DE69533996T2

DE69533996T2 - Thyristor und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69533996T2
Application number: DE69533996T
Authority: DE
Inventors: Katsumi Nishi-ku Satoh; Kenichi Nishi-ku Honda; Kazuhiko Nishi-ku Niwayama
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-02-24
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2015-02-21
Also published as: EP0669659A3; EP1267414A2; EP0669659B1; JP3299374B2; EP1267414B1; EP1267414A3; JPH07235664A; DE69530633T2; US5637886A; EP0669659A2; DE69533996D1; DE69530633D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor und ein Verfahren zum Herstellen desselben, und sie bezieht sich insbesondere auf einen Thyristor mit einer Ausgleichsstruktur zum Verbessern eines dv/dt-Widerstands und ein Verfahren zum Herstellen desselben.
Hintergrund der Erfindung
Mit einem Anstieg in Spannung und Kapazität eines Thyristors bzw. Thyristor-Absperrorgans, welcher auf einen Wandler wie etwa einen Energiewandler zur Gleichenergieübertragung oder einen reaktiven Leistungskompensator angewendet wird, besteht ein starkes Bedürfnis, einen bestehenden Thyristor durch einen optischen Trigger-Thyristor zu ersetzen. Wenn ein optischer Trigger-Thyristor auf einen solchen Wandler angewendet wird, ist es möglich, eine elektrische Isolierung zwischen einem Hauptkreis und einem Steuerkreis sowie einen Rauschwiderstand ebenso zu verbessern wie das Steuersystem zu vereinfachen, wodurch ein Bauelement in vorteilhafter Weise verkleinert, im Gewicht reduziert und in der Zuverlässigkeit verbessert werden kann.
Im Vergleich mit einer elektrischen Triggerenergie ist jedoch eine derzeit verfügbare optische Triggerenergie derart schwach, daß es erforderlich ist, eine Lichtempfindlichkeit eines optischen Trigger-Thyristors hinsichtlich einer Gate-Empfindlichkeit eines elektrischen Trigger-Thyristors auf ein Vielzehnfaches zu erhöhen. Wenn jedoch die Gate-Empfindlichkeit erhöht wird, neigt der Thyristor dazu, im Ansprechen auf ein steil ansteigendes Spannungsrauschen wie etwa einen Blitzstoß, welcher von der Hauptkreisseite aus zugemischt wird, zu arbeiten. Eine zulässige Spannungsaufbaurate, die keine Fehlfunktion auf ein Anlegen einer Überspannung hin hervorruft, wird dv/dt-Widerstand bzw. dv/dt-Festigkeit genannt. Wenn der Bereich eines Licht empfangenden Abschnitts eines optischen Trigger-Thyristors zum Reduzieren eines Verschiebungsstroms, welcher in diesem Bereich erzeugt wird, reduziert wird, ist es möglich, den dv/dt-Widerstand ohne Abstriche hinsichtlich der Lichtempfindlichkeit zu erhöhen. In diesem Fall führt jedoch ein Leitungsbereich in einer durchschaltenden (zündenden) Erststufe zu einer Verminderung eines Widerstands (genannt di/dt-Widerstand bzw. dv/dt-Festigkeit) gegen einen schnell ansteigenden Durchlaßstrom, welcher in der durchschaltenden Erststufe erzeugt wird. Daher besteht die wichtigste technische Aufgabe darin, einen optischen Trigger-Thyristor zu implementieren, welcher ohne Opferung grundsätzlicher Thyristor-Eigenschaften wie etwa des dv/dt-Widerstands und des di/dt-Widerstands eine hohe Lichtempfindlichkeit aufweist.
<Stand der Technik, Aufbau>
75 ist eine Schnittansicht, welche einen herkömmlichen optischen Thyristor zeigt, der in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 1-36712 (1989) offenbart ist. Mit Bezug auf 75 sind Anordnungen von Elektroden und dergleichen zum Zwecke der Darstellung des Arbeitsprinzips korrigiert. Eine korrektere Schnittansicht ist in 78 gezeigt, wie später beschrieben. 76 ist eine vergrößerte Schnittansicht, welche einen Abschnitt zeigt, der sich nahe einer Kathodenelektrode des in 75 gezeigten optischen Thyristors befindet.
Bei dieser herkömmlichen Vorrichtung sind insgesamt vier Stufen von Einheitsthyristoren einschließlich Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ einer ersten bis dritten Stufe und ein Hauptthyristor MT parallel zueinander auf einem Halbleitersubstrat angeordnet, welches vier gestapelte Halbleiterschichten einschließlich einer P-Emitterschicht 2004, einer N-Basisschicht 2003, einer P-Basisschicht 2002 und N-Emitterschichten (d.h. einer Hauptemitterschicht 2001 und Hilfsemitterschichten 2005a bis 2005c) aufweist. Die P-Emitterschicht 2004 und die P-Basisschicht 2002 liegen jeweils an oberen und unteren Hauptoberflächen des Halbleitersubstrats frei. Die Hilfsemitterschichten 2005a bis 2005c, welche jeweils die Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ ausbilden, und die Hauptemitterschicht 2001, welche den Hauptthyristor MT ausbildet, sind auf einem Abschnitt der oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 2002 selektiv so ausgebildet, daß sie durch die P-Basisschicht 2002 voneinander getrennt sind.
Eine Kollektorelektrode 2007 (Sd) ist so ausgebildet, daß sie mit einer oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 2006, welche an die Hauptemitterschicht 2001 angrenzt, elektrisch verbunden ist. Die Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ sind so ausgebildet, daß sie von der Kollektorelektrode 2007 umgeben sind. Bei dem Hilfsthyristor ST₁ ist die N-Emitterschicht 2005a ringförmig um einen Licht-empfangsabschnitt 2014 (G₁) vorgesehen, während eine Emitterelektrode 2010a (E₁) auf einer oberen Hauptoberfläche der N-Emitterschicht 2005a so ausgebildet ist, daß sie mit derselben elektrisch verbunden ist. Bei den Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ sind andererseits Emitterelektroden 2010b (E₂) und 2010c (E₃) auf oberen Oberflächen der Emitterschichten 2005b bzw. 2005c ausgebildet, während Gateelektroden 2011a (G₂) und 2011b (G₃) auf der oberen Oberfläche der P-Basisschicht 2002 so ausgebildet sind, daß sie jeweils mit derselben elektrisch verbunden sind. Unter diesen ist die Emitterelektrode 2010c des Hilfsthyristors ST₃ mit der Kollektorelektrode 2007 integral ausgebildet.
Ferner sind die Gateelektroden 2011a und 2011b der Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ jeweils durch Verdrahtungsschichten 2012a und 2012b aus Al-Drähten oder dergleichen mit den Emitterelektroden 2010a und 2010b der Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂ der Vorgängerstufe elektrisch verbunden. Daher empfangen die Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ der jeweiligen Stufe Einschalt- bzw. Durchschaltströme, welche durch die Emitterelektroden 2010a und 2010b der Hilfsthyristoren ST₁ bzw. ST₂ der Vorgängerstufe als Gateströme fließen, wodurch Einschalt- bzw. Durchschaltvorgänge ausgeführt werden. Eine Anodenelektrode 2009 (A) und eine Kathodenelektrode 2008 (K) sind auf einer unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 2004 bzw. einer oberen Hauptoberfläche der Hauptemitterschicht 2001 so angeordnet, daß sie damit elektrisch verbunden sind. Die Hauptemitterschicht 2001 ist mit einer Anzahl von Durchgangslöchern versehen, welche mit der P-Basisschicht 2002, d.h. Kurzschlußabschnitten 2013, gefüllt sind. Die Kathodenelektrode 2008 bedeckt auch obere Hauptoberflächen der Kurzschlußabschnitte 2013, wodurch sie nicht nur mit der Hauptemitterschicht 2001, sondern auch mit der P-Basisschicht 2002 kurzgeschlossen ist.
<Stand der Technik, Betriebsweise>
Im Gebrauch ist der Thyristor mit dem vorgenannten Aufbau mit einer externen Energiequelle (nicht gezeigt) so verbunden, daß eine positive Spannung über die Anodenelektrode 2009 und der Kathodenelektrode 2008 angelegt ist. Wenn ein optisches Gatesignal hν in diesem Zustand an den Lichtempfangsabschnitt 2014 angelegt wird, wird ein Fotostrom Iph hauptsächlich in einer Verarmungs schichtregion einer zentralen Grenzfläche des Hilfsthyristors ST₁ erzeugt. Der Fotostrom Iph fließt, wie er erzeugt wird, in die P-Basisschicht 2002. Dieser Fotostrom Iph fließt in Querrichtung in die P-Basisschicht 2002, um durch die Kollektorelektrode 2007, welche auf der oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 2002 vorgesehen ist, hindurchzutreten, und fließt danach durch die Kurzschlußabschnitte 2013, welche zwischen der P-Basisschicht 2002 und der Kathodenelektrode 2008 vorgesehen sind, in die Kathodenelektrode 2008. Infolgedessen verursacht der Fotostrom Iph eine Potentialdifferenz in Querrichtung in einer Region der P-Basisschicht 2002, welche durch den Hilfsthyristor ST₁ besetzt ist, wodurch die N-Emitterschicht 2005a des Hilfsthyristors ST₁ vorwärts bzw. in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Wenn die größte Potentialdifferenz der Vorwärtsvorspannung den Wert eines Diffusionspotentials an der Grenzfläche zwischen der N-Emitterschicht 2005a und der P-Basisschicht 2002 erreicht, wird eine Elektroneninjektion von der N-Emitterschicht 2005a in die P-Basisschicht 2002 abrupt erhöht, um den Hilfsthyristor ST₁ von der Grenzfläche aus durchzuschalten.
Der Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₁ wird der Gateelektrode 2011a des Hilfsthyristors ST₂ durch die Verdrahtungsschicht 2012 als ein Gatestrom zugeführt, wodurch der Hilfsthyristor ST₂ durchgeschaltet wird. Der Hilfsthyristor ST₃ wird ebenfalls durchgeschaltet, und der Durchschaltstrom fließt daher durch die Kurzschlußabschnitte 2013 von der Kollektorelektrode 2007 zu der Kathodenelektrode 2008. Zu dieser Zeit fungiert der Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₃ als ein Gatestrom für den Hauptthyristor MT.
Der Durchschaltstrom für die Hilfsthyristoren wird in Proportion zu der Anzahl der Stufen nacheinander erhöht.
Daher ist der Gatestrom für den Hauptthyristor MT bei weitem größer als der zuvor genannte Fotostrom Iph, um eine hinreichend große Vorwärtsvorspannung an die Hauptemitterschicht 2001 anzulegen. Inzufolgedessen wird der Hauptthyristor MT durchgeschaltet, wodurch ein Hauptstrom von der Anodenelektrode 2009 zu der Kathodenelektrode 2008 fließt.
Es werde angenommen, daß ein Spannungsrauschen mit einer großen Spannungsänderungsrate, d.h. einem großen dv/dt-Wert, über die Anodenelektrode 2009 und die Kathodenelektrode 2008 angelegt wird. Zu dieser Zeit werden Verschiebungsströme I₁ bis I₃ und I_m entsprechend Sperrschichtkapazitäten C₁ bis C₃ und C_m in den jeweiligen Thyristoren von P/N-Übergängen, die zwischen der N-Basisschicht 2004 und der P-Basisschicht 2002 ausgebildet sind, erzeugt. Die Verschiebungsströme I₁ bis I₃, welche im Ansprechen auf die Sperrschichtkapazitäten C₁ bis C₃ der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ erzeugt werden, fließen jeweils in Querrichtung in der P-Basisschicht 2002 in Richtung der Kollektorelektrode 2007, werden in der Kollektorelektrode 2007 gesammelt und fließen hiernach durch die Kurzschlußabschnitte 2013 in die Kathodenelektrode 2008. Wie in 76 in vergrößerter Weise gezeigt, verbindet sich ein Verschiebungsstrom, welcher in der Sperrschichtkapazität C_m des Hauptthyristors MT erzeugt wird, mit den Verschiebungsströmen I₁ bis I₃ zum Ausbilden des Verschiebungsstroms I_m, welcher wiederum von den Kurzschlußabschnitten 2013 aus in die Kathodenelektrode 2008 fließt. D.h., die Verschiebungsströme I₁ bis I₃ und I_m fließen durch die gleichen Wege wie die Triggerströme wie etwa der Fotostrom und die Gateströme.
