner die Störstellenkonzentration im Gatebereich verhältnismäßig hoch ist, ist die Lebensdauer der Träger mit 0,5 bis 1 ^s verhältnismäßig kurz, so daß die Elektronen schnell mit den Löchern rekombinieren und im Gatebereich verschwinden. Danach dehnt sich der Verarmungsbereich infolge der Gate-Vorspannung hauptsächlich in den Basisbereich

32 um den Gatebereich 34 aus und schnürt die Kanäle ein, so daß der Katodenstrom durch den Thyristor unterbrochen wird. Dann wird der Thyristor ausgeschaltet, weil die Restträger im Basisbereich entweder infolge dar Diffusion in den Gatebereich fließen oder wegen der Rekombination im Basisbereich verschwinden.

Ein erfindungsgemäßer Thyristor konnte durch Anlegen einer Gate-Vorspannung von -15V bei einem Anodenstrom von 20A ausgeschaltet werden. Die typische Ausschaltzeit betrug etwa 10 xis. Die zwischen Anoden- und Katodenanschluß 3 bzxv. 2 anliegende Sperrspannung betrug 800 V. Der erfindungsgemäße Thyristor hat somit ausgezeichnete Ausschalteigenschaften.

Fig. 6 zeigt den Querschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen feldgesteuerten Thyristors. Bei dem Thyristor der Fig. 6 ist der G_ateanschluß 4 am Boden von Nuten 60 ausgebildet, die von der zweiten Hauptoberfläche 102 des Halbleitersubstrats aus bis zu den ersten Teilen 341 der Gate-

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bereiche eingeschnitten sind. Hit Ausnahme dieses Merkmals hat das Ausführungsbeispiel der Fig. 6 den gleichen Aufbau vie das erste Ausführungsbeispiel der Fig. 2. Beide Thyristoren arbeiten in gleicher Weise. Im folgendem sei die Herstellung des Thyristors nach dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Als Ausgangsmaterial wird ein η-leitendes Siliziumsubstrat mit Hauptflächen verwendet. Zur Ausbildung des ρ -leitenden Anodenbereichs 31, der ersten Teile 341 der p-leitenden Gatebereiche, der zweiten Teile 322 des η-leitenden Basisbereichs und der Katodenbereiche 33 wird das gleiche Verfahren angewendet wij bei der Herstellung der ersten Ausführungsform den Thyristors nach Fig. 2. Darauf wird die gesamte Oberfläche des Siliziumsubstrats mit einem Oxid-Film Nitrid-Film oder dergleichen abgedeckt. Der-Abdeckfilm wird auf den Teilen des Substrats nach der bekannten Fotoätztechnik teilweise entfernt, v/o die Nuten 60 eingeschnitten v/erden sollen. Das so behandelte Si-Substrat wird zum Einschneiden der Nuten 60 in eine chemische Ätzlösung getaucht. Wenn die Hauptflächen in einer besonderen Ebene (110) liegen, kann als chemische Ätzlösung eine Mischung aus Kaliumhydroxid, Isopropy!alkohol und Wasser verwendet werden. Bei diesem Ätzmittel ist die Ätzgeschwindigkeit in der (110)-Ebene etwa 80 mal schneller als die Ätzgeschwindigkeit in der (I11)-Ebene, so daß leicht schmale und tiefe Nuten 60 eingeschnitten werden können. Von den Innenwänden der Nuten 60 her wird eine p-leitende Verunreinigung eindiffundiert, so daß die Leitfähigkeitstypen der die Nuten 60 enthaltenden Bereiche in den p-Leitungstyp umgewandelt werden. Die Diffusionstiefe beträgt etwa 1 bis 3/i und die

-iq Oberflächenkonzentration .ist vorzugsweise höher als 1 χ 10 ^ cm um den 0hm'sehen Kontakt der am Boden der Nuten 60 auszubildenden Elektroden zu ermöglichen. Vorzugsweise wird ein Diffusionsverfahren angewendet, bei dem während der Diffusion

