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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Ausbildung bidirektionaler Schalter
mittlerer Leistung in monolithischer Form.
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Die
häufigsten
statischen bidirektionalen Schalter sind die Triacs. Ein Triac entspricht
der Vereinigung von zwei Thyristoren in antiparalleler Anordnung.
Das Triac kann daher direkt an ein Wechselstromnetz angeschlossen
werden, beispielsweise das allgemeine Stromnetz. Das Gate eines
herkömmlichen
Triac entspricht dem Kathodengate wenigstens eines der beiden Thyristoren,
die das Triac bilden, und ist auf die an der Vorderseite des Triac gelegene
Elektrode bezogen, d. h. die Seite, welche den Gate-Anschluss aufweist,
während
die andere Seite des Triac üblicherweise
mit einem Kühlradiator und
mit Masse verbunden ist.
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Im
folgenden werden näherhin
bidirektionale Schalter des Typs in Betracht gezogen, der in der
Europäischen
Patentanmeldung Nr. 0 817 277 beschrieben ist, dessen Triggerung
durch Anlegen einer Spannung zwischen einer an der Vorderseite des Bauteils
gelegenen Steuerelektrode und einer an der gegenüberliegenden Seite des Bauteils
gelegenen Hauptelektrode gewährleistet
wird.
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1 zeigt
ein elektrisches Ersatzschaltbild eines derartigen bidirektionalen
Schalters. Eine Steuerelektrode G des bidirektionalen Schalters
ist mit dem Emitter eines bipolaren Transistors T verbunden, dessen
Kollektor mit den Anodengates des ersten und des zweiten Thyristors
Th1 und Th2 verbunden ist, die zwischen zwei Anschlüssen A1
und A2 in antiparalleler Anordnung liegen. Der Anschluss A1 entspricht
der Anode des Thyristors Th1 und der Kathode des Thyristors Th2.
Der Anschluss A1 ist auch mit der Basis des Transistors T verbunden.
Der Anschluss A2 entspricht der Anode des Thyristors Th2 und der
Kathode des Thyristors Th1.
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2 ist
eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels in monolithischer
Form des in Verbindung mit 1 beschriebenen
bidirektionalen Schalters. Der Transistor T ist im linken Teil der
Figur ausgebildet, der Thyristor Th1 in der Mitte und der Thyristor
Th2 im rechten Teil.
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Das
Gebilde von 2 ist ausgehend von einem schwach
dotierten Halbleitersubstrat 1 vom N-Typ ausgebildet. Die
Anode des Thyristors Th1 entspricht einer an der Rück- bzw.
Unterseite des Substrats 1 ausgebildeten Schicht 2 vom
P-Typ. Seine Kathode entspricht einem an der Vorderseite in einem
Kasten bzw. Graben 4 vom P-Typ ausgebildeten Bereich 3 vom
N-Typ. Die Anode des Thyristors Th2 entspricht einem an der Vorderseite
ausgebildeten Graben bzw. Kasten bzw. Wanne 5 vom P-Typ,
seine Kathode entspricht einem auf der Rückseite in der Schicht 2 ausgebildeten
Bereich 6 vom N-Typ. Der Umfang des Strukturgebildes wird
von einem stark dotierten Bereich 7 vom P-Typ gebildet,
der sich von der Vorderseite bis zur P-Typ-Schicht 2 erstreckt. In herkömmlicher
Weise erhält
man den Bereich 7 durch tiefe Diffusion, ausgehend von
den beiden Oberflächen
des Substrats. Die Hinter- bzw. Unterseite ist mit einer Metallisierung
M1 überzogen,
welche dem ersten Anschluss A1 des bidirektionalen Schalters entspricht.
Die jeweiligen Oberseiten der Bereiche 3 und 5 sind
mit einer zweiten Metallisierung M2 überzogen, welche dem zweiten
Anschluss A2 des bidirektionalen Schalters entspricht. Ein Bereich 8 vom
N-Typ ist an der Vorderseite in einem Kasten bzw. Graben 9 vom
P-Typ ausgebildet, in Kontakt mit dem Umfangsbereich 7.
Die Oberfläche des
Bereichs 8 ist fest mit einer Metallisierung M3 verbunden,
die mit dem Steueranschluss G des bidirektionalen Schalters verbunden
ist. Über
der Oberseite des Umfangsbereichs 7 kann eine Metallisierung
M4 ausgebildet sein. Die Metallisierung M4 ist nicht mit einem äußeren Anschluss
verbunden. Als mögliche
Abwandlung kann der Kasten bzw. Graben 9 von dem Umfangsbereich 7 getrennt
sein und elektrisch mit diesem über
die Metallisierung M4 verbunden sein.