Die Verschiebungsströme I₁ bis I₃ bewirken in Abschnitten der P-Basisschicht 2002, welche jeweils unter den Hilfsemitterschichten 2005a, 2005b und 2005c der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ gelegen sind, Potentialdifferenzen in Querrichtung. In ähnlicher Weise bewirkt der Verschiebungsstrom I_m in einem Abschnitt der P-Basisschicht 2002, welcher sich unter der Hauptemitterschicht 2001 befindet, eine Potentialdifferenz in Querrichtung. Infolgedessen werden Potentiale der Abschnitte der P-Basisschicht 2002, welche sich entlang den Bodenflächen der N-Emitterschichten 2005a, 2005b, 2005c und 2001 befinden, entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁ bis I₃ und I_m geändert. Eine Spannung über einem Abschnitt der P-Basisschicht 2002 mit dem höchsten Potential, welcher sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 2005 und der Kollektorelektrode 2007 befindet, wird durch das Produkt eines Widerstands R₁ des Abschnitts der P-Basisschicht 2002, welche sich entlang des Wegs des Verschiebungsstroms I₁ befindet, mit dem Verschiebungsstrom I₁ geliefert. Falls der Verschiebungsstrom I₂ nicht vorliegt, hat diese Spannung die Funktion, den P/N-Übergang zwischen der Hilfsemitterschicht 2005a und dem Abschnitt der P-Basisschicht 2002, welcher sich unmittelbar unter derselben befindet, so vorwärts vorzuspannen, daß der Hilfsthyristor ST₁ durchgeschaltet wird, wenn die Spannung dieser Vorwärts-Vorspannung das Diffusionspotential des Übergangs erreicht. Insbesondere bewirkt der Verschiebungsstrom I₁ ein anormales Durchschalten (eine anormale Zündung) des Hilfsthyristors ST₁.
In ähnlicher Weise wird die Spannung über dem Abschnitt der P-Basisschicht 2002 mit dem höchsten Potential, welcher sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 2005b und der Kollektorelektrode 2007 befindet, durch das Produkt eines Widerstands R₂ der P-Basisschicht 2002, welche sich entlang des Wegs des Verschiebungsstrom I₂ befindet, mit dem Verschiebungsstroms I₂ geliefert. Falls der Verschiebungsstrom I₃ nicht vorliegt, fungiert diese Spannung so, daß sie den P/N-Übergang zwischen der Hilfsemitterschicht 2005b dem Abschnitt der P-Basisschicht 2002, welcher sich unmittelbar unter derselben befindet, vorwärts vorspannt, so daß der Hilfsthyristor ST₂ durchgeschaltet wird, wenn die Spannung dieser Vorwärts-Vorspannung das Diffusionspotential des Übergangs erreicht.
In ähnlicher Weise wird die Spannung über dem Abschnitt der P-Basisschicht 2002 mit dem höchsten Potential, welcher sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 2005c und der Kollektorelektrode 2007 befindet, durch das Produkt eines Widerstands R₃ der P-Basisschicht 2002 entlang dem Weg des Verschiebungsstroms I₃ mit dem Verschiebungsstrom I₃ geliefert. Wie in 76 in einer vergrößerten Weise gezeigt, wird die Spannung über dem Abschnitt der P-Basisschicht 2002 mit dem höchsten Potential, welcher sich unmittelbar unter der Hauptemitterschicht 2001 und der Kathodenelektrode 2008 befindet, durch das Produkt eines Widerstands R_m der P-Basisschicht 2002 entlang dem Weg des Verschiebungsstroms I_m mit dem Versschiebungsstrom I_m geliefert.
77 ist ein Schaltbild, welches in äquivalenter Weise eine Schaltung ausdrückt, welche auf ein Verhalten der Verschiebungsströme I₁ bis I₃ und I_m bezogen ist. Dioden D₁ bis D₃ und D_m drücken jeweils die P/N-Übergänge zwischen den N-Emitterschichten 2005a, 2005b, 2005c und 2001 und den Abschnitten der P-Basisschicht 2002, welche hieran angrenzen, aus. Die Dioden D₁ bis D₃ und D_m sind so ausgedrückt, daß dieselben in dieser Reihenfolge seriell verbunden sind, und dies spiegelt die Tatsache wieder, daß die Emitterelektroden der Einheitsthyristoren einer jeweiligen Stufe mit den Gateelektroden der nächsten Stufe verbunden sind.
Wie in diesem Schaltbild gezeigt, ist die durch das Produkt des Verschiebungsstroms I₁ mit dem Widerstand R₁ gebildete Spannung nicht als solche als eine Vorspannung in Durchlaßrichtung an die Diode D₁ angelegt, sondern um die durch das Produkt des Verschiebungsstroms I₂ mit dem Widerstand R₂ gebildete Spannung abgeschwächt. In ähnlicher Weise ist an die Diode D₂ als eine Vorwärtsspannung eine Spannung angelegt, welche die durch Subtrahieren der durch das Produkt des Verschiebungsstroms I₃ mit dem Widerstand R₃ erhaltene Spannung von der durch das Produkt des Verschiebungsstroms I₂ mit dem Widerstand R₂ gelieferten erhalten wird. Insbesondere unterdrückt dieser optische Thyristor aufgrund der Wirkung der in geeigneter Weise angeordneten Kollektorelektrode 2007 eine durch die Verschiebungsströme hervorgerufene anormale Zündung der Einheitsthyristoren ST₁ und ST₂ der Eingangsstufe und der zweiten Stufe.
Es ist auch möglich, die Spannungen einer Vorspannung in Durchlaßrichtung, die an die Dioden D₁ und D₂ angelegt sind, durch geeignetes Festlegen der Werte der Widerstände R₁ bis R₃ im wesentlichen auszulöschen. Die Widerstände R₁ bis R₃ und R_m entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁ bis I₃ und I_m entsprechen im wesentlichen Querwiderständen der Abschnitte der P-Basisschicht 2002, welche sich jeweils unmittelbar unter den N-Emitterschichten 2005a, 2005b, 2005c und 2001 befinden. Daher ist es möglich, durch geeignetes Steuern der Querwiderstände in diesen Abschnitten der P-Basisschicht 2002 eine anormale Zündung der Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂ der Eingangsstufe und der zweiten Stufe wirksam zu unterdrücken. Somit implementiert dieser optischer Thyristor einen hohen dv/dt-Widerstand.
<Stand der Technik, Elektrodenaufbau>
78 und 79 sind eine geschnittene Vorderansicht und eine Draufsicht der in 75 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung. Diese Figuren stellen die Anzahl von Stufen der Hilfsthyristoren wie auch Anordnung und Strukturen der Elektroden entlang dem vorgenannten Blatt korrekt dar. Insbesondere weist diese herkömmliche Vorrichtung insgesamt Einheitsthyristoren von sechs Stufen auf, einschließlich fünf Stufen von Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₅ und einen Hauptthyristor MT, wie in diesen Figuren gezeigt. Das Halbleitersubstrat weist eine gestapelte Struktur einer P-Emitterschicht 3021, einer N-Basisschicht 3022, einer P-Basisschicht 3023 und N-Emitterschichten 3024a bis 3024f auf, und die N-Emitterschichten 3024a bis 3024f bilden jeweils die Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₅ und den Hauptthyristor MT aus. Emitterelektroden 3027 bis 3031 (E₁ bis E₅) der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₅ sind jeweils auf den N-Emitterschichten 3024a bis 3024e vorgesehen, während eine Kathodenelektrode 3037 (K) auf der Hauptemitterschicht 3024f vorgesehen ist. Eine Anodenelektrode 3028 (A) ist auf einer unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 3021 vorgesehen.
Ferner ist eine Kollektorelektrode 3025 (Sd) auf der P-Basisschicht 3023 vorgesehen, und die Emitterelektrode 3031 des Hilfsthyristors ST₅ ist mit der Kollektorelektrode 3025 integral ausgebildet. Gateelektroden 3032 bis 3035 (G₂ bis G₅) der Hilfsthyristoren ST₂ bis ST₅ sind auf der P-Basisschicht 3023 so ausgebildet, daß diese Gateelektroden 3032 bis 3035 durch Aluminiumdrähte 3036 jeweils mit den Emitterelektroden der Hilfsthyristoren der Vorgängerstufe elektrisch verbunden sind. Ferner ist der Hilfsthyristor ST₁ der Eingangsstufe mit einem Licht empfangenden Abschnitt 3026 ausgestattet.
Die Kollektorelektrode 3025, welche auch als eine Gateelektrode des Hauptthyristors MT dient, ist so ange ordnet, daß sie mit der Kathodenelektrode 3027 umgeben ist, um eine normale Zündung des Hauptthyristors MT wirksam zu implementieren (siehe 79). Ferner sind die Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₅ innerhalb der Kollektorelektrode 3025 so angeordnet, daß sie jeweils unabhängig mit der Kollektorelektrode 3025 umgeben sind. Daher sind Wege von Verschiebungsströmen I₁ bis I₅ (nicht gezeigt), welche in den jeweiligen Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₅ erzeugt werden, wirksam voneinander getrennt. Nachdem die Wege der Verschiebungsströme I₁ bis I₅ voneinander getrennt sind, ist es möglich, Vorspannungen in Durchlaßrichtung, welche aufgrund der Verschiebungsströme an die Hilfsthyristoren angelegt werden, abzuschwächen.
Während diese herkömmliche Vorrichtung Hilfsthyristoren von fünf Stufen vorsieht, sind eine normale Zündung durch ein optisches Gatesignal und ein Verhalten bezüglich der Verschiebungsströme ähnlich denen der vorgenannten Vorrichtung, welche Hilfsthyristoren dreier Stufen aufweist. Wenn ein optisches Signal eingegeben wird, zünden die Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₅ nacheinander unter Verstärkung eines Durchschaltstroms, so daß der Hauptthyristor MT schließlich durch den verstärkten Durchschaltstrom gezündet wird. Ferner dient die Kollektorelektrode 3025 dazu, eine durch die Verschiebungsströme, die von einem Spannungsrauschen oder dergleichen abgeleitet sind, verursachte anormale Zündung der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₅ der ersten bis vierten Stufe zu unterdrücken.
Aufgrund des vorgenannten Aufbaus weist der herkömmliche optische Thyristor jedoch die nachstehenden Probleme auf:
Wie in dem Schaltbild von 77 gezeigt, wird die Spannung, die dem Produkt des Verschiebungsstroms I₃ mit dem Widerstand R₃ entspricht, als solche als eine Vor spannung in Durchlaßrichtung an die Diode D₃ angelegt. In ähnlicher Weise wird die Spannung, die dem Produkt des Verschiebungsstroms I_m mit dem Widerstand R_m entspricht, als solche als eine Vorspannung in Durchlaßrichtung an die Diode D_m angelegt. D.h., Spannungen durch die Verschiebungsströme werden als solche ohne Abschwächung an die P/N-Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 2005c des Hilfsthyristors ST₃ der Endstufe und der P-Basisschicht 2002 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 2001 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 2002 angelegt. Dies ändert sich auch dann nicht, wenn die Anzahl der Stufen unterschiedlich ist. Insbesondere ist eine Unterdrückung einer durch Verschiebungsströme hervorgerufenen anormalen Zündung von Hilfsthyristoren auf den der ersten Stufe bis zu demjenigen, welcher dem Hauptthyristor um zwei Stufen vorangeht, begrenzt, und eine anormale Zündung des letzten Hilfsthyristors und des Hauptthyristors wird in dem herkömmlichen optischen Thyristor nicht unterdrückt. Dies führt zu einem Problem dergestalt, daß es unmöglich ist, eine anormale Zündung zu unterdrücken, wenn nur eine Stufe eines Hilfsthyristors vorliegt, d.h. wenn der optische Thyristor aus nur zwei Stufen von Einheitsthyristoren einschließlich einer Stufe eines Hilfsthyristors und eines Hauptthyristors ausgebildet ist.