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kein Oxidfilm ausgebildet wird. Dieses Verfahren kann beispielsweise durch Ampullendiffusion von Boratomen im Vakuum oder in einer Argonatmosphäre ausgeführt werden. Der Oberflächen-Überzugsfilm des Si-Substrats wird wieder selektiv entfernt und der erfindungsgemäße Thyristor wird fertiggestellt, indem auf den freiliegenden'Oberflächen des Anodenbereichs 31, der Katodenbereiche 33 und auf den ersten Teilen 341 der Gatebereiche, d.h. auf den Böden der Nuten 60 ein Anodenanschluß 2, Katodenanschlüsse 3 bzw..Gateanschlüsse 4 ausgebildet werden. Falls die Hauptoberflächen in einer anderen Ebene, beispielsweise der Ebene (111) liegen, kann zur Ausbildung der Nuten 60 eine herkömmliche Ätzlösung verwendet vrerden.

Der Thyristor nach Fig. 7 kann erhalten werden, indem ein Teil des p⁺-leitenden Anodenbereichs 31 durch η'-leitende Halbleiterbereiche 312 und/oder n⁺-Halbleiterbereiche 313 durch die restlichen n⁺-leitenden Anodenbereiche 311 ersetzt wird. Die n⁺-leitenden Halbleiterbereiche 312/oder die ^-leitenden Halbleiterbereiche 313 haben die die folgenden Fuktionen und Auswirkungen. Wenn, durch die Gatesteuerung der Thyristor ausgeschaltet wird, werden, wie oben beschrieben, die Kanäle zunächst eingeschnürt. Darauf fließen die Restträger im Basisbereich wegen der Diffusion in den Gatebereich oder verschwinden durch Rekombination im Basisbereich, so daß der Thyristor völlig abschaltet. Die Zeit t_d vom Augenblick des Anlegens der Gate-Vorspannung bis zum Augenblick des Einschnürens der Kanäle \^rerhält sich zur Zeit t_f vom Augenblick des Einschnürens der Kanäle" bis zum Augenblick des VerSchwindens der Restträger im Basisbereich derart, daß der Anodenstrom auf 10% des Werts im leitenden Zustand abnimmt, nach der Ungleichung "^d ^-^-< "kf. Beispielsweise sind typische Werte für den Thyristor der Fig. 2, t_d ·=· 2 ;us und t_f = 8/ιβ . Da die Ausschaltzeit gleich der Summe.von t_d und t_f ist, hat t_f einen beträchtlichen Einfluß auf die Ausschaltzeit. Erfindungsgemäß wird die Ausschaltzeit dadurch abgekürzt, daß die Elektronen und Löcher,

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die während des Ausschaltvorganges im ersten Teil des Basisbereichs bleiben, zum Anodenbereich 2 durch die η -leitenden Bereiche 312 und 313 bzw. den Anodenbereich 311 geleitet werden. Der Fluß dieser Träger kann als umgekehrter Erholungsstroin durch eine Diode betrachtet werden, die aus dem p⁺-leitenden Anodenbereich 311 und dem ersten Teil 321 des η-leitenden Basisbereichs 32 gebildet ist.

Erfindungsgemäß werden die Störstellenkonzentrationen in den n⁺-leitenden Bereichen 312 und 313 so hoch wie möglich gewählt, um die Ausschaltzeit des Thyristors abzukürzen. Ferner werden die n⁺-leitenden Bereiche derart angeordnet, daß wenigstens ein Teil der Projektion des zweiten Teils 342 des Gatebereichs auf den Anodenanschluß 2 die η -leitenden Bereiche überlappt, so daß die Sperren in den Strompfaden im eingeschalteten Zustand vermindert werden. Wird der ^-leitende Bereich 313 wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 7 unterhalb der Kanäle angeordnet, dann ist die Ausschaltzeit kürzer,als wenn der n⁺-leitende Bereich 313 durch den ^-leitenden Anodenbereich ersetzt ist. Darüber hinaus wird die Einschaltgeschwindigkeit beschleunigt, weil die Stromdichte durch den η :
erhöht wird.

