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Thyristor mit hoher innerer Zündverstärkung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Ein solcher Thyristor ist beispielsweise aus dem von A. Hoffmann und
K. Stocker bearbeiteten Thyristor-Handbuch, Verlag Siemens AG, Berlin und München,
1965, S. 27 und 28, insbesondere Bild 6.la) bekannt. Der Hilfsemitter besteht dabei
aus einem kreisringförmigen Hilfsemittergebiet, das einen die p-Basisschicht in
der einen Hauptfläche kontaktierenden zentralen Zündkontakt umgibt. Der n-Emitter
weist ebenfalls ein kreisringförmiges Emittergebiet auf, das das Hilfsemittergebiet
umgibt. Bei Thyristoren dieser Art geht jedoch der Zundvorgang vor allem wegen der
Breite des n-Emitters im allgemeinen nicht so schnell vor sich, daß bei einem sehr
schnellen Anstieg des zwischen dem n-Emitter und dem p-Emitter fließenden Laststroms
eine thermische Zerstörung des Thyristors sicher vermieden werden könnte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs
genannten Art anzugeben, bei dem dieser Nachteil nicht auftritt. Das wird erfindungsgemäß
durch eine Ausbildung desselben nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 erreicht.
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Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil liegt insbesondere darin,
daß durch die Aufteilung eines Emitters, des diesem zugeordneten Hilfsemitters und
des Zündkon-
taktes in eine Mehrzahl von Teilstrukturen, die dann
in einer Hauptfläche des Thyristors jeweils so angeordnet sind, daß neben einem
Emittergebiet des n- oder p-Emitters ein diesem zugeordnetes Hilfsemittergebiet
und neben diesem ein zugeordnetes Zündelektrodenteil liegt, eine wesentlich schnellerer
Ablauf des Zündvorgangs erreicht wird als bei dem bekannten Thyristor. Daraus folgt
eine wesentliche Erhöhung der Unempfindlichkeit gegenüber großen Anstiegsgeschwindigkeiten
des Laststroms, d.h. eine wesentliche Erhöhung der dI/dt-Festigkeit des Thyristors.
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Die Patentansprüche 2 bis 9 betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 2 ein zweites
Ausführungsbeispiel, Fig. 3 eine Draufsicht auf den Thyristor nach Fig. 2 und die
Figuren 4 und 5 bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In Fig. 1 ist ein Teil eines Thyristors dargestellt, der einen scheibenförmigen
Körper 1 aus dotiertem Halbleitermaterial, z.B. Silizium, aufweist. Er enthält eine
p-Basisschicht 2, eine von dieser durch einen pn-Ubergang 3 getrennte n-Basisschicht
4 und einen schichtförmigen p-Emitter 5, der in einer Hauptfläche lb des Halbleiterkörpers
mit einem an einen Anodenanschluß gelegten Anodenkontakt 7 versehen ist. Der n-Emitter
besteht aus einer Mehrzahl von n-leitenden Emittergebieten, von denen zwei dargestellt
und mit 8 und 9 be-
zeichnet sind. Jedes dieser Emittergebiete ist
in der Hauptfläche la des Halbleiterkörpers mit einem Kontaktteil 10 bzw. 11 versehen,
das mit einem Kathodenanschluß 12 verbunden ist. Dabei sind auch in den sich nach
links und rechts anschließenden, nicht dargestellten Teilen des Halbleiterkörpers
1 solche Emittergebiete vorgesehen, deren Kontaktteile ebenfalls an den Kathodenanschluß
12 gelegt sind. Die untereinander leitend verbundenen Kontaktteile, z.B. 10 und
11, aller dieser Emittergebiete bilden den Kathodenkontakt des Thyristors.