Wie aus dem in 77 gezeigten Schaltbild klar verstanden wird, fließen ferner die Verschiebungsströme I₁ bis I₃, welche in der Kollektorelektrode 2007 aufgespeichert werden, durch den Widerstand R_m zu der Kathodenelektrode (K), wobei der Verschiebungsstrom I_m in dem Hauptthyristor MT erzeugt wird. Daher begünstigen die in den Hilfsthyristoren erzeugten Verschiebungsströme in nachteiliger Weise eine anormale Zündung des Hauptthyristors MT.
Um eine solche anormale Zündung des Hauptthyristors MT zu unterdrücken, ist es erforderlich, die Kurzschlußabschnitte 2013 in großen Bereichen festzulegen. Wenn die Bereiche der Kurzschlußabschnitte 2013 vergrößert werden, wird jedoch eine Durchlaßspannung, welche zur normalen Zündung benötigt wird, erhöht, und eine normale Zündung wird behindert, was zu einer Reduktion in dem di/dt-Widerstand und einem Ansteigen der Durchschaltzeit führt. Insbesondere ist es schwierig, eine Verträglichkeit zwischen einer Verbesserung des dv/dt-Widerstands und einer Sicherstellung des di/dt-Widerstands zu erreichen.
Bei diesem optischen Thyristor ist es ferner notwendig, alle Hilfsthyristoren mit der Kollektorelektrode zu umfassen, und daher ist die Kollektorelektrode in ihrer Größe vergrößert, und der Kathodenbereich des Hauptthyristors ist demzufolge vergleichsweise reduziert, was zu einer Erhöhung einer Durchlaßspannung und einer Reduktion eines Stoßstromwiderstands führt.
Zusätzlich sind die Gateelektroden 3032 bis 3035 der Hilfsthyristoren ST₂ bis ST₅ und die Emitterelektroden 3027 bis 3030 der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₄ der vorhergehenden Stufen durch die Aluminiumdrähte in 78 elektrisch miteinander verbunden, und daher können die Gateelektroden 3032 bis 3035 und die Emitterelektroden 3027 bis 3030 kurzgeschlossen oder getrennt werden. Ferner ist der Herstellungsprozeß durch die Herstellungsschritte zur Verdrahtung und Verbindung dieser Elektroden miteinander durch die Aluminiumdrähte oder dergleichen kompliziert.
Die Europäische Patentanmeldung Nr. EP 0 069 308 offenbart einen Thyristor mit einem vierschichtigen Haupt-Thyristor, der aus einer ersten Emitterschicht, einer ersten Basisschicht, einer zweiten Basisschicht und einer zweiten Emitterschicht von abwechselndem Leitfähigkeitstyp und wechselweiser Ausbildung; einer Sammelelektrode, die auf einem Oberflächenteil der zweiten Basisschicht an die zweite Emitterschicht angrenzend abgelegt ist, um einen unnötigen, in der zweiten Basisschicht erzeugten Verschiebungsstrom zu absorbieren; und einer Mehrzahl von Pilot-Thyristoren, die in der Sammelelektrode angeordnet sind, wobei die Mehrzahl von Pilot-Thyristoren in der zweiten Basisschicht ein Mehrzahl von dritten Emitterschichten aufweisen, welche den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die zweite Emitterschicht aufweisen und welche von der zweiten Emitterschicht getrennt ausgebildet sind, so daß die Mehrzahl der Pilot-Thyristoren die erste Emitterschicht, die erste Basisschicht und die zweite Basisschicht gemeinsam mit dem Haupt-Thyristor benutzen, wobei jeder der Mehrzahl der Pilot-Thyristoren eine Gateelektrode auf der zweiten Basisschicht, umgeben von der dritten Emitterschicht, ausgebildet aufweist, wobei die Gateelektroden mit Emitterelektroden auf den dritten Emitterschichten der Pilot-Thyristoren vorhergehender Stufen verbunden sind, und wobei die Emitterelektrode der Pilot-Thyristoren der letzten Stufe mit der Kollektorelektrode gemeinsam benutzt wird, wodurch der Einschaltstrom des Pilot-Thyristors der letzten Stufe der Mehrzahl der Pilot-Thyristoren als ein Gatestrom von der Sammelelektrode an den Haupt-Thyristor geliefert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Thyristor zu erhalten, welcher durch Unterdrückung einer anormalen Zündung eines Hilfsthyristors einer Endstufe und eines Hauptthyristors bezüglich eines dv/dt-Widerstands verbessert wird bei verträglicher Sicherstellung des di/dt-Widerstands, bei welchem eine Erhöhung einer Durchlaßspannung unterdrückt ist, der ausgezeichnet bezüglich Stoßstromwiderstand und Verläßlichkeit ist, durch einfache Herstellungsschritte bereitzustellen, sowie ein Verfahren, welches geeignet ist, den Thyristor herzustellen.
Zum besseren Verständnis des erfinderischen Konzepts wird nachstehend ein einführendes Beispiel angeführt, das nicht zu der beanspruchten Erfindung gehört.
Ein Thyristor eines mehrstufigen Aufbaus gemäß dem einführenden Beispiel weist eine Mehrzahl von Stufen von Einheitsthyristoren einschließlich eines erststufigen Thyristors, welcher durch ein extern eingegebenes Triggersignal gezündet wird, und eines endstufigen Thyristors, welcher mit einem Hauptstrom gespeist wird, während die Einheitsthyristoren parallel zueinander entlang einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, auf. Der Thyristor ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einheitsthyristor vier Halbleiterschichten einschließlich einer ersten Emitterschicht, einer ersten Basisschicht, einer zweiten Basisschicht und einer zweiten Emitterschicht aufweist, welche nacheinander mit sich wechselweise voneinander unterscheidenden Leitfähigkeitstypen auf dem Halbleitersubstrat gestapelt sind, die ersten Emitterschichten auf einer unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, die zweiten Basisschichten auf einer oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, und die zweiten Emitterschichten auf Abschnitten der oberen Hauptoberfläche der zweiten Basisschichten selektiv vorgesehen sind und auf der oberen Hauptoberfläche freiliegen, jeweilige Schichten mit Ausnahme der zweiten Emitterschichten zwischen jeweiligen Einheitsthyristoren zusammenhängend sind, die zweiten Emitterschichten nach jedem Einheitsthyristor durch die zweiten Halbleiterschichten voneinander getrennt sind, auf unteren Hauptoberflächen der ersten Emitterschichten eine erste Hauptelektrode ausgebildet ist und auf einer oberen Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors der Endstufe eine zweite Hauptelektrode ausgebildet ist, Gateelektroden auf oberen Hauptoberflächen der zweiten Basisschichten von Einheitsthyristoren wenigstens der zweiten und höherer Stufen ausgebildet sind, Emitterelektroden auf oberen Oberflächen der zweiten Emitterschichten der Einheitsthyristoren mit Ausnahme deren der Endstufe ausgebildet sind, die Emitterelektroden der Einheitsthyristoren mit Ausnahme derer der Endstufe mit den Gateelektroden von Einheitsthyristoren einer nächsten Stufe elektrisch verbunden sind, wenigstens eine Kompensationselektrode, die mit der zweiten Hauptelektrode elektrisch verbunden ist, auf den oberen Hauptoberflächen der zweiten Basisschichten ausgebildet ist, und die Kompensationselektrode so ausgebildet ist, daß ein Weg zum Einspeisen eines Hauptteils des Triggerstroms, welcher in einen Einheitsthyristor eingegeben wird, von demjenigen zum Einspeisen eines Hauptteils des Triggerstroms, welcher in den nächsten Einheitsthyristor eingegeben wird, getrennt ist.
Bei dem Thyristor gemäß dem ersten Beispiel ist wenigstens eine Kompensationselektrode auf den oberen Hauptoberflächen der zweiten Basisschichten ausgebildet und mit der zweiten Hauptelektrode elektrisch verbunden, wodurch Triggerströme wie etwa die Triggerströme, welche von den Gateelektroden erzeugt werden, und die von den Gateelektroden der jeweiligen Einheitsthyristoren aus zugeführt werden, oder die durch das Triggersignal, welches in den Einheitsthyristor der Erststufe eingegeben wird, erzeugten Ströme in der Kompensationselektrode aufgespeichert werden. Die durch Spannungsrauschen etc. verursachten Verschiebungsströme werden durch die gleichen Wege wie die Triggerströme in der Kompensationselektrode aufgespeichert. Nachdem die Wege zum Einspeisen der Hauptteile der Triggerströme für die benachbarten der Einheitsthyristoren voneinander getrennt sind, fließen die Hauptteile der Verschiebungsströme, welche in diesen Einheitsthyristoren erzeugt werden, ebenfalls durch unterschiedliche Wege. Demzufolge wird eine Spannung, welche durch den in einem Einheitsthyristor einer Stufe zum Vorspannen in Durchlaßrichtung des Übergangs zwischen der zweiten Emitterschicht und der zweiten Basisschicht des Einheitsthyristors erzeugten Verschiebungsstrom gebracht wird, durch die Spannung über der Gateelektrode und der Kompensationselektrode, welche durch den in dem nächsten Einheitsthyristor erzeugten Verschiebungsstrom gebracht wird, abgeschwächt. D.h., eine anormale Zündung der Einheitsthyristoren durch die Verschiebungsströme wird unterdrückt.
Ferner ist die Kompensationselektrode mit der zweiten Hauptelektrode verbunden, im Gegensatz zu der Kollektorelektrode in dem Stand der Technik, wodurch die Verschiebungsströme, welche in der Kompensationselektrode aufgespeichert werden, keine Wirkung dahingehend aufweisen werden, die Vorspannung in Durchlaßrichtung in dem Übergang zwischen der zweiten Emitterschicht und der zweiten Basisschicht des Endstufen-Einheitsthyristors (d.h. des Hauptthyristors) zu erhöhen. D.h., die Verschiebungsströme, welche in der Kompensationselektrode aufgespeichert sind, werden eine anormale Zündung des Hauptthyristors nicht begünstigen. Daher ist es nicht notwendig, Kurzschlußabschnitte übermäßiger Flächen in dem Hauptthyristor vorzusehen, wodurch eine Verbesserung im dv/dt-Widerstand in verträglicher Weise mit einer Sicherstellung des di/dt-Widerstands implementiert wird.
Zusätzlich ist die Kompensationselektrode mit der Kathodenelektrode verbunden, wodurch es möglich ist, den Hauptweg des Verschiebungsstroms, der in dem der Haupt stufe vorangehenden Einheitsthyristor (d.h. dem Hilfsthyristor der letzten Stufe) erzeugt wird, von dem des in dem Hauptthyristor erzeugten Verschiebungsstroms zu trennen. Daher wird die Spannung, welche durch den in dem Hilfsthyristor der letzten Stufe zum Vorspannen in Durchlaßrichtung des Übergangs zwischen der zweiten Emitterschicht und der zweiten Basisschicht dieses Hilfsthyristors erzeugten Verschiebungsstrom gebracht wird, durch die Spannung über der Gateelektrode und der Kompensationselektrode, welche durch den in dem Hauptthyristor erzeugten Verschiebungsstrom gebracht wird, abzuschwächen. D.h., es ist ebenfalls möglich, eine anormale Zündung des Hilfsthyristors der letzten Stufe durch den Verschiebungsstrom zu unterdrücken. Somit ist es möglich, eine anormale Zündung des Hilfsthyristors auch in einem Thyristor zu unterdrücken, der durch zwei Stufen von Einheitsthyristoren, d.h. einer Stufe eines Hilfsthyristors und einem Hauptthyristor, gebildet ist.
Vorzugsweise liegt die Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats in der Form eines Kreises vor, und die Einheitsthyristoren sind so angeordnet, daß sie wenigstens zweifach rotationssymmetrisch um die Mitte der im wesentlichen kreisförmigen Hauptoberfläche vorliegen.
Vorzugsweise ist die Kompensationselektrode so angeordnet, daß der Hauptteil des Triggerstroms, welcher in jeden Einheitsthyristor eingegeben wird, durch die zweite Basisschicht hindurchtritt, welche unmittelbar unter der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors gelegen ist.
Die Kompensationselektrode ist so angeordnet, daß Hauptteile des Triggerstroms für die jeweiligen Einheitsthyristoren durch Abschnitte unmittelbar unter den zweiten Emitterschichten der Einheitsthyristoren hindurchtre ten, wodurch eine korrekte Zündung der Einheitsthyristoren durch die Triggerströme nicht behindert wird.