durch den η npn ρ -Thyristor während der Einschaltperiode

Bei dem Thyristor der Fig. 8A ist in wenigstens einen Teil des Thyristors der Fig. 2 ein die Lebensdauer der Träger herabsetzendes Material dotiert. Hierzu dienen Atome eines schweren Metalls wie Gold oder Platin, das durch Diffusion dotiert ist und durch Bestrahlung mit radioaktiven Strahlen, beispielsweise Röntgen- oder Gammastrahlen oder einem Elektronenstrahl hervorgerufene Gitterdeffekte. Ein Elektronenstrahl wird bevorzugt, weil er am besten gesteuert und weil mit ihm das Material am besten bearbeitet werden kann. Bei dem Thyristor der Fig. SA ist die Einschaltzeit verkürzt, während der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung im eingesehaltenen Zustand niedrig bleibt. Der Bereich, in den das die Lebensdauer der Träger

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herabsetzende Material dotiert wird, sollte vorzugsweise wenigstens den ersten Teil 321 des Basisbereichs umfassen, da die die Ausschaltzeit "beeinflussenden Restträger hauptsächlich in diesem Bereich vorliegen. Noch vorteilhafter ist es, die Lebensdauer der Träger verkürzende Material derart zu dotieren, daß die Lebensdauer der Minoritätsträger unterhalb des zweiten Teils 3^2 des Gatebereichs kürzer als unterhalb des Katodenbereichs ist. In der Praxis wird folgendes Verfahren angewendet. Durch Vakuumaufdamfung wird die gesamte Hauptoberfläche als freiliegende Anodenfläche eines Halbleitersubstrats 1 mit einem gleichmäßigen Goldfilm beschichtet. Das Halbleitersubstrat 1 wurde zuvor nach einem vorbestimmten Halbleiter-Herstellungsverfahren hergestellt. Dann wird der Goldfilm nach der Fotoätztechnik selektiv derart geätzt, daß der Teil des Goldfilms auf dem dem zweiten Teil 3^2 des Gatebereichs entsprechenden Teil der Oberfläche 101 stärker als auf dem anderen Teil der Hauptoberfläche 101 ist. Danach wird das Halbleitersubstrat bei hoher Temperatur einer Wärmebehandlung unterzogen, so daß die Goldatome eindiffundieren. Der Thyristor wird fertiggestellt, indem -ein Anodenanschluß, ein Katodenanschluß und ein Gateanschluß angebracht werden.

Fig. 8B zeigt die Abhängigkeit zwischen der Ausschaltzeit und dem Spannungsabfall in Durchlaßrichtung eines Thyristors, dessen Ausschaltzeiten durch Änderung der Mengen der dotierten Goldatome gesteuert wurden. Allgemein ist die Ausschaltzeit um so kürzer und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung um so höher, je größer die Menge an die Lebensdauer der Träger verkürzendem Material ist. Entsprechend ähneln die die obige Beziehung wiedergebenden Diagramme Hyperbeln, wie in Fig. 8B gezeigt. Die Kurve A entspricht dem F_all, daß die Minoritätsträger im ersten Bereich 321 des Basisbereichs eine gleichmäßige Lebensdauer haben, die Kurve B zeigt den,Fall, däß die