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An der Hauptfläche la des Halbleiterkörpers 1 ist neben dem n-Emitter
ein Hilfsemitter vorgesehen, der aus einer Mehrzahl von n-leitenden Hilfsemittergebieten
besteht, von denen die Gebiete 13 und 14 in Fig. 1 dargestellt sind. Dabei ist neben
jedem Emittergebiet, z.B. 8, des n-Emitters ein Hilfsemittergebiet, z.B. 13, des
Hilfsemitters angeordnet, das mit einem Elektrodenteil 15 versehen ist, das die
p-Basisschicht 2 an einem Ort 16 kontaktiert, der zwischen dem Hilfsemittergebiet
13 und dem zugeordneten Emittergebiet 8 des n-Emitters liegt.
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Das Elektrodenteil 15 ist hierzu mit einem Ansatz 17 versehen, der
durch eine dünne elektrisch isolierende Schicht 18, z.B. aus SiO2, von der Hauptfläche'la
getrennt ist, und die p-Basisschicht 2 im Bereich eines Fensters 19 der Schicht
18 kontaktiert. In analoger Weise ist neben dem Emittergebiet 9 ein Hilfsemittergebiet
14 vorgesehen, dessen Elektrodenteil 20 die p-Basisschicht an einem Ort 21 kontaktiert.
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Neben jedem der Hilfsemittergebiete, z.B. 13 und 14, sind Zündelektrodenteile,
z.B. 22 und 23, vorgesehen, die die p-Basisschicht 2 in der Hauptfläche la kontaktieren
und an einen gemeinsamen Anschluß 24 gelegt sind. Die Gesamtheit aller Zündelektrodenteile,
z.B. 22 und 23, bildet die Zündelektrode des Thyristors.
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- w w u Q u WE Die Teile 8, 2, 4, 5, 7 und 10 von Fig. 1 gehören
zu einer ersten Thyristorzone Z1, die einen aus den Teilen 13, 2, 4, 5, 7, 15 und
17 bestehenden Hilfsemitter und einen zoneneigenen Zündkontakt 22 aufweist. In analoger
Weise gehören die Teile 9, 2, 4, 5, 7 und 11 zu einer zweiten Thyristorzone Z2,
die einen Hilfsemitter 14, 2, 4, 5, 7 und 20 sowie einen zoneneigenen Zündkontakt
23 enthält.
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Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Emittergebiete
8, 9 usw., die Hilfsemittergebiete 13, 14 usw., und die Zündelektrodenteile 22,
23 usw., jeweils streifenförmig ausgebildet, wobei die Abmessungen dieser Teile
in einer etwa senkrecht zur Bildebene von Fig. 1 verlaufenden Richtung größer sind
als in der Bildebene.
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Auch die Thyristorzonen, z.B. Z1 und Z2, weisen hierbei eine Streifenform
auf.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwischen jeweils
zwei Emittergebieten, z.B. 8 und 9, des n-Emitters ein Hilfsemittergebiet, z.B.
13, angeordnet, dessen Elektrodenteil, z.B. 15, 17, die p-Basisschicht 2 an einem
Ort, z.B. 16, kontaktiert, der zwischen dem Hilfsemittergebiet, z.B. 13, und dem
ersten der beiden n-Emittergebiete, z.B. 8, liegt, wobei ein Zündelektrodenteil,
z.B. 22, zwischen dem Hilfsemittergebiet, z.B.
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13, und dem zweiten der beiden n-Emittergebiete, z.B. 9, angeordnet
ist.
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Mit Vorteil ist die Breite b eines Emittergebiets, z.B. 8, gemessen
in Richtung auf das benachbarte Emittergebiet, z.B. 9, kleiner gewählt als der laterale
Abstand zwischen diesen beiden Emittergebieten, z.B. 8 und 9. In Fig. 1 beträgt
b etwa 1/5 dieses Abstandes. Es hat sich nämlich gezeigt, daß im stromführenden
Zustand eine so starke laterale Auffächerung der jeweils zwischen den n-Emitter-
gebieten
8, 9 usw. und dem p-Emitter 5 auftretenden Strompfade erfolgt, daß bei einer gegebenen
Anzahl von Emittergebieten eine sich aus dieser Bemessung von b ergebende Verringerung
der Hauptfläche la des Thyristors ausgenutzt werden kann, ohne eine nennenswerte
Verringerung des maximal zulässigen Laststroms in Kauf nehmen zu müssen. Insbesondere
kann die Breite b ohne wesentliche Verringerung des maximal zulässigen Laststroms
um etwa eine Größenordnung kleiner gewählt werden als der genannte laterale Abstand.