Vorzugsweise ist ein elektrischer Widerstandswert eines Wegs eines aufgrund eines an den Thyristor angelegten Spannungsrauschens über eine Sperrschichtkapazität zwischen den ersten und zweiten Basisschichten jedes Einheitsthyristors und der zweiten Hauptelektrode und der Kompensationselektrode fließenden Verschiebungsstroms so optimiert, daß sich eine Spannung in Durchlaßrichtung, welche an einen Übergang zwischen der zweiten Basisschicht und der zweiten Emitterschicht in dem Einheitsthyristor angelegt ist, und eine Spannung in Durchlaßrichtung, welche an einen Übergang zwischen der zweiten Basisschicht und der zweiten Emitterschicht in dem Einheitsthyristor der nächsten Stufe angelegt ist, für den Einheitsthyristor im wesentlichen gegenseitig auslöschen.
Vorzugsweise ist ein das Triggersignal empfangender Abschnitt oder ein Abschnitt der zweiten Basisschicht, welcher mit der Gateelektrode versehen ist, in einem Einheitsthyristor wenigstens einer Stufe mit der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors umgeben und durch die zweite Emitterschicht von allen Kompensationselektroden getrennt.
Ein Abschnitt wie etwa die mit dem Triggerstrom belieferte Gateelektrode ist bezüglich eines Einheitsthyristors wenigstens einer Stufe mit der zweiten Emitterschicht umgeben, während die Kompensationselektrode von der Gateelektrode etc. durch die zweite Emitterschicht getrennt ist. Mit anderen Worten, die Kompensationselektrode ist außerhalb der die Gateelektrode etc. umgebenden zweiten Emitterschicht angeordnet. Daher tritt der Triggerstrom in seiner Gesamtheit durch den Abschnitt unmittelbar unter der zweiten Emitterschicht in dem Einheits thyristor hindurch, wodurch der Triggerstrom wirksam zur korrekten Zündung ausgenutzt wird. D.h., ferner wird eine korrekte Zündung wirksam durchgeführt.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Stufe diejenige mit Ausnahme der letzten Stufe, und die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors dieser Stufe ist so angeordnet, daß sie mit der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors der letzten Stufe durch eine erste Teilbasisschicht, welche die zweite Basisschicht teilweise ausbildet, umgeben ist, und die Kompensationselektrode weist eine erste Teilkompensationselektrode auf, welche auf einer oberen Hauptoberfläche der ersten Teilbasisschicht ausgebildet und mit der zweiten Hauptelektrode integral ausgebildet ist.
Die zweite Emitterschicht ist so ausgebildet, daß sie die Gateelektrode etc. in wenigstens einer Stufe mit Ausnahme der Endstufe, d.h. einem Hilfsthyristor wenigstens einer Stufe, umgibt, während die Kompensationselektrode außerhalb derselben angeordnet ist. Ferner ist die erste Teilkompensationselektrode, welche eine der Kompensationselektroden ist, auf der oberen Hauptoberfläche der ersten Teilbasisschicht, welche an die äußere Seite der zweiten Emitterschicht angrenzt, ausgebildet. Daher tritt der Triggerstrom für diesen Hilfsthyristor in seiner Gesamtheit durch den Abschnitt unmittelbar unter der zweiten Emitterschicht hindurch, um in der ersten Teilkompensationselektrode gesammelt zu werden. Ferner ist die erste Teilkompensationselektrode integral mit der zweiten Hauptelektrode ausgebildet, wodurch es nicht speziell erforderlich ist, die Fläche der beispielsweise als eine Kathodenelektrode dienenden zweiten Hauptelektrode zu reduzieren, um die erste Teilkompensationselektrode auszubilden, im Gegensatz zu der Kollektorelektrode im Stand der Technik. Somit ist es möglich, den dv/dt-Widerstand wirksam zu erhöhen, ohne die Durchlaßspannung zu verringern und den Stoßstromwiderstand zu reduzieren. Zusätzlich können die Elektroden in den Schritten zum Herstellen des Thyristors aufgrund der integralen Ausbildung der ersten Teilkompensationselektrode und der zweiten Hauptelektrode leicht ausgebildet werden, und die Elektroden werden mit verbesserter Zuverlässigkeit ausgebildet.
Vorzugsweise ist die erste Teilkompensationselektrode ringförmig so ausgebildet, daß sie die zweite Emitterschicht, welche mit der ersten Teilbasisschicht umgeben ist, umgibt.
Die erste Teilkompensationselektrode ist so ausgebildet, daß sie die zweiten Emitterschichten der Hilfsthyristoren ringförmig umgibt, wodurch die Triggerströme für die Hilfsthyristoren in Abschnitten unmittelbar unter allen Abschnitten der zweiten Emitterschichten ohne Abweichung fließen. Daher schreitet eine korrekte Zündung der Hilfsthyristoren, die durch die Triggerströme hervorgerufen wird, insgesamt entlang den zweiten Halbleiterschichten fort.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Stufe diejenige mit Ausnahme der Endstufe, und die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der Stufe ist so angeordnet, daß sie mit der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors der nächsten Stufe durch eine zweite Teilbasisschicht, welche die zweite Basisschicht teilweise ausbildet, umgeben ist, die Gateelektrode des Einheitsthyristors der nächsten Stufe ist auf einer oberen Hauptoberfläche der zweiten Teilbasisschicht ausgebildet, die Kompensationselektrode weist eine zweite Teilkompensationselektrode, welche auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten Teilbasisschicht ausgebildet und mit der zweiten Hauptelektrode elektrisch verbunden ist, und eine dritte Teilkompensati onselektrode, welche auf einer oberen Hauptoberfläche eines Abschnitts der zweiten Basisschicht, der von der zweiten Teilbasisschicht durch die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der nächsten Stufe getrennt und mit der zweiten Hauptelektrode elektrisch verbunden ist, auf, und ein elektrischer Widerstand über der Gateelektrode der nächsten Stufe und der zweiten Teilkompensationselektrode ist so festgelegt, daß er höher als derjenige über der Gateelektrode der nächsten Stufe und der dritten Teilkompensationselektrode ist.
Die zweite Teilkompensationselektrode ist auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten Teilbasisschicht, welche an die äußere Seite der zweiten Emitterschicht in dem Einheitsthyristor wenigstens einer Stufe mit Ausnahme dessen der Endstufe angrenzt, ausgebildet, wodurch der Triggerstrom für diesen Einheitsthyristor in seiner Gesamtheit durch den Abschnitt unmittelbar unter der zweiten Emitterschicht hindurchtritt, um in der zweiten Teilkompensationselektrode gesammelt zu werden. Andererseits ist die Relation zwischen elektrischen Widerstandswerten über der Gateelektrode des Einheitsthyristors der nächsten Stufe und der zweiten und dritten Teilkompensationselektrode optimiert, während die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der nächsten Stufe zwischen der Gateelektrode und der dritten Teilkompensationselektrode angeordnet ist, wodurch der Triggerstrom für den Einheitsthyristor der nächsten Stufe hauptsächlich durch den Abschnitt unmittelbar unter der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors der nächsten Stufe hindurchtritt, um in der dritten Teilkompensationselektrode gesammelt zu werden. D.h., die Hauptwege der Triggerströme für benachbarte Einheitsthyristoren sind wirksam voneinander getrennt, wodurch eine durch den Verschiebungsstrom in einem Einheitsthyristor einer Stufe hervorgerufene Vorspannung in Durchlaßrichtung abgeschwächt wird und daher eine von dem Verschiebungsstrom hervorgerufene anormale Zündung dieses Einheitsthyristors unterdrückt wird. Ferner fließen beide Triggerströme für die benachbarten Einheitsthyristoren durch die Abschnitte unmittelbar unter den zweiten Emitterschichten hiervon, wodurch eine korrekte Zündung der Einheitsthyristoren durch die Triggerströme nicht behindert wird.
Vorzugsweise weist die zweite Teilbasisschicht einen ringförmigen Abschnitt, welcher die zweite Emitterschicht der wenigstens einen Stufe umgibt, und einen vorspringenden Abschnitt, welcher von dem ringförmigen Abschnitt in verlängerter Weise nach außen ragt, auf, die Gateelektrode des Einheitsthyristors der nächsten Stufe ist auf einer oberen Hauptoberfläche eines Abschnitts des vorspringenden Abschnitts, welcher sich nahe seines vorwärtigen Endes befindet, ausgebildet, und die zweite Teilkompensationselektrode ist auf einer oberen Hauptoberfläche des ringförmigen Abschnitts ausgebildet.
Vorzugsweise weist die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der wenigstens einen Stufe mit Ausnahme der Endstufe einen zentralen Abschnitt, welcher einen Abschnitt des das Triggersignal empfangenden Einheitsthyristors oder einen Abschnitt der zweiten Basisschicht, welcher mit der Gateelektrode versehen ist, umgibt, und einen sich von dem zentralen Abschnitt erstreckenden Armabschnitt auf, die zweite Teilbasisschicht umgibt den Armabschnitt in der Form einer Scheide, die zweite Teilkompensationselektrode ist so ausgebildet, daß sie den zentralen Abschnitt umgibt, und die Gateelektrode des Einheitsthyristors der nächsten Stufe ist auf einer oberen Hauptoberfläche eines vorwärtigen Endabschnitts des Armabschnitts ausgebildet.
Die zweite Teilkompensationselektrode und die Gateelektrode der nächsten Stufe sind auf Enden der den Armabschnitt der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors einer Stufe ringförmig umgebenden zweiten Teilbasisschicht angeordnet, wodurch es möglich ist, den elektrischen Widerstand über der Gateelektrode der zweiten Stufe und die zweite Teilkompensationselektrode so festzulegen, daß er höher als derjenige über derselben und der dritten Teilkompensationselektrode ist.
Vorzugsweise ist die wenigstens eine Stufe jede der ersten bis letzten Stufe, und ein das Triggersignal empfangender Abschnitt oder ein mit der Gateelektrode versehener Abschnitt der zweiten Basisschicht in dem Einheitsthyristor jeder Stufe ist mit der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors umgeben, die zweite Emitterschicht jedes Einheitsthyristors mit Ausnahme dessen der letzten Stufe ist so angeordnet, daß er mit der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors der letzten Stufe durch eine dritte Teilbasisschicht, welche die zweite Basisschicht teilweise ausbildet, umgeben ist, die Kompensationselektrode weist eine vierte Teilkompensationselektrode auf, welche auf einer oberen Hauptoberfläche der dritten Teilbasisschicht ausgebildet und mit der zweiten Hauptelektrode integral ausgebildet ist, die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der letzten Stufe ist mit einem Durchgangsloch versehen, welches ein Ende auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht öffnet und ein anderes Ende auf einer unteren Oberfläche der zweiten Emitterschicht öffnet, aufweist, das Durchgangsloch ist mit einer vierten Teilbasisschicht, welche die zweite Basisschicht teilweise ausbildet, aufgefüllt, und die Kompensationselektrode weist ferner eine fünfte Teilkompensationselektrode auf, welche auf einer oberen Hauptoberfläche der vierten Teilbasisschicht ausgebildet und mit der zweiten Hauptelektrode integral ausgebildet ist.