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Lebensdauer τ: * der Minoritätsträger in dem Teil des ersten Bareich 321 unterhalb des zweiten Bereichs 342 des Gatebereichs ein Drittel der Lebensdauer χ ₂ der Minoritätsträger im anderen Teil des ersten Bereichs 321 beträgt. Ein Vergleich der Kurven A und 3 zeigt, daß für den gleichen Spannungsabfall in Durchlaßrichtung die Ausschaltzeit im Fall B kleiner ist als im Fall A und daß für die gleiche Ausschaltzeit der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung im Fall B geringer ist als im Fall A„ D.h., daß die Anordung gemäß Kurve B der der Kurve A vorzuziehen ist. Im eingeschalteten Zustand nämlich bilden der zweite Teil 342 des Gatebereichs und der Teil des Basisbereichs unterhalb des zweiten Teils 342 keinen Strompfad. Entsprechend wird der durch t ρ bestimmte Spannungsabfall in Durchlaßrichtung nicht nachteilig beinflußt, unabhängig davon, wie kurz die Lebensdauer τ -j der Minoritätsträger im zweiten Teil 342 und in dein Teil darunter ist. hierin andererseits der Thyristor durch Gatesteuerung ausgeschaltet wird, verschwinden die Restträger im Basisbereich durch Diffusion in den Gatebereich oder rekombinieren dort. Ist in diesem Fall t* kleiner als -to » so verschwinden die Restträger in dem Bereich,, in dem die Lebensdauer -c y, ist, schneller als in dem anderen Bereich, so daß ein Unterschied zwischen den Restträgerkonzentrationen in den beiden Bereichen eintritt. Durch diesen Konzentrationsunterschied diffundieren die Restträger in dem Bereich,in dem die Lebensdauer χ-j ist und verschwinden schnell in diesem Bereich. Der Bereich, in dem die Lebensdauer gleich -t*. ist, wirkt daher als Senke für die Restträger, so daß die Ausschaltzeit verkürzt werden kann.

Im folgenden wird die Kombination der beiden Thyristoren der Fig. 7 und 8A erläutert. Die Kurve C zeigt die Kennlinie eines Thyristors, bei dem nur der Teil des ρ -Anodenbereichs 31 unterhalb des zweiten Teils 342 des Gatebereichs im Thyristor

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der Fig. 8Λ durch einen n⁺~Halbleiterbereich ersetzt ist. Gemäß Fig. 83 übertrifft die Anordnung gemäß Kurve C die der Kurven A und B. In diesem Fall dient der n⁺~Halbleiterbereich zusätzlich zu dem Bereich, in dem die Lebensdauer gleich^C₁ ist, als Senke.

Fig. 9A zeigt einen Thyristor, der sich dadurch auszeichnet, daß in dem dem ersten Teil 321 des Basisbereichs des Thyristors der Fig. 2A entsprechenden Teil die Störstellenkonzentration in dem Teil 321b, der näher am Anodenbereich 31 liegt, höher ist als im Teil 321a, der näher am zweiten Teil 3^1 des Gatebereichs liegt. Fig. 93 zeigt das Profil der Störstellenkonzentration in Richtung ζ des Thyristors dar Fig. 9A.

Selbst wenn" bei diesem Aufbau die sich beim Anlegen der Gate-Vorspannung in dem Basisbereich ausdehnende Verarmungsschicht durch Verminderung der Störstellenkonzentration im Basisbereich vergrößert wird, besteht keine Gefahr eines Durchgriffs, weil die Ausdehnung des Verarmungsbereichs zum Anodenbereich durch den Teil 321b des Basisbereichs gesperrt wird, dessen Störstellenkonzentration größer ist als die des Teils 321a des Basisbereichs. Infolgedessen kann der Hauptstrompfad dieses Thyristors durch eine niedrige Gatespannung eingeschnürt werden, so daß eine Erhöhung der Sperrspannungsverstärkung möglich ist. Durch den Teil 321b mit höherer Störstellenkonzentration im Basisbereich kann die Stärke des Basisbereichs gering ausgeführt werden, die sonst zur Vermeidung eines Durchgriffes verhältnismäßig stark gewählt werden müßte. Entsprechend kann, die Menge der Restträger im Basisbereich um eine Menge vermindert werden, die dem verminderten Teil der Stärke entspricht, so daß die Ausschaltzeit verkürzt wird.

Um die Vorteile des Thyristors der Fig. 9-A- besonders stark hervortreten zu lassen, sollte die Stärke des Teils 321-a

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des Basisbereichs zur Erzielung eines möglichst niedrigen Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung möglichst klein sein. In der Praxis wird die Stärke des Tails 321a so gewählt, daß sich der Verarmungsberelch ausdehnen kann, bis er im ausgeschalt ei; en Zustand des Thyristors dan Teil 321b des Basisbereichs erreicht.