Bei einem solchen Abstand von z.B.
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100 um kann die Breite b z.B. auf 10 um reduziert werden.
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Die Breite der Hilfsemittergebiete, z.B. 13, wird beim erfindungsgemäßen
Thyristor zweckmäßigerweise der Breite der Emittergebiete, z.B. 8 und 9, angeglichen.
Die Dicke des Thyristors zwischen seinen beiden Hauptflächen la und lb sollte vorzugsweise
größer sein als der halbe laterale Abstand zweier benachbarter Gebiete des n-Emitters,
z.B.
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8 und 9, voneinander.
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Im blockierten Zustand des Thyristors liegt z.B. eine Spannung von
1000 Volt zwischen den Anschlüssen 6 und 12, wobei der Anschluß 6 ein positiveres
Potential aufweist als der Anschluß 12. Führt man über einen an die Anschlüsse 12
und 24 geschalteten Zündstromkreis einen Zündstromimuls Iz zu, so gelangen positive
Ladungsträger aus dem unterhalb des Elektrodenteils 22 liegenden Teil der p-Basisschicht
2 etwa in Richtung des Pfeiles 25 zu dem über den Elektrodenteil 15, 17 positiv
vorgespannten pn-Übergang zwischen den Teilen 2 und 13. Das Hilfsemittergebiet 13
injiziert daraufhin negative Ladungsträger in die p-Basisschicht 2, die in Richtung
auf den p-Emitter 5 transportiert werden und am pn-Übergang 26 eine Injektion von
positiven Ladungsträgern aus dem p-Emitter 5 in die n-Basisschicht 4 bewirken. Die
aus 13 injizierten Ladungsträger bilden zusammen mit den aus dem p-Emitter 5 injizierten
positiven Ladungsträgern eine
w g w v v ~~ sogenannte Speicherladung,
die sich nach dem Abbau der Raumladungszone am pn-Übergang 3 auf die Basisschichten
2 und 4 verteilt. Die lateralen Grenzen dieser Speicherladung werden durch die gestrichelten
Linien 27 und 28 angedeutet, wobei die Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers 1 innerhalb
der Grenzen 27 und 28 wesentlich größer ist als der Grunddotierung der Schichten
2 und 4 entsprechen würde.
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Der hieraus resultierende Strom 1H1 des aus den Teilen 13, 2, 4 und
5 bestehenden Hilfsthyristors bildet einen verstärkten Zündstrom für die Thyristorzone
Z1 und fließt über das Elektrodenteil 15, 17 zum Teilgebiet 16 der p-Basisschicht
2. Damit gelangen positive Ladungsträger aus dem Gebiet 16 längs des Pfeils 29 zum
pn-Übergang zwischen den Teilen 2 und 8. Als Folge davon injiziert das Emittergebiet
8 negative Ladungsträger in die p-Basisschicht 2, die in Richtung auf den p-Emitter
5 transportiert werden und am pn-Übergang 26 eine Injektion von positiven Ladungsträgern
aus dem p-Emitter 5 in die n-Basiszone 4 bewirken. Die aus 8 stammenden negativen
Ladungsträger bilden zusammen mit den aus dem p-Emitter 5 stammenden positiven Ladungsträgern
eine Speicherladung, die sich nach dem Abbau der Raumladungszone am pn-Übergang
3 auf die Basisschichten 2 und 4 verteilt. Die lateralen Grenzen dieser Speicherladung
sind durch gestrichelte Linien 30 und 31 angedeutet, wobei die Leitfähigkeit des
Halbleiterkörpers 1 innerhalb dieser Linien wesentlich größer ist als es der Grunddotierung
der Schichten 2 und 4 entsprechen würde. Der hieraus resultierende Laststromanteil
1L1 der Thyristorzone Z1 setzt sich mit analogen Laststromanteilen, z.B. IL2, der
anderen Thyristorzonen, z.B. Z2, zu einem zwischen den Anschlüssen 6 und 12 fließenden
Laststrom 1L des Thyristors zusammen.