Abschnitte, welche die Triggerströme zuführen, wie etwa die Gateelektroden, sind in allen Einheitsthyristoren mit den zweiten Emitterschichten umgeben, während die Kompensationselektrode von den Gateelektroden etc. durch die zweiten Emitterschichten getrennt ist. Daher wird in allen Einheitsthyristoren eine korrekte Zündung wirksam ausgeführt. Ferner werden die Triggerströme für die Einheitsthyristoren einer jeweiligen Stufe mit Ausnahme dessen der Endstufe, d.h. die jeweiligen Hilfsthyristoren, in der vierten Teilkompensationselektrode, die auf der oberen Hauptoberfläche der dritten Teilbasisschicht, welche an die äußeren Seiten der zweiten Emitterschichten der Hilfsthyristoren angrenzt, ausgebildet ist, aufgespeichert, während der Triggerstrom für den Einheitsthyristor der Endstufe, d.h. den Hauptthyristor, in der fünften oder vierten Teilkompensationselektrode aufspeichert wird. Die Komponente des Triggerstroms für den Hauptthyristor, welche in der vierten Teilkompensationselektrode aufgespeichert ist, fließt von der zweiten Emitterschicht des Hauptthyristors, welche an die äußere Seite der mit der vierten Teilkompensationselektrode versehenen dritten Teilbasisschicht angrenzt, zu der vierten Teilkompensationselektrode. Insbesondere sind die Wege der Triggerströme zwischen allen Hilfsthyristoren und dem Hauptthyristor voneinander getrennt. Daher werden die Vorspannungen in Durchlaßrichtung in allen Hilfsthyristoren abgeschwächt, wodurch der dv/dt-Widerstand weiter verbessert wird. Ferner sind sowohl die vierte als auch die fünfte Teilkompensationselektrode integral mit der zweiten Hauptelektrode ausgebildet, wodurch es nicht speziell erforderlich ist, den Bereich der zweiten Hauptelektrode zum Ausbilden dieser Teilkompensationselektroden zu reduzieren. Daher ist es möglich, eine Verbesse rung des dv/dt-Widerstands zu erreichen, ohne die Durchlaßspannung zu vergrößern und den Stoßstromwiderstand zu reduzieren. Ferner erleichtert die integrale Ausbildung der vierten und fünften Teilkompensationselektroden mit der zweiten Hauptelektrode eine Ausbildung der Elektroden in den Schritten zum Herstellen des Thyristors und trägt zu einer Verbesserung in der Zuverlässigkeit der so ausgebildeten Elektroden bei.
Vorzugsweise ist die Gateelektrode des Einheitsthyristors der letzten Stufe ringförmig so ausgebildet, daß sie die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der letzten Stufe in innere und äußere Seiten trennt, so daß die Einheitsthyristoren mit Ausnahme dessen der Endstufe innerhalb der ringförmigen Gateelektrode angeordnet sind.
Die Gateelektrode des Einheitsthyristors der letzten Stufe, d.h., des Hauptthyristors, ist ringförmig ausgebildet, wodurch eine Zündung schnell entlang des gesamten Hauptthyristors fortschreitet. Ferner sind die Einheitsthyristoren einer jeweiligen Stufe mit Ausnahme jener der Endstufe, d.h. die jeweiligen Hilfsthyristoren, innerhalb der ringförmigen Gateelektrode des Hauptthyristors angeordnet, wodurch sich eine Zündung des Thyristors schnell von der inneren Seite zu der äußeren Seite ausdehnt. Daher ist der di/dt-Widerstand verbessert.
Vorzugsweise weist die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der letzten Stufe eine kreisförmige Kontur auf, und die ringförmige Gateelektrode liegt in der Form eines Kreises vor, welcher mit der kreisförmigen Kontur der zweiten Emitterelektrode mit einem Durchmesser vorliegt, welcher 1/3 bis 1/2 des Außendurchmessers der kreisförmigen zweiten Emitterschicht beträgt.
Die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der letzten Stufe, d.h. des Hauptthyristors, weist eine kreisförmige Kontur auf, und die Gateelektrode weist eine ringförmige Gestalt auf, welche mit der Kontur der zweiten Emitterschicht konzentrisch ist, wodurch eine Zündung in dem Hauptthyristor ohne Abweichung in Umfangsrichtung gleichförmig fortschreitet. Ferner ist die Relation zwischen der Kontur der zweiten Emitterschicht und dem Durchmesser der Gateelektrode in dem Hauptthyristor optimiert, wodurch ferner eine Zündung entlang dem gesamten Hauptthyristor schnell fortschreitet. D.h., der di/dt-Widerstand ist weiter verbessert.
Vorzugsweise ist die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der letzten Stufe mit einer Mehrzahl von Durchgangslöchern versehen, welche erste Endöffnungen auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht und zweite Endöffnungen auf einer unteren Oberfläche der zweiten Emitterschicht aufweisen, die Durchgangslöcher sind mit einer fünften Teilbasisschicht, welche die zweite Basisschicht teilweise ausbildet, aufgefüllt, und die Kompensationselektrode weist ferner eine sechste Teilkompensationselektrode auf, welche auf einer oberen Hauptoberfläche der zweiten Teilbasisschicht ausgebildet und mit der zweiten Hauptelektrode integral ausgebildet ist.
Die sechste Teilkompensationselektrode ist mit der zweiten Basisschicht durch die Mehrzahl von Durchgangslöchern, welche in der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors der Endstufe, d.h. des Hauptthyristors, vorgesehen sind, verbunden. Während die zweite Emitterschicht des Hauptthyristors im allgemeinen den weitesten Bereich unter den Einheitsthyristoren belegt, nachdem ein Hauptstrom in dem Hauptthyristor fließt, wird aufgrund der Anordnung der sechsten Teilkompensationselektrode eine durch den Verschiebungsstrom, welcher unmittelbar unter halb der zweiten Emitterschicht fließt, hervorgerufene anormale Zündung des Hauptthyristors unterdrückt. D.h., es wird eine Verbesserung des dv/dt-Widerstands erreicht.
Vorzugsweise ist die Kompensationselektrode so angeordnet, daß Wege zum Einspeisen von Hauptteilen der Triggerströme, welche in die jeweiligen Einheitsthyristoren eingegeben werden, voneinander getrennt sind.
Die Hauptwege der Triggerströme für alle Einheitsthyristoren sind voneinander getrennt, wodurch von den Verschiebungsströmen hervorgerufene Vorspannungen in Durchlaßrichtung in den Einheitsthyristoren aller Stufen mit Ausnahme dessen der letzten Stufe, d.h. allen Hilfsthyristoren, abgeschwächt werden. Daher wird eine anormale Zündung aller Hilfsthyristoren unterdrückt, wodurch der dv/dt-Widerstand weiter verbessert wird.
Vorzugsweise ist der elektrische Widerstandswert eines Wegs eines aufgrund eines Spannungsrauschens, welches an den Thyristor angelegt ist, über eine Sperrschichtkapazität zwischen den ersten und zweiten Basisschichten jedes Einheitsthyristors und der zweiten Hauptelektrode und der Kompensationselektrode fließenden Verschiebungsstroms so optimiert, daß sich eine Spannung in Durchlaßrichtung, welche an einen Übergang zwischen der zweiten Basisschicht und der zweiten Emitterschicht in jedem Einheitsthyristor mit Ausnahme dessen der Endstufe angelegt ist, und eine Spannung in Durchlaßrichtung, welche auf einen Übergang zwischen der zweiten Basisschicht und der zweiten Emitterschicht in dem für den Einheitsthyristor nächsten Einheitsthyristor angelegt ist, im wesentlichen gegenseitig auslöschen.
Vorzugsweise ist die Emitterelektrode des Einheitsthyristors einer Stufe mit der Gateelektrode des Ein heitsthyristors der nächsten Stufe durch einen Brückenabschnitt eines auf einem Isolationsfilm vorgesehenen Leiters, welcher auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats integral mit der Emitter- und Gateelektrode ausgebildet ist, miteinander verbunden.
Eine elektrische Verbindung zwischen der Emitterelektrode des Einheitsthyristors einer Stufe mit der Gateelektrode des Einheitsthyristors der nächsten Stufe ist durch den Brückenabschnitt, welcher integral mit denselben ausgebildet ist, implementiert, wodurch eine Verbindung durch Verdrahtung unnötig ist. Daher werden Fehler wie etwa Kurzschluß und Trennung durch eine Verdrahtung kaum hervorgerufen. D.h., die Zuverlässigkeit des Thyristors ist verbessert. Ferner ist in der Herstellung des Thyristors aufgrund des Einsatzes des Brückenabschnitts ein Verbindungsschritt nicht erforderlich, wodurch der Thyristor einfach herzustellen ist.
Vorzugsweise ist ein Abschnitt der zweiten Basisschicht, welcher mit der Gateelektrode des Einheitsthyristors der nächsten Stufe versehen ist, mit der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors der nächsten Stufe umgeben, und die Breite eines Abschnitts der zweiten Emitterschicht, welcher sich unmittelbar unter dem Isolationsfilm befindet, beträgt mehr als 2 mm in dem engsten Abschnitt.
Für die Breiten der zweiten Emitterschichten, welche sich unmittelbar unter mit dem Isolationsfilm bedeckten Abschnitt in dem oberen Abschnitt des Halbleitersubstrats, d.h. den Abschnitten, wo die Kompensationselektrode nicht vorgesehen werden kann, befinden, ist eine obere Grenze festgelegt, wodurch es möglich ist, ein Anlegen übermäßiger Vorspannungen in Durchlaßrichtung aufgrund der Verschiebungsströme an die zweiten Emitterschichten zu verhindern.
Vorzugsweise weist die Gateelektrode des Einheitsthyristors der Endstufe eine Mehrzahl von Gateelektroden auf.
Bei dem Einheitsthyristor der Endstufe, d.h. dem Hauptthyristor, sind eine Mehrzahl von Gateelektroden vorgesehen, wodurch eine Zündung schnell entlang dem gesamten Hauptthyristor vorschreitet. Dies trägt nämlich zu einer Verbesserung des di/dt-Widerstands bei.
Vorzugsweise sind die Einheitsthyristoren, welche einer Stufe vorangehen, mehrfach angeordnet, so daß die Emitterelektroden der Mehrzahl von Einheitsthyristoren der vorhergehenden Stufe mit der Gateelektrode des Einheitsthyristors der einen Stufe elektrisch verbunden sind.
Die Emitterelektroden einer Mehrzahl von Einheitsthyristoren einer vorhergehenden Stufe sind mit einer Gateelektrode eines Einheitsthyristors einer Stufe elektrisch verbunden, wodurch Verstärkungswege für Durchschaltströme wenigstens teilweise integriert werden. Selbst wenn die Einheitsthyristoren der vorhergehenen Stufe in Eigenschaften einander ungleich sind, wird daher eine Ungleichheit der Verstärkungseigenschaften in jedem Verstärkungsweg reduziert oder beseitigt, wodurch stabile Durchschalteigenschaften erreicht werden können.
Vorzugsweise sind Einheitsthyristoren wenigstens dreier Stufen so angeordnet, daß die Anzahl der Einheitsthyristoren von der ersten Stufe bis zur letzten Stufe sich nacheinander erhöht.
Die Anzahl der Einheitsthyristoren von dem der ersten Stufe bis zu dem der letzten Stufe vorausgehenden, d.h. der Hilfsthyristoren der ersten bis letzten Stufe, erhöht sich mit den Stufen nacheinander, wodurch eine Zündung über den gesamten Thyristor schnell ausgeführt wird. Dies trägt nämlich zu einer Verbesserung des di/dt-Widerstands bei.
Vorzugsweise sind Einheitsthyristoren wenigstens dreier Stufen angeordnet, wobei eine Kombination einer Abfolge von Einheitsthyristoren zweier Stufen derart vorliegt, daß die Anzahl der Einheitsthyristoren der nächsten Stufe größer ist als die der Einheitsthyristoren einer Stufe.
Vorzugsweise ist das Triggersignal ein optisches Signal.
Eine Zündung wird im Ansprechen auf ein optisches Signal begonnen, wodurch im Gegensatz zu einem Thyristor, welcher ein elektrisches Signal als ein Triggersignal empfängt, keine Fehlfunktion aufgrund eines elektrischen Rauschsignals, welches dem Triggersignal überlagert ist, hervorgerufen wird. Während es erforderlich ist, eine Zündempfindlichkeit zu verbessern, um den gesamten Thyristor durch einen schwachen Triggerstrom durch ein optisches Signal zu zünden, ist der erfinderische Thyristor, welcher seine Empfindlichkeit ohne Beschädigen des dv/dt-Widerstands verbessern kann, insbesondere für einen Thyristor, welcher durch ein optisches Signal gezündet wird, d.h. einen optischen Thyristor geeignet.
Vorzugsweise ist ein Lichtempfangsabschnitt, welcher das optische Signal empfängt, mit einem Antireflexionsfilm versehen, und die Dicke des Antireflexionsfilms erfüllt eine Beziehung von A – 30 nm ≤ Dicke des Isolati onsfilms ≤ A + 30 nm bezüglich eines Werts A, welcher wie folgt ausgedrückt ist: A = (2 × n – 1) × λ/(4 × N)wobei n eine natürliche Zahl darstellt, λ eine mittlere Wellenlänge des optischen Signals darstellt und N den Brechungsindex des Isolationsfilms darstellt.