V/ie in Fig. QB gezeigt, hat der erste Teil des Basisbereichs eine Stärke von etwa 70 p. , wobei die Teile 321 a und 321b 50 bzw. 20 /α stark sind. Zum Vergleich wurden zwei andere xiusführungsxorrnen des erfindungsgemäßen Thyristors hergestellt. Die eine (i) wurde durch Entfernung des Teils 321b vom ersten Teil des Basisbsreichs im Thyristor der Fig. 9A und durch Einstellen der Stärke des Teils 321a und der Störstellen-

13 -3 konzentration im Teil 321a auf etwa 200 Xi bzw. 5 χ 10 cm hergestellt. Die andere Ausführungsform (II) wurde unter Entfernung des Teils 321b und durch Einstellung der Stärke und der Störstellenkonzentration auf etwa 150/i bzw.

14 -3

1 χ 10 cm hergestellt. Die bei den Vergleichsmessungen erhaltenen verschiedenen Kennwerte der Thyristoren sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Tabelle

Eigenschaft	Sinh.	Bauelera. der Fig. 9	Vergleichs-Bauelem.	II
Sperrspannung (berechnet)	V	1000	I	1000
Gate-Vorspan nung	V	-10	1000	-20
Spgs.abfall in Purchlaßricht, (bei 100 A/cm	V	1,2	-10	1,9
Ausschaltzeit	r	3	2,3	10
20

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Beim Vergleichselement I sind der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung mid die Ausschaltzeit wesentlich größer als bei dem Thyristor der Fig. $A, obwohl beide Elemente die gleiche Gate-Vorspannung haben. Bei dem Bauelement II sind der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung und die Ausschaltzeit gegenüber I etwas verbessert, weil die Störstellenkonzentration im ersten Teil 321 des n~-leitenden Basisbereichs höher und seine Stärke geringer ist. Das Bauelement II ist trotzdem dem Element der Fig. 9A unterlegen und die Gate-Vorspannung des Bauelement II ist doppelt so hoch wie die des Bauelements I und des Thyristors der Fig. 9A ( die Sperrspannungsverstärkung des Bauelements II ist halb so groß wie die der Bauelemente I und der Fig. 9A). Dies zeigt, daß diese Ausführungsform hervorragende Eigenschaften hat.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausxührungform des erfindungsgemäßen Thyristors, bei dem die Stärke des Anodenbereichs und die Menge an Störstellen, die in den Anodenbereich 31 dotiert sind, um ihn p-leitend zu machen, vermindert ist. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich ein Thyristor mit kurzer Ausschaltzeit, ohne den Spannungsabfall in Durchlaßrichtung zu erhöhen, indem das Verhältnis der injizierenden Löcher aus dem Anodenbereich 31 vermindert wird.

"Wenn beispielsweise auf einem η-leitenden Einkri stall substrat eine η-leitende polykristalline Schicht aufgebracht wird, diffundiert die p-leitende Verunreinigung in der p-leitenden polykristallinen Schicht etwas in das einkristalline n-leitende Substrat, so daß der an die p-leitende polycristalline Schicht angrenzende Teil des η-leitenden Substrats in aine dünne p-leitende Einkristallschicht verwandelt wird. Hierdurch bildet sich zwischen der p-leitenden Einkristallschicht und dem n-leitenden Einkristallsubstrat ein pn-übergang. Die Technik der Begrenzung der Trägermenge, die vom p-leitenden Einkristall durch Verminderung der Stärke des p-leitenden

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Einkristalls durch Verminderung der Stärke der p-leitenden Einkristallschicht injiziert wird, und durch Verminderung der Menge der Störstellen in der p-leitenden Einkristallschioht ist beispielsvreise in den JA-OSn 4179/77 und 90273/77 beschrieben.