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Von wesentlicher Bedeutung ist hierbei, daß der Zündstromimpuls Iz
in sämtlichen Thyristorzonen, z.B. Z1 und Z2, praktisch gleichzeitig verstärkte
Zündströme 1Hl' 1H2 usw. hervorruft, die die innerhalb der einzelnen Thyristorzonen
praktisch gleichzeitig einsetzende Laststromanteile IL1, 1L2 usw. entstehen lassen.
Das bedeutet aber, daß die Zündung des Thyristors wegen der Verteilung der einzelnen
Thyristorzonen, z.B. Z1 und Z2, auf die ganze Hauptfläche la die letztere praktisch
gleichzeitig erfaßt, so daß ein sehr schneller Ablauf des Zündvorgangs gewährleistet
ist. Auch Lastströme IL mit sehr großen dI/dt-Werten, d.h. mit sehr großer Stromanstiegsgeschwindiskeit,
können damit sicher geschaltet werden.
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Wenn sich die Speicherladungen des Hilfsthyristors einer Thyristorzone,
z.B. Z1, und des in derselben Thyristorzone befindlichen Hauptemitterteils, überlappen,
wie das in Fig. 1 durch die Linien 27, 28 einerseits und 30, 31 andererseits angedeutet
ist, so wird durch den Aufbau der Speicherladung 27, 28 gleichzeitig jeweils ein
Teil der Speicherladung 30, 31 mit aufgebaut. Das bedeutet aber, daß sich der restliche
Aufbau der Speicherladung 30, 31 viel schneller vollzieht, als das ohne diese Überlappung
der Fall wäre. Der Laststromanteil IL1 beginnt also nach dem Auftreten des Zündstromimpulses
1Z wesentlich früher zu fließen als das ohne die Überlappung geschehen würde.
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Der gleiche Effekt ergibt sich auch in denübrigen Thyristorzonen,
deren Speicherladungen sich in gleicher Weise überlappen. Hierdurch ergibt sich
eine weitere Beschleunigung des Zündvorgangs, wobei vorausgesetzt ist, daß die Dicke
des Halbleiterkörpers 1 zwischen den beiden Hauptflächen la und lb größer ist als
der laterale Abstand zwischen einem n-Emittergebiet, z.B. 8, und dem diesem benachbarten
Hilfsemittergebiet, z.B. 13.
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Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem
die gegenseitige Zuordnung zweier benachbarter n-Emittergebiete und der zugehörigen
Hilfsemittergebiete von Fig. 1 abweicht. Die Teile 8, 10, 13 und 15 bis 19 entsprechen
dabei in der gezeigten Querschnittsdarstellung nach Aufbau und gegenseitiger Zuordnung
den in gleicher Weise bezeichneten Teilen von Fig. 1. Das n-Emittergebiet 9 und
das Hilfsemittergebiet 14 sind in Fig. 2 in seitenverkehrter gegenseitiger Zuordnung
vorgesehen und mit 9a und 14a bezeichnet, wobei das mit dem Anschluß 12 verbundene
Kontaktteil des Emittergebiets 9a mit lla und das das Gebiet 14a kontaktierende
Elektrodenteil mit 20a bezeichnet sind. Zwischen jeweils zwei Emittergebieten, z.B.