Der Antireflexionsfilm des Lichtempfangsabschnitts ist bezüglich der Dicke optimiert. Daher wird ein Verlust des optischen Signals aufgrund eines kleinen Reflexionsgrads für das optische Signal reduziert.
Als nächstes wird der grundlegende Gesichtspunkt der Erfindung beschrieben werden.
Ein Thyristor eines mehrstufigen Aufbaus gemäß einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist Einheitsthyristoren wenigstens dreier Stufen einschließlich eines Erststufenthyristors, welcher durch ein extern eingegebens Triggersignal gezündet wird, und eines Endstufenthyristors, welcher mit einem Hauptstrom gespeist wird, während die Einheitsthyristoren entlang einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats parallel zueinander angeordnet sind, auf, und der Thyristor ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einheitsthyristor vier Halbleiterschichten einschließlich einer ersten Emitterschicht, einer ersten Basisschicht, einer zweiten Basisschicht und einer zweiten Emitterschicht aufweist, welche mit sich wechselweise voneinander unterscheidenden Leitfähigkeitstypen auf dem Halbleitersubstrat nacheinander gestapelt sind, die ersten Emitterschichten auf einer unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, die zweiten Basisschichten auf einer oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen und die zweiten Emit terschichten auf Abschnitten der oberen Hauptoberfläche der zweiten Basisschichten selektiv vorgesehen sind und auf der oberen Hauptoberfläche freiliegen, die jeweiligen Schichten mit Ausnahme der zweiten Emitterschichten zwischen den jeweiligen Einheitsthyristoren zusammenhängend sind, die zweiten Emitterschichten der Einheitsthyristoren der zweiten und späteren Stufen ringförmig ausgebildet sind, um die zweiten Emitterschichten vorhergehender Einheitsthyristoren durch Abschnitte der zweiten Basisschichten, welche ringförmig auf der oberen Hauptoberfläche freiliegen, zu umgeben, ein ringförmiger Isolationsbereich zum ringförmigen Teilen des Abschnitts der zweiten Basisschicht, welche an die äußere Seite der zweiten Emitterschicht jedes der Einheitsthyristoren der zweiten und späteren Stufen angrenzt, in innere und äußere Regionen und Unterdrücken oder Verhindern einer Trägerbewegung zwischen den Regionen vorgesehen ist, eine Emitterelektrode des Einheitsthyristors der ersten Stufe auf einer oberen Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors ringförmig ausgebildet ist, um einen Eingabeabschnitt für das Triggersignal zu umgeben, eine Emitterelektrode des Einheitsthyristors jeder Stufe mit Ausnahme dessen der ersten und letzten Stufe entlang einer ringförmigen oberen Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors ringförmig ausgebildet ist, eine Gateelektrode jedes Einheitsthyristors mit Ausnahme dessen der ersten und letzten Stufe auf einer oberen Hauptoberfläche der inneren Region, welche an die äußere Seite der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors angrenzt, ringförmig ausgebildet ist, um eine obere Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht zu umgeben, eine Kollektorelektrode des Einheitsthyristors der zweiten Stufe auf einer oberen Oberfläche der zweiten Basisschicht, welche an die innere Seite der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors angrenzt, ringförmig ausgebildet ist, um die zweite Emitterschicht des Einheits thyristors der ersten Stufe zu umgeben, eine Kollektorelektrode jedes Einheitsthyristors mit Ausnahme dessen der ersten und zweiten Stufe auf einer oberen Hauptoberfläche der äußeren Region, welche an die innere Seite der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors angrenzt, ringförmig ausgebildet ist, um den Isolationsbereich zu umgeben, sowohl die ringförmige Emitterelektrode als auch die Gateelektrode als auch die Kollektorelektrode jedes Einheitsthyristors mit Ausnahme jener der ersten und letzten Stufe einen Teilungsabschnitt aufweist, die Emitterelektrode jedes Einheitsthyristors mit Ausnahme jener der ersten und letzten Stufe und die Gateelektrode des Einheitsthyristors der nächsten Stufe miteinander durch einen Brückenabschnitt eines auf einem Isolationsfilm, der auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, um die Teilungsabschnitte anderer Elektroden, welche zwischen den Elektroden angeordnet sind, zu kreuzen, ausgebildeten Leiters miteinander verbunden sind, der Brückenabschnitt mit den Elektroden integral ausgebildet ist, um miteinander verbunden zu sein, die Kollektorelektrode jedes Einheitsthyristors mit Ausnahme dessen der ersten Stufe und die Gateelektrode des Einheitsthyristors der letzten Stufe miteinander durch einen Brückenabschnitt eines Leiters, welcher auf dem auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildeten Isolationsfilm ausgebildet ist, um die Teilungsabschnitte anderer Elektroden, welche zwischen den Elektroden angeordnet sind, zu kreuzen, miteinander verbunden sind, und der Brückenabschnitt mit den Elektroden integral ausgebildet ist, um miteinander verbunden zu sein.
Bei dem Thyristor gemäß der vorliegenden Erfindung ist der ringförmige Isolationsbereich zwischen den Gateelektroden der Einheitsthyristoren von der zweiten Stufe bis zu dem der letzten Stufe vorangehenden und den Kollektorelektroden der Einheitsthyristoren der nächsten Stufe, welche außerhalb davon angeordnet sind, vorgesehen, um eine Trägerbewegung zu unterdrücken oder zu verhindern. Daher treten die Triggerströme für die jeweiligen Stufen mit Ausnahme der ersten durch Abschnitte unter den zweiten Emitterschichten dieser Stufen hindurch, um in den Kollektorelektroden der Stufen aufgespeichert zu werden. Ferner tritt ein Triggerstrom für die Eingangsstufe durch einen Abschnitt unter der zweiten Emitterschicht der Eingangsstufe hindurch, um in der Kollektorelektrode der zweiten Stufe, welche sich außerhalb davon befindet, aufgespeichert zu werden. D.h., die Wege der Triggerströme für die erste Stufe bis zu dem der Endstufe vorausgehenden sind voneinander getrennt. Daher werden Vorspannungen in Durchlaßrichtungen in den Einheitsthyristoren der ersten Stufe bis zu dem, der um zwei Stufen jünger als die Endstufe ist, abgeschwächt. Daher ist der dv/dt-Widerstand des Thyristors verbessert. Ferner tritt der Triggerstrom für jede Stufe durch einen Abschnitt unter der zweiten Emitterschicht dieser Stufe hindurch, wodurch eine korrekte Zündung durch den Triggerstrom nicht behindert ist.
Ferner sind die Emitterelektrode jeder Stufe und die Gateelektrode der nächsten Stufe, die Emitterelektrode der der letzten vorangehenden Stufe und die als die Gateelektrode dienende Kollektorelektrode der Endstufe sowie die Kollektorelektroden der jeweiligen Stufen durch den Brückenabschnitt, welcher integral mit diesen Elektroden ausgebildet ist, miteinander verbunden, wodurch zur Verbindung dieser Elektroden miteinander keine Verdrahtung erforderlich ist. Daher werden keine Fehlfunktionen wie etwa Kurzschluß oder Trennung von Verbindungsdrähten hervorgerufen. D.h., der Thyristor ist in seiner Zuverlässigkeit verbessert. Ferner ist der Thyristor einfach herzustellen, nachdem kein Schritt zum Verbinden der Emit ter- und Gateelektroden miteinander durch Drähte erforderlich ist.
Vorzugsweise ist die Isolationsregion durch die erste Basisschicht, welche auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegt, definiert.
Die Isolationsregion ist durch die erste Basisschicht definiert, wodurch dieselbe einfach ausgebildet sein kann und es möglich ist, eine Trägerbewegung wirksam zu unterdrücken.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Isolationsregion nicht mehr als 60 μm.
Die Isolationsregion ist in der Dicke optimiert, wodurch zwischen der Isolationsregion und der zweiten Basisschicht, welche hiermit verbunden ist, keine Verschlechterung der Stehspannung hervorgerufen wird.
Vorzugsweise ist die Isolationsregion durch eine Region der zweiten Basisschicht, welche von der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats aus im Vergleich mit anderen Abschnitten der zweiten Basisschicht eine seichte Tiefe aufweist, definiert.
Die Isolationsregion ist durch die Region der zweiten Basisschicht mit einer seichten Tiefe von der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats aus ausgebildet, wodurch es möglich ist, die Stehspannung mit einer hohen Toleranz für die Stehspannung leicht sicherzustellen.
Vorzugsweise ist die Isolationsregion durch eine Rille definiert, welche in dem Halbleitersubstrat von der oberen Hauptoberfläche in Richtung eines tiefen Abschnitts ausgebildet ist.
Die Isolationsregion ist durch die Rille, welche in der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, definiert, wodurch die Tiefe der zweiten Basisschicht von der oberen Hauptoberfläche leicht vergleichmäßigt werden kann. Daher kann die Stehspannung ferner leicht sichergestellt werden.
Vorzugsweise betragen die Dicken der Emitterelektroden, der Gateelektroden und der Kollektorelektroden, welche mit dem Brückenabschnitt verbunden sind, wenigstens das Fünffache derjenigen des Isolationsfilms, welcher sich unmittelbar unter dem Brückenabschnitt befindet.
Die Elektroden, welche mit dem Brückenabschnitt verbunden sind, sind in der Dicke optimiert, wodurch es möglich ist, einen Bruch der Elektroden in Eckenabschnitten des Isolationsfilms zu verhindern.
Vorzugsweise besteht die Endstufe aus wenigstens vier Stufen, wobei die Emitterelektrode des einen Thyristors, welcher dem der Endstufe vorausgeht, und die Kollektorelektrode ohne Brückenabschnitt integral ausgebildet sind.
Die Emitterelektrode des Einheitsthyristors, welche demjenigen der Endstufe vorangeht, und die Kollektorelektrode sind ohne den Brückenabschnitt integral ausgebildet, wodurch die Kollektorelektrode beim Herstellen des Thyristors leicht ausgebildet werden kann.
Vorzugsweise ist das Triggersignal ein optische Signal.
Eine Zündung wird im Ansprechen auf ein optisches Signal begonnen. Daher wird im Gegensatz zu einem Thyri stor, der ein elektrisches Signal als ein Triggersignal empfängt keine Fehlfunktion durch ein elektrisches Rauschsignal, welches dem Triggersignal überlagert ist, hervorgerufen. Während es erforderlich ist, eine Zündempfindlichkeit zu verbessern, um den Gesamtthyristor durch einen schwachen Triggerstrom durch ein optisches Signal zu zünden, ist der erfindungsgemäße Thyristor, welcher seine Empfindlichkeit ohne Beschädigen des dv/dt-Widerstands verbessern kann, insbesondere für einen Thyristor, welcher durch ein optisches Signal gezündet wird, d.h. einen optischen Thyristor, geeignet.
Die vorliegende Erfindung ist auch auf ein Verfahren zum Herstellen eines Thyristors gerichtet.
Der Thyristor des einführenden Beispiels, der nicht Teil der Erfindung ist und der einen mehrstufigen Aufbau derart, daß eine Emitterelektrode eines Einheitsthyristors jeder Stufe mit Ausnahme eines einer letzten Stufe elektrisch mit einer Gateelektrode eines Einheitsthyristors einer nächsten Stufe verbunden ist, besitzt und eine Kompensationselektrode aufweist, kann unter Verwendung eines Verfahrens hergestellt werden, welches (a) einen Schritt eines Vorbereitens eines Halbleitersubstrats eines ersten Leitfähigkeitstyps mit oberen und unteren Hauptoberflächen, (b) einen Schritt eines Einbringens eines Fremdmaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps in die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch eine erste Emitterschicht ausgebildet wird, welche auf der unteren Hauptoberfläche freiliegt, (c) einen Schritt eines Einbringens eines Fremdmaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps in die obere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch eine zweite Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt, während eine erste Basisschicht, welche eine Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps ist, zwischen der ersten Emitterschicht und der zweiten Basisschicht belassen wird, (d) einen Schritt eines selektiven Einbringens eines Fremdmaterials des ersten Leitfähigkeitstyps in eine obere Hauptoberfläche der zweiten Basisschicht, wodurch eine zweite Emitterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, welche eine die erste Basisschicht nicht erreichende Tiefe aufweist und auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt, ausgebildet wird, (e) einen Schritt eines Ausbildens eines als eine erste Hauptelektrode dienenden ersten Leiterfilms auf der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, (f) einen Schritt eines Ausbildens eines zweiten Leiterfilms auf der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, (g) einen Schritt eines selektiven Entfernens des zweiten Leiterfilms zum selektiven Ausbilden einer zweiten Hauptelektrode und der Emitterelektrode jeder Stufe auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht, während die Gateelektrode jeder Stufe und die Kompensationselektrode auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten Basisschicht selektiv ausgebildet werden, (h) einen Schritt eines elektrischen Verbindens jeder Emitterelektrode und der Gateelektrode der nächsten Stufe miteinander durch einen Leiter, und (i) einen Schritt eines elektrischen Verbindens der Kompensationselektrode und der zweiten Hauptelektrode miteinander durch einen Leiter aufweist.