Der Anodenbereich 31 <Iis Thyristors der Fig. 10 kann beispielsweise folgendermaßen hergestellt werden. Auf der freiliegenden Hauptoberfläche des ersten Bereichs 321 des Basisbereichs eines Halbleitersubstrats, bei dem mit Ausnahme des Anodenbereichs 31 sämtliche Bereiche fertig sind, wird eine p-leitende polykristalline Siliziumschicht 100 aufgebracht. In dem ersten Teil 321 des 3asisbereichs wird unter Verwendung der p-leitenden polykristallinen Siliziumschicht als Diffusionsquelle ein Anodenbereich 31 mit sehr geringer Stärke hergestellt. Die dünne Diffusionsschicht kann während der Wärmebehandlung zum-Aufwachsen der polykristallinen Schicht oder während der Wärmebehandlung nach dem Aufwachsen des Kristalls ausgebildet werden. Die polykristalline Schicht kann durch Wärmebehandlung bei 800 bis 1000⁰C in einer Wasserstoffatmosphäre hergestellt werden, wobei als Ausgangsmaterial Trichlorsilan und als Dotiergas Diboran verwendet wird. Die Stärke der polykristallinen Schicht sollte groß genug sein, um zu verhindern, daß die Anoden-Basisstrecke bei der Ausbildung des Anodenanschlusses beschädigt wird. Dia. Stärke beträgt vorzugsweise 30 bis 6O_-^u.

Es sei darauf hingewiesen, daß einige der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zur Erzielung kombinierter Effekte miteinander kombiniert werden können, die je als Ergebnis der organischen Verbindung . der Ausführungsformen erhalten werden. Ein durch Verbindung der Ausführungsformen erhaltener Thyristor liegt innerhalb des Rahmens der Erfindung. Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsiormen werden die Funktionen und Auswirkungen durch Vertauschung der Leitfähigkeitstypen nicht verschlechtert. Auch eine Vertauschung der Leitfähigkeitstypen

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liegt daher innerhalb des Rahmens der Erfindung. Der Gatebereich braucht nur aus in den Basisbereich eingelassenen und neben diesem angeordneten Teilen zu bestehen. Daher kann der zweite Teil 342,wie sich aus den obigen Ausführungsbeispielen ergibt, der \^rom ersten Teil 341 bis zum Gateanschluß 4 reicht, weggelassen werden. In diesem Fall kann der, Gäteanschluß 4 auf dem in der Seitenfläche freiliegenden Gatebereich ausgebildet werden, die die zwei Hauptflächen miteinander verbindet.

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Leerseife

Claims

PATENTANWÄLTE7 ~ ' SCHIFF V. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINGHAUS FINCK MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH SS O1 6O, D-8OOO MÖNCHEN 95 PROFESSIONAL REPRESENTATIVES ALSO BEFORE THE EUROPEAN PATENT OFFICE KARL LUDWIG SCHIFF DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER DIPL. ING. PETER STREHL DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHÜBEL-HOPF DIPL. ING. DIETER EBBINSHAUS DR. ING. DIETER FlNCK telefon (o89) 48 2οθ4-telex 5-23 565 auro d Telegramme auromarcpat München DEA-14286 1. Juni 1978 FELJDGESTEUERTER THYRISTOR Patentansprüche

1.) Mit drei Anschlüssen versehener Feldeffekttransistor, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (1) mit zwei einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen (101,102) mit einem ersten Leitfähigkeitstyp, das einen ersten Emitterbereich. (33) mit dem ersten Leitfähigkeitstyp, der zu einer Hauptoberfläche (102) des Substrats freiliegt, einen zweiten im .Emitterbereich (31) des zweiten Leitfähigkeitstyps, der in der anderen Hauptoberfläche (101) des Substrats freiliegt, und einen Gatebereich (34) des zweiten Leitfähigkeitstyps enthält, wobei wenigstens ein Teil (342) des Gatebereichs in der ersten Hauptoberfläche (102) freiliegt, der Gatebereich zwischen erstem und zweitem . Emitter-