8 und 9a, sind gemäß Fig. 2 zwei Hilfsemittergebiete, z.B. 13 und 14a, angeordnet,
wobei das Elektrodenteil, z.B. 15, des ersten der beiden Hilfsemittergebiete, z.B.
13, die Basisschicht 2 an einem Ort, z.B. 16, kontaktiert, der zwischen diesem Hilfsemittergeoiet
und dem ersten der beiden Emittergebiete, z.6. 8, liegt, und wobei das Elektrodenteil,
z.B. 20a, des zweiten der beiden Hilfsemittergebiete die p-Basisschicht 2 an einem
Ort, z.B. 32, kontaktiert, der zwischen dem zweiten Hilfsemittergebiet und dem zweiten
der beiden n-Emittergebiete, z.B. 9a, liegt. Zwischen beiden Hilfsemittergebieten,
z.B. 13 und 14a, ist dabei ein einziger Zündelektrodenteil, z.B. 22a, vorgesehen.
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In Fig. 2 sind zwei Thyristorzonen Zla und Z2a angedeutet, die nach
ihrer Funktion den Zonen Z1 und 12 von Fig. 2 entsprechen, sich jedoch in einer
von Fig. 1 abweichenden gegenseitigen Zuordnung befinden.
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Die anhand von Fig. 1 erläuterten Maßnahmen zur Reduzierung der Breite
b der einzelnen n-Emittergebiete, z.B. 8, im Verhältnis zum lateralen Abstand zwischen
zwei einan-
der benachbarten n-Emittergebieten, z.B. 8 und 9a,
sind auch auf die Anordnung nach Fig. 2 anwendbar. Ebenso gilt die oben erwähnte
Bemessungsregel für die Mindestdicke des Halbleiterkörpers 1 zwischen den Hauptflächen
la und lb, die größer sein soll als der halbe laterale Abstand zwischen zwei einander
benachbarten n-Emittergebieten, z.B. 8 und 9a. Für die gleiche Anzahl von Thyristorzonen,
z.B. Zla, Z2a usw., ist nach Fig. 2 eine kleinere Querschnittsfläche erforderlich,
als nach Fig. 1, da jeweils zwei Zündelektrodenteile, z.b. 22 und 23, zu einem gemeinsamen
Zündelektrodenteil, z.B.
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22a, zusammengefaßt sind.
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Nach einer ersten Ausgestaltung der Anordnung nach Fig. 2 sind die
Gebiete 8, 13, 14a und 9a sowie die Teile 10, lla, 15, 17, 20a und 22a streifenförmig
ausgebildet, wobei ihre Abmessungen in einer etwa senkrecht zur Bildebene von Fig.
2 verlaufenden Richtung größer sind als in dieser Bildebene. Eine zweite, bevorzugte
Ausgestaltung ist der in Fig. 3 dargestellten Draufsicht auf den Thyristor nach
Fig. 2 zu entnehmen. Danach weist das n-Emittergebiet 8 in der Hauptfläche la eine
quadratische oder rechteckige Form auf. Das Hilfsemittergebiet 13 verläuft entlang
der Linien eines Quadarates oder Rechteckes und ist in sich geschlossen, so daß
es das Gebiet 8 von allen Seiten umgibt. Das Elektrodenteil 15, 17 hat eine äußere
Begrenzung, die mit dem äußeren Rand des Gebiets 13 zusammenfällt, und eine innere
Begrenzung, die durch eine mit 17 bezeichnete gestrichelte Linie angedeutet ist.
Das Zündelektrodenteil 22a von Fig. 2 stellt dabei einen Teil eines Elektrodengitters
22a bis 22d dar, das in Fig. 3 schraffiert dargestellt ist. In jeder der quadratischen
oder rechteckigen Zwischenräume 33, 33a usw. des Elektrodengitters befindet sich
eine der Thyristorzonen Zla, Z2a usw., wobei auch die den jeweiligen Zwischenraum
umgebenden Teile des Zündelektrodengitters zu der in ihm ange-
ordneten
Thyristorzone gehören. Hieraus ergibt sich ein Zellenkonzept des Thyristors. Die
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den in Fig. 3 dargestellten Thyristor längs
der strichpunktierten Linie II-II.