Ersatzweise kann der Thyristor des einführenden Beispiels, der einen mehrstufigen Aufbau derart, daß eine Emitterelektrode eines Einheitsthyristors jeder Stufe mit Ausnahme eines einer Endstufe elektrisch mit einer Gateelektrode eines Einheitsthyristors einer nächsten Stufe verbunden ist, besitzt und eine Kompensationselektrode aufweist, unter Verwendung eines Verfahrens hergestellt werden, welches (a) einen Schritt eines Vorbereitens eines Halbleitersubstrats eines ersten Leitfähigkeitstyps mit oberen und unteren Hauptoberflächen, (b) einen Schritt eines Einbringens eines Fremdmaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyp in die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch eine erste Emitterschicht ausgebildet wird, welche auf der unteren Hauptoberfläche freiliegt, (c) einen Schritt eines Einbringens eines Fremdmaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps in die obere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch eine zweite Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt, während eine erste Basisschicht, welche eine Schicht des ersten Leitfähigkeitstyps ist, zwischen der ersten Emitterschicht und der zweiten Basisschicht belassen wird, (d) einen Schritt eines selektiven Einbringens eines Fremdmaterials des ersten Leitfähigkeitstyps in eine obere Hauptoberfläche der zweiten Basisschicht, wodurch eine zweite Emitterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche eine die erste Basisschicht nicht erreichende Tiefe aufweist und auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt, (e) einen Schritt eines Ausbildens eines als eine erste Hauptelektrode dienenden ersten Leiterfilms auf der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, (f) einen Schritt eines selektiven Ausbildens eines Isolationsfilms auf einem Abschnitt der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, welcher einem Weg zwischen der Emitterelektrode und der Gateelektrode, welche elektrisch miteinander zu verbinden sind, entspricht, (g) einen Schritt eines Ausbildens eines zweiten Leiterfilms auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und des Isolationsfilms, (h) einen Schritt eines selektiven Entfernens des zweiten Leiterfilms, wodurch jeweils eine zweite Hauptelektrode und die Emitterelektrode jeder Stufe auf der oberen Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht selektiv ausgebildet werden, die Gateelektrode jeder Stufe und die Kompensationselektrode auf der oberen Hauptoberfläche der zwei ten Basisschicht selektiv ausgebildet werden und ein Brückenabschnitt zum elektrischen Verbinden der Emitterelektrode jeder Stufe mit der Gateelektrode der nächsten Stufe auf dem Isolationsfilm selektiv ausgebildet wird, und (i) einen Schritt eines elektrischen Verbindens der Kompensationselektrode mit der zweiten Hauptelektrode durch einen Leiter auf.
Gemäß einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Thyristors, welcher Einheitsthyristoren wenigstens dreier Stufen einschließlich eines einer Eingangsstufe, welche durch ein extern eingegebenes Triggersignal gezündet wird, und eines einer Endstufe, welcher mit einem Hauptstrom gespeist wird, besitzt und eine Kollektorelektrode aufweist, (a) einen Schritt eines Vorbereitens eines Halbleitersubstrats eines ersten Leitfähigkeitstyps mit oberen und unteren Hauptoberflächen, (b) einen Schritt eines Einbringens eines Fremdmaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps in die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch das Halbleitersubstrat in eine Struktur umgewandelt wird, die eine erste Basisschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, welche auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt, und eine erste Emitterschicht, welche auf der unteren Hauptoberfläche freiliegt, aufweist, (c) einen Schritt eines Definierens einer ersten Region bis einer fünften oder größeren ungeradzahligen Region auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats derart, daß alle Regionen mit Ausnahme der ersten und zweiten ringförmig sind und jede Region an die äußere Seite der dieser vorangehenden Region angrenzt, während sie die dieser vorangehende Region umgibt, (d) einen Schritt eines Definierens von ringförmigen Innen-, Zwischen- und Außenregionen, welche alle geradzahligen Regionen mit Ausnahme der zweiten und vierten Region von dem inneren Umfang zu dem äußeren Umfang in drei teilt, (e) einen Schritt eines selektiven Einbringens eines Fremdmaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps in eine obere Hauptoberfläche der ersten Basisschicht, wodurch eine zweite Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf der oberen Hauptoberfläche mit Ausnahme der Zwischenregion in der ersten Basisschicht freiliegt, (f) einen Schritt eines selektiven Einbringens eines Fremdmaterials des ersten Leitfähigkeitstyps in eine obere Hauptoberfläche der zweiten Basisschicht, wodurch eine zweite Emitterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf jeder ungeradzahligen Region in der zweiten Basisschicht freiliegt, (g) einen Schritt eines Definierens eines Weges, welcher die Außenregion jeder geradzahligen Region mit Ausnahme der zweiten und vierten Region und jeder ungeradzahligen Region, welche um drei jünger als die geradzahlige Region ist, verbindet, auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und Ausbildens einer Isolationsschicht auf dem Weg, (h) einen Schritt eines Definierens eines Weges, welcher die Innenregion jeder geradzahligen Region mit Ausnahme der zweiten und vierten Region und die zweite Region miteinander verbindet, auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und Ausbildens einer Isolationsschicht auf dem Weg, (i) einen Schritt eines Ausbildens einer ersten Leiterschicht auf einer unteren Hauptoberfläche der ersten Emitterschicht, (j) einen Schritt eines Ausbildens einer zweiten Leiterschicht auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und auf der Isolationsschicht, und (k) einen Schritt eines selektiven Entfernens der zweiten Leiterschicht, wodurch eine ringförmige Elektrode, welche durch die Isolationsschicht in einen Abschnitt geteilt ist, auf sowohl der Innen- als auch der Außenregion der zweiten Region, wobei die ungeradzahligen Regionen mit Ausnahme der erste, dritten und letzten Region und die vierte Region bis zu der Region, welche um drei jünger als die letzte Region ist, und die innere Region der Region, welche der letzten Region vorangeht, ausgebildet wird, während eine ringförmige Elektrode auf jeder der Außenregionen der ersten Region, der letzten Region und der der letzten Region vorangehenden Region ausgebildet wird und ferner auf der Isolationsschicht ein Brückenabschnitt eines Leiters ausgebildet wird, welcher die Elektroden, die auf den durch den Pfad miteinander verbundenen Regionen ausgebildet sind, integral verbindet, auf.
Vorzugsweise weist das Verfahren vor dem Schritt (g) ferner (l) einen Schritt eines Einbringens eines Fremdmaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps in die Zwischenregion auf, wodurch eine Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf der Zwischenregion freiliegt, und die Halbleiterschicht vom zweiten Leitfähigkeitstyp ist seichter als die zweite Emitterschicht.
Gemäß einem dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung weist ein Verfahren zum Herstellen eines Thyristors, welcher Einheitsthyristoren wenigstens dreier Stufen einschließlich eines einer Eingangsstufe, welcher durch ein extern eingegebenes Triggersignal gezündet wird, und eines einer Endstufe, welcher mit einem Hauptstrom gespeist wird, besitzt und eine Kollektorelektrode aufweist, (a) einen Schritt eines Vorbereitens eines Halbleitersubstrats eines ersten Leitfähigkeitstyps mit oberen und unteren Hauptoberflächen, (b) einen Schritt eines Einbringens eines Fremdmaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps in die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch das Halbleitersubstrat in eine Struktur umgewandelt wird, die eine erste Emitterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf der unteren Hauptoberfläche freiliegt, eine erste Basisschicht des ersten Leitfähigkeitstyps, welche auf der ersten Emitterschicht ausgebildet ist, und eine zweite Basisschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf der ersten Basisschicht ausgebildet ist und auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt, aufweist, (c) einen Schritt eines Definierens einer ersten Region bis einer fünften oder größeren ungeradzahligen Region auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats derart, daß alle Regionen mit Ausnahme der ersten und zweiten ringförmig sind und jede Region an die äußere Seite der dieser vorangehenden Region angrenzt, während sie die dieser vorangehenden Region umgibt, (d) einen Schritt eines Definierens von ringförmigen Innen-, Zwischen- und Außenregionen, welche jede der geradzahligen Regionen mit Ausnahme der zweiten und vierten Region von dem inneren Umfang zu dem äußeren Umfang in drei teilt, (e) einen Schritt eines selektiven Einbringens eines Fremdmaterials des ersten Leitfähigkeitstyps in eine obere Hauptoberfläche der zweiten Basisschicht, wodurch eine zweite Emitterschicht des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf der ungeradzahligen Region in der zweiten Basisschicht freiliegt, (f) einen Schritt eines Ausbildens einer Rille, welche seichter als die erste Basisschicht ist, entlang der Zwischenregion, (g) einen Schritt eines Definierens eines Weges, welcher die Außenregion jeder geradzahligen Region mit Ausnahme der zweiten und vierten Region und jeder ungeradzahligen Region, welche um drei jünger als die geradzahlige Region ist, auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und Ausbildens einer Isolationsschicht auf dem Weg, (h) einen Schritt eines Definierens eines Weges, welcher die innere Region jeder geradzahligen Region mit Ausnahme der zweiten und vierten Region und der zweiten Region miteinander verbindet, auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und Ausbildens einer Isolationsschicht auf dem Weg, (i) einen Schritt eines Ausbildens einer ersten Leiterschicht auf einer unteren Hauptoberfläche der ersten Emitterschicht, (j) einen Schritt eines Ausbildens einer zweiten Leiterschicht auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und auf der Isolationsschicht, und (k) einen Schritt eines selektiven Entfernens der zweiten Leiterschicht, wodurch eine ringförmige Elektrode, welche durch die Isolationsschicht in einem Abschnitt geteilt wird, auf jeder der Innen- und Außenregionen der zweiten Region, der ungeradzahligen Regionen mit Ausnahme der ersten, dritten und letzten Region und der vierten Region bis zu der Region, welche um drei jünger als die letzte Region ist, und der Innenregion der Region, welche der letzten Region vorangeht, ausgebildet wird, während eine ringförmige Elektrode auf jeder der Außenregionen der ersten Region, der letzten Region und der der letzten Region vorangehenden Region ausgebildet wird, und ferner Ausbildens eines Brückenabschnitts eines Leiters, welcher die Elektroden, welche auf den durch den Weg miteinander verbundenen Regionen ausgebildet sind, integral verbindet, auf der Isolationsschicht auf.