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ORIGINAL INSPECTED

bereich ausgebildet ist und einen streifen- oder scheibenförmigen Teil (341) enthält, von dem ein Teil die Projektion des ersten Emitterbereichs (33) auf die zweite Hauptoberfläche (101) überlappt, durch eine auf der zweiten Hauptoberfläche des Substrats ausgebildete Elektrode (2), und durch Elektroden (3,4),die mit den freiliegenden Teilen des ersten Emitterbereichs (33) und des Gatebereichs (34) verbunden sind, wobei die Konzentration der den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Verunreinigung des Substrats in dem Teil in der Nähe des ersten Emitterbereichs (33) höher ist als in dem Teil des Substrats in der Nähe des zweiten Emitterbereichs (31), und wobei der zwischen den mit dem ersten und zweiten Emitterbereich verbundenen Anschlüssen (4,2) fließende Strom durch den Verarmungsbereich gesperrt wird, der in dem Substrat durch Anlegen der Spannung zwischen den mit dem ersten Emitterbereich und dem Gatebereich verbundene Elektroden gebildet wird.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Störstellenkonzentration in dem streifenförmigen Teil (341) unter 5 x 10¹⁸ cm"³ liegt.

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3- Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß-ein Mittel zur Verkürzung der Lebensdauer der Träger in das Substrat (1) dotiert ist.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Verkürzung der Lebensdauer der Träger aus Goldatomen oder Gitterdeffekten besteht, die durch Bestrahlung des Substrats durch radioaktive Strahlen hervorgerufen sind.

5. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration des Mittels zur Verkürzung der Lebensdauer der Träger in dem Teil des Substrats, der die Projektion des ersten Einitterbereichs (33) auf die zweite Hauptoberfläche (102) des Substrats überlappt, geringer und im anderen Teil des Substrats höher ist.

6. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich des Substrats (1) mit niedriger Störstellenkonzentration die Störstellenkonzentration in dem Teil des Bereichs mit niedriger Störstellenkonzentration in der Nähe des zweiten Emitterbereichs (31) höher und im anderen Teil mit niedriger Störstellenkonzentration geringer ist.

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7. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem zweiten Emitterbereich (31) ein Anschluß (2) ausgebildet ist, wobei z\td.schen zweitem Emitterbereich und dem Anschluß eine polykristalline Halbleiterschicht (100) des zweiten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist.

8. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Gatebereich (34) zu verbindende Anschluß (4) am Boden von Nuten (60) ausgebildet ist, die in die erste Hauptoberfläche (102) eingeschnitten sind, wobei der Boden jeder Nut den streifenförmigen Teil (341) des Gatebereichs (34) erreicht.

9. Mit drei Anschlüssen versehener feldgesteuerter Thyristor, gekennzeichnet durch eine erste Halbleiterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, durch eine zweite Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die angrenzend an die erste Halbleiterschicht ausgebildet ist und mit dieser einen pn-übergang bildet, durch eine dritte Halbleiterschicht mit dem zweiten Leitfähigkeitstyp, die an die zweite Halbleiterschicht angrenzt und deren Störstellenkonzentration höher ist als die der zweiten Halbleiterschicht, durch eine vierte Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, die an die dritte Halbleiter-

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schicht angrenzt und deren Störstellenkonzentration höher ist als die der dritten Halbleiterschicht, durch parallel zu und zwischen der zweiten und dritten Halbleiterschicht ausgebildete Gatebereiche, die mit der zweiten und dritten Halbleiterschicht pn-Übergänge bilden, durch zwei auf den freiliegenden Oberflächen der ersten und vierten Halbleiterschicht ausgebildete Hauptanschlüsse, und durch einen mit den Gatebereichen verbundenen Gateanschluß, wobei der Strom zwischen den Hauptanschlüssen durch die Verarmungsbereiche gesperrt wird, die sich von den zweiten pn-Übergängen in die zweite und dritte Halbleiterschicht ausbreiten, wenn zwischen den Anschluß auf der vierten Halbleiterschicht und den Gateanschluß eine Spannung angelegt wird.

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