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Nach einer in Fig. 4 dargestellten Weiterbildung der Erfindung ist
die p-Basisschicht 2 nicht als eine durchgehende Schicht ausgeführt, sondern in
inselförmige Gebiete 2a, 2b usw. aufgeteilt, die die n-Emittergebiete, z.B. 8, und
die Hilfsemittergebiete, z.B. 13, jeweils einzeln umgeben. Das Elektrodenteil, z.B.
15, 17, eines Hilfsemittergebiets, z.B. 13, kontaktiert dabei jeweils das inselförmige
Gebiet, z.B. 2a, das das benachbarte n-Emittergebiet, z.B. 8, umgibt. Hierdurch
wird sichergestellt, daß das Elektrodenteil nicht als eine niederohmige Verbindung
zwischen den Teilen 2b und 13 wirkt und als solche eine positive Vorspannung am
pn-Übergang zwischen diesen Teilen beeinträchtigt. Bei einer gemäß Fig. & erreichbaren
ausgeprägten positiven Vorspannung an diesem pn-Übergang wird der über das Zündelektrodenteil
11 eingespeiste Zündstromimpuls Iz praktisch vollständig dem Hilfsemittergebiet
13 zugeführt (Pfeil 25), was eine große innere Zündverstärkung gewährleistet.
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Fig. 5 zeigt eine andere Weiterbildung der Erfindung, bei der die
p-Basisschicht 2 als eine durchgehende Schicht bestehen bleibt und zwischen jedem
Hilfsemittergebiet, z.B. 13, und dem Teilgebiet, z.B. 16, der p-Basisschicht 2,
an dem das von diesem Hilfsemittergebiet ausgehende Elektrodenteil 15, 17 die Basisschicht
2 kontaktiert, jeweils ein n-leitendes Gebiet 34 eingefügt ist, das sich vorzugsweise
bis zur Hauptfläche la erstreckt. Hierdurch wird ebenfalls verhindert, daß das Elektrodenteil
15, 17 eine so niederohmige Überbrückung des pn-Übergangs zwischen den Teilen 2
und 13 darstellt, daß sich an dem
letzteren keine ausreichende
positive Vorspannung einstellt. Auch bei der Anordnung nach Fig. 5 wird der über
den Zündkontaktteil 11 eingespeiste Zündstromimpuls Iz praktisch vollständig dem
Hilfsemittergebiet 13 zugeführt (Pfeil 25), so daß eine hohe innere Zündverstärkung
erhalten wird.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den Figuren 1 und 2 ist es zur
Erzielung einer hinreichend hohen positiven Vorspannung an den pn-Übergängen zwischen
den Teilen 2 und 13, 2 und 14, 2 und 14a usw., zweckmäßig, die Elektrodenteile 15
bzw. 20 oder 20a so weit zu verlängern, daß die durch sie kontaktierten Teilgebiete
16, 21, 32 usw. der p-Basisschicht 2 ein Potential aufweisen, das hinreichend negativ
ist gegenüber dem Potential der p-Basisschicht 2 in der unmittelbaren Umgebung der
Hilfsemittergebiete 13, 14, 14a usw., von denen die Elektrodenteile ausgehen.
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Neben den bisher beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind
auch solche von Interesse, bei denen die bisher genannten Halbleitergebiete jeweils
durch solche des entgegegesetiten Leitfähigkeitstyps ersetzt sind, wobei anstelle
der bisher genannten Spannungen bzw.
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Ströme solche des jeweils entgegengesetzten Vorzeichens verwendet
werden. In diesen Fällen stellt der Anschluß 12 dann den Anodenanschluß dar, der
Anschluß 6 den Kathodenanschluß.
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9 Patentansprüche 5 Figuren