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Die
Arbeits- und Funktionsweise dieses bidirektionalen Schalters ist
wie folgt.
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Ist
der Anschluss A2 negativ relativ bezüglich dem Anschluss A1, so
ist es der Thyristor Th1, der leitend sein kann. Legt man an den
Anschluss G eine hinreichend negative Spannung relativ bezüglich der Metallisierung
M1 an, ist der Basis-Emitter-Übergang des
Transistors T in Durchlassrichtung vorgespannt und dieser Transistor
wird leitend. Es fließt
daher ein in 2 gestrichelt dargestellter
vertikaler Strom ic von der Metallisierung
M1 über
den in Durchlassrichtung vorgespannten PN-Übergang zwischen der Schicht 2 und
dem Substrat 1 und sodann in die Bereiche 1, 9 und 8 entsprechend
dem Transistor T. Es kommt daher zu einer Erzeugung von Ladungsträgern auf
dem Niveau des Übergangs
zwischen dem Substrat 1 und dem Graben bzw. Kasten 9 nahe
dem PN-Übergang
zwischen dem Substrat 1 und dem Graben bzw. Kasten 4,
und der Thyristor Th1 wird in den leitenden Zustand versetzt. Man
kann es auch so betrachten, dass man eine Triggerung eines vertikalen
Hilfsthyristors NPNP bewirkt hat, welcher die Bereiche 8-9-1-2 umfasst,
dessen Bereich 9 den Kathodengate-Bereich darstellt.
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Ebenso
wird in dem Fall, wenn der Anschluss A2 positiv relativ bezüglich dem
Anschluss A1 ist, durch Anlegen einer negativen Spannung an den
Anschluss G der Transistor T leitend gemacht. Die benachbart dem Übergang
zwischen dem Substrat 1 und der Schicht 2 vorliegenden
Ladungsträger haben
den Übergang
des Thyristors Th2 in den leitenden Zustand zur Folge, was durch
die schematische Draufsicht von 4 noch besser
verständlich wird,
in welcher man erkennt, dass der dem Transistor T entsprechende
Bereich benachbart einem Bereich jedes der Thyristoren Th1 und Th2
ist.
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Die
Erfahrung zeigt, dass dieser Typ eines bidirektionalen Schalters
eine nicht-optimale Steuerempfindlichkeit besitzt, d. h. insbesondere,
dass der zum Triggern des Thyristors Th1 erforderliche Strom mehrere
hundert mA beträgt.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer neuen Realisierung
in monolithischer Form eines bidirektionalen Schalters des oben erwähnten Typs,
der eine höhere
Steuerempfindlichkeit des Thyristors Th1 aufweist.
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Zur
Erreichung dieses Ziels sieht die vorliegende Erfindung einen monolithischen
bidirektionalen Schalter gemäß Anspruch
1 vor.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zusätzliche
Bereich aus einem Halbleitermaterial vom ersten Leitfähigkeitstyp
besteht.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Dicke des zusätzlichen
Bereichs kleiner als die der Rückseitenschicht
des zweiten vertikalen Hauptthyristors ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der zusätzliche
Bereich aus einem Siliziumoxid besteht.
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Diese
sowie weitere Ziele, Gegenstände,
Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden in der folgenden nichteinschränkenden Beschreibung spezieller
Ausführungsbeispiele
im einzelnen auseinandergesetzt, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren;
in diesen zeigen:
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1 ein
elektrisches Schaltbild eines herkömmlichen bidirektionalen Schalters,
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2 in
schematischer Schnittansicht eine herkömmliche Ausführungsform
des bidirektionalen Schalters von 1,
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3 in
schematischer Schnittansicht eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden
Erfindung für
den bidirektionalen Schalter aus 1 sowie
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4 in
Draufsicht ein Beispiel des bidirektionalen Schalters aus 3.
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Aus
Gründen
der Klarheit und Übersichtlichkeit
sind in den verschiedenen Zeichnungsfiguren gleiche Elemente mit
denselben Bezugszeichen bezeichnet. Außerdem sind, wie dies bei der
Darstellung integrierter Schaltungen üblich ist, die 2, 3 und 4 nicht
maßstabsgerecht.
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3 zeigt
in schematischer Schnittansicht eine Ausführungsform eines monolithischen
bidirektionalen Schalters gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die Struktur der verschiedenen in dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildeten
Zonen stimmt mit der in 2 dargestellten überein.
Der Unterschied zwischen den beiden Figuren besteht darin, dass
an der Rückseite zwischen
der Schicht 2 und der Metallisierung M1 ein Bereich 10 mit
einer Isolierfunktion vorgesehen ist, im wesentlichen unterhalb
dem erwähnten
vertikalen Hilfsthyristor. Dies geht auch aus 4 hervor,
in welcher der Umriss des Bereichs 10 durch eine gestrichelte
Linie im unteren linken Bereich der Figur gezeichnet ist. Die in 4 nicht
dargestellte Schicht 6 nimmt die gesamte Unterseite ein
mit Ausnahme der unterhalb dem Kasten 4 vom P-Typ gelegenen Zone
und der durch den Bereich 10 eingenommenen Oberfläche.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung besteht der Bereich 10 aus einem dotierten
Halbleitermaterial vom N-Typ.
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Die
Arbeits- und Wirkungsweise des bidirektionalen Schalters bleibt
im wesentlichen ähnlich
der zuvor in Verbindung mit 2 beschriebenen.
Jedoch ist der Basisstrom ib des Transistors
T, der von der Metallisierung M1 zu dem Bereich 8 führt, nunmehr
durch das Vorhandensein des Bereichs 10 abgelenkt, gemäß dem Verlauf
ib in 3.
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Der
Hauptstrom des vertikalen Hilfsthyristors wird ebenfalls abgelenkt,
wie die Pfeile ic zeigen. Man erkennt, dass
man durch Änderung
der Abmessungen des Bereichs 10 den Verlauf des Stroms
ic benachbart den Zonen, wo er am wirksamsten
die Triggerung des Thyristors Th1 hervorrufen kann, d. h. nahe der
Grenze des Grabens bzw. Kastens 4, begünstigt.
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Die
von der Anmelderin durchgeführten
Versuche haben gezeigt, dass der Triggerstrom des Thyristors Th1
minimiert wird, wenn der Bereich 10 sich bis zur Ausrichtung
mit dem Kasten bzw. Graben 4 vom P-Typ erstreckt, in welchem
der die Kathode des Thyristors Th1 bildende Bereich 3 vom
N-Typ ausgebildet ist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung muss die Dicke des Bereichs 10 hinreichend dünn sein,
um anfänglich
die Triggerung des Transistors T durch den Stromfluss ib von
der Schicht 2 zum Bereich 8 über den Umfangsbereich 7 zu
ermöglichen.
Tatsächlich hat,
wenn der Bereich 10 zu dick ist, die verbleibende Dicke
der Schicht 2 zwischen diesem Bereich 10 und dem
Substrat 1 die Existenz eines zu hohen Widerstands zur
Folge, der sich dem Stromfluss des Basisstroms ib widersetzt.
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In
der Praxis soll die Dicke des Bereichs 10 kleiner als die
der Schicht 6 sein. Tatsächlich bildet die Schicht 6 die
Kathode des Thyristors Th2 und ihre Dicke wird durch die charakteristischen
Eigenschaften, insbesondere den Triggerstrom allein dieses Thyristors,
festgelegt. Die Dicke der Schicht 6 hat beispielsweise
einen Wert in der Größenordnung
von 10 bis 15 μm,
während
die Dicke des Bereichs 10 so klein wie möglich gemacht
wird.
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Gemäß einer
abgewandelten Ausführung der
vorliegenden Erfindung besteht der Bereich 10 aus einem
Isoliermaterial, vorzugsweise aus Siliziumoxid (SiO2).
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung verschiedenen Abwandlungen und Änderungen
zugänglich,
welche sich für
den Fachmann in den durch die Ansprüche definierten Grenzen ergeben.
Insbesondere eignet sich, innerhalb dieser Grenzen, die vorliegende
Erfindung für
jede monolithische Ausführung
des bidirektionalen Schaltergebildes oder eines Netzes von bidirektionalen
Schaltern ähnlich
dem in 1 dargestellten. Außerdem könnten sämtliche Leitfähigkeitstypen
umgekehrt werden, wobei dann die Vorspannpolaritäten in entsprechender Weise
geändert
würden.