Das Verfahren zum Herstellen eines Thyristors gemäß sowohl dem zweiten als auch dritten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist zum effizienten Herstellen des erfindungsgemäßen Thyristors geeignet.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung ersichtlich werden, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B zeigen den Aufbau eines Thyristors zur Veranschaulichung des Prinzips der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Ersatzschaltbild des in 1A und 1B gezeigten Thyristors;
3 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einem ersten Beispiel, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, zeigt;
4 ist eine Schnittansicht des optischen Thyristors entlang der Linie A-A' in 3;
5 ist eine Draufsicht, welche den Thyristor von 3 in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
6A und 6B veranschaulichen einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors von 3;
7A und 7B veranschaulichen einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors von 3;
8A und 8B veranschaulichen einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors von 3;
9 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors von 3;
10 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einem zweiten Beispiel;
11 ist eine Schnittansicht des optischen Thyristors entlang der Linie B-B' in 10;
12 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor von 11 in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
13 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors von 11;
14 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor von 11 zeigt;
15 ist eine Schnittansicht des optischen Thyristors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, genommen entlang der Linie C-C' in 14;
16 ist eine Draufsicht des optischen Thyristors von 11 in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden;
17A und 17B veranschaulichen Schritte eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß einem dritten Beispiel;
18 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors von 11;
19 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einem vierten Beispiel zeigt;
20 ist eine Schnittansicht des optischen Thyristors entlang der Linie D-D' in 19;
21 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor von 19 in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
22 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors von 19;
23 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einem fünften Beispiel zeigt;
24 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor entlang der Linie E-E' in 23 zeigt;
25 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor von 23 in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
26 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors von 23;
27 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einem Beispiel zeigt;
28 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor entlang der Linie F-F' in 27 zeigt;
29 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor von 27 in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden genommen zeigt;
30 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors von 27;
31 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einem siebenten Beispiel zeigt;
32 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor entlang der Linie G-G' in 31 zeigt;
33 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor von 32 in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
34 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors von 32;
35 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einem achten Beispiel zeigt;
36 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor entlang der Linie H-H' in 35 zeigt;
37 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor von 35 in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
38 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors von 35;
39 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einem neunten Beispiel zeigt;
40 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor entlang der Linie I-I' in 39 zeigt;
41 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor der Linie J-J' in 40 genommen zeigt;
42 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor von 39 in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
43 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors von 39;
44 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
45 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A' in 44 zeigt;
46 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie B-B' in 44 zeigt;
47 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
48A und 48B veranschaulichen Schritte eines Herstellens des optischen Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
49 veranschaulicht einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
50A und 50B veranschaulichen Schritte eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
51A und 51B veranschaulichen Schritte eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
52 veranschaulicht einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
53 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
54 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
55 ist eine Querschnittsansicht, welche den optischen Thyristor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie A-A' zeigt;
56 ist eine Querschnittsansicht, welche den optischen Thyristor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entlang der Linie B-B' zeigt;
57 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
58A und 58B veranschaulichen Schritte eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
59 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
60 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
61 ist eine Querschnittsansicht, welche den optischen Thyristor gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
62 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
63A und 63B veranschaulichen Schritte eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
64A und 64B veranschaulichen Schritte eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
65 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
66 ist eine Draufsicht, welche einen optischen Thyristor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
67 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
68 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einen Zustand vor Ausbildung von Elektroden zeigt;
69 veranschaulicht einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
70 veranschaulicht einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
71 veranschaulicht einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
72 veranschaulicht einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
73 veranschaulicht einen Schritt eines Herstellens des optischen Thyristors gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
74 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
75 ist eine Schnittansicht, welche einen optischen Thyristor gemäß dem Stand der Technik zeigt;
76 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht des in 75 gezeigten optischen Thyristors;
77 ist ein Ersatzschaltbild des optischen Thyristors gemäß dem Stand der Technik;
78 ist eine Schnittansicht, welche den optischen Thyristor gemäß dem Stand der Technik zeigt; und
79 ist eine Draufsicht, welche den optischen Thyristor gemäß dem Stand der Technik zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
<Prinzip der Ausführungsform>
Vor einer Erläuterung jeweiliger Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird nun das speziell auf das erste bis zehnte Beispiel, die nicht Teil der beanspruchten Erfindung sind, angewendete Prinzip, beschrieben. 1A und 1B veranschaulichen einen Thyristor gemäß jedem dieser Beispiele in einer modellhaften Weise. 1A ist eine Draufsicht, welche diesen Thyristor zeigt, und 1B ist eine geschnittene Vorderansicht, welche entlang der Linie A₀-A₀' in 1A genommen ist. Bei diesem Thyristor sind Einheitsthyristoren dreier Stufen einschließlich eines Erststufen-Hilfsthyristors ST₁, eines Zweitstufen-Hilfsthyristors ST₂ und eines Hauptthyristors MT parallel zueinander auf einem einzigen Halbleitersubstrat angeordnet. Vier Arten von Halbleiterschichten einschließlich einer P-Emitterschicht (erste Emitterschicht) 4 von P-Typ, einer N-Basisschicht (ersten Basischicht) 3 vom N-Typ, einer P-Basisschicht (zweiten Basisschicht) 2 vom P-Typ und N-Emitterschichten (zweiten Emitterschichten) 1, 11 und 12 vom N-Typ sind in dieser Reihenfolge auf dem Halbleitersubstrat, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, ausgebildet. Die N-Emitterschichten 1, 11 und 12 sind auf einer oberen Oberfläche der P-Basisschicht 2 selektiv ausgebildet. Die jeweiligen Schichten mit Ausnahme der N-Emitterschichten 1, 11 und 12 sind zwischen den jeweiligen Einheitsthyristoren zusammenhängend. Andererseits sind die N-Emitterschichten 1, 11 und 12, welche jeweils die Einheitsthyristoren ST₁, ST₂ und MT ausbilden, durch die P-Basisschicht 2 voneinander getrennt.
Eine Anodenelektrode (erste Hauptelektrode) A ist auf der P-Emitterschicht 4, welche auf der unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegt, ausgebildet. Andererseits sind Emitterelektroden E₁ und E₂ sowie eine Kathodenelektrode (zweite Hauptelektrode) K jeweils auf oberen Hauptoberflächen der N-Emitterschichten 1, 11 und 12 ausgebildet. Ferner sind Gateelektroden G₂ und G auf der oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 2 vorzugsweise in der Nähe der N-Emitterschichten 11 und 12 ausgebildet, um jeweils mit den Emitterelektroden E₁ und E₂ der vorhergehenden Stufe elektrisch verbunden zu sein.
Ferner sind Kompensationselektroden C (Ca, Cb und C0) auf drei Abschnitten der oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 2, jeweils vorzugsweise in der Nähe der Emitterschichten 11, 12 und 1, ausgebildet. Diese Kompensationselektroden C sind elektrisch miteinander wie auch mit der Kathodenelektrode K verbunden. Die Kompensationselektrode Ca, welche sich in der Nähe des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ befindet, ist vorzugsweise so ausgebildet, daß sie einem Gatesignal-Eingangsteil G₁, welcher ein Abschnitt ist, der in dem Hilfsthyristor ST₁ ein Gatesignal empfängt, durch die N-Emitterschicht 11 gegenübersteht. In ähnlicher Weise sind die Kompensationselektroden Cb und C0, welche sich in der Nähe der Einheitsthyristoren ST₂ und MT befinden, vorzugsweise so ausgebildet, daß sie den Gateelektroden G₂ und G jeweils durch die N-Emitterschichten 12 und 1 gegenüberstehen.
<Normaler Betrieb des in 1A und 1B gezeigten Thyristors>
Der Thyristor mit dem vorgenannten Aufbau arbeitet wie folgt: Wenn durch Verbindung mit einer externen Energiequelle (nicht gezeigt) eine positive Spannung über die Anodenelektrode A und die Kathodenelektrode K angelegt wird und dem Triggersignal-Eingangsteil G₁ des Hilfsthyristors ST₁ ein Triggerstrom durchgeführt wird, läuft dieser Triggerstrom durch einen Abschnitt der P-Basisschicht 2, welcher sich unter der N-Emitterschicht 11 befindet, und fließt in die Kompensationselektrode Ca, welche sich in der Nähe der N-Emitterschicht 11 befindet. Der in die Kompensationselektrode Ca fließende Triggerstrom fließt weiter durch die Kathodenelektrode K in Richtung der externen Energiequelle. In dem Weg des von dem Triggersignal-Eingangsteil G₁ zu der Kompensationselektrode Ca fließenden Triggerstroms wird durch einen Widerstand R₁₀ entlang diesem Weg eine Potentialdifferenz verursacht. Die N-Emitterschicht 11 wird durch diese Potentialdifferenz in Durchlaßrichtung vorgespannt. Wenn die höchste Spannung dieser Vorspannung in Durchlaßrichtung sich dem Wert eines Diffusionspotentials, welcher dem Übergang zwischen der N-Emitterschicht 11 und der P-Basisschicht 2 eigentümlich ist, annähert, wird eine Elektroneninjektion von der N-Emitterschicht 11 in die P-Basisschicht 2 abrupt erhöht, wodurch der Hilfsthyristor ST₁ von dem Übergang aus durchgeschaltet wird.
Der Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₁ wird durch einen Verbindungsdraht als ein Triggerstrom der Gateelektrode G₂ des Hilfsthyristors ST₂ zugeführt. Der Triggerstrom läuft, wie er angelegt wird, durch einen Abschnitt der P-Basisschicht 12, welcher sich unter der N-Emitterschicht 12 befindet, und fließt in die Kompensationselektrode Cb, welche sich in der Nähe der N-Emitterschicht 12 befindet. In einem Weg des von der Gateelektrode G₂ zu der Kompensationselektrode Cb fließenden Triggerstroms wird durch einen Widerstand R₂₀ entlang diesem Weg eine Potentialdifferenz hervorgerufen. Diese Potentialdifferenz spannt die N-Emitterschicht 12 in Durchlaßrichtung vor, wodurch der Hilfsthyristor ST₂ durchgeschaltet wird. Dieser Durchschaltstrom wird ferner durch einen Verbindungsdraht als ein Triggerstrom der Gateelektrode G der Hauptelektrode MT zugeführt. Der Triggerstrom läuft, wie er zugeführt wird, durch einen Abschnitt der P-Basisschicht 2, welcher sich unter der N-Emitterschicht 1 befindet, und fließt in die Kompensationselektrode C, welche sich in der Nähe der N-Emitterschicht 1 befindet. In einem Weg des von der Gateelektrode G zu der Kompensationselektrode C fließenden Triggerstroms wird durch einen Widerstand R₃₀ entlang diesem Weg eine Potentialdifferenz hervorgerufen.
Die Durchschaltströme für die Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂ werden entlang den Stufen nacheinander verstärkt. Daher ist der Triggerstrom für den Hauptthyristor MT weitaus größer als der dem Erststufen-Hilfsthyristor ST₁ zugeführte und legt an die N-Emitterschicht 1 eine hinreichend große Vorspannung an. Infolgedessen wird der Hauptthyristor MT durchgeschaltet. Daher fließt ein Hauptstrom von der Anodenelektrode A zu der Kathodenelektrode K.
Ein Widerstand R₁₂ eines Wegs zwischen der Gateelektrode 2 und der Kompensationselektrode Ca, welche sich in der Nähe des Hilfsthyristors ST₁ befindet, ist im Vergleich mit dem Widerstand R₂₀ auf einen größeren Wert festgelegt. Daher fließt der Triggerstrom, welcher von der Gateelektrode G₂ her zugeführt wird, vorzugsweise durch den Weg mit dem Widerstand R₂₀, verglichen mit dem, welcher den Widerstand R₁₂ aufweist. In ähnlicher Weise ist der Widerstand R₂₃ eines Wegs zwischen der Elektrode G und der Kompensationselektrode Cb, welche sich in der Nähe des Hilfsthyristors ST₂ befindet, im Vergleich mit dem Widerstand R₃₀ auf einen höheren Wert festgelegt. Daher fließt der Triggerstrom, welcher von der Gateelektrode G her zugeführt wird, vorzugsweise durch den Weg mit dem Widerstand R₃₀, verglichen mit dem mit dem Widerstand R₂₃. Daher werden der Hilfsthyristor ST₂ und der Hauptthyristor MT mit ausgezeichneter Empfindlichkeit durchgeschaltet.
Nachdem die Gateelektroden G₁, G₂, und G so angeordnet sind, wie in 1A und 1B gezeigt, fließen die an die Einheitsthyristoren ST₁, ST₂ und MT angelegten Triggerströme unabhängig voneinander durch den Widerstand R₁₀, R₂₀ und R₃₀. Mit anderen Worten, die Wege der jeweiligen Triggerströme sind voneinander getrennt. Dies dient einer wesentlichen Funktion beim Dämpfen von durch Verschiebungsströme ausgelösten Einflüssen, wie später beschrieben.
<Charakteristischer Betrieb des in 1A und 1B gezeigten Thyristors>
Man betrachte den Fall, daß über die Anodenelektrode A und die Kathodenelektrode K in dem Thyristor mit dem vorgenannten Aufbau ein Spannungsrauschen mit einer großen Spannungsänderungsrate, d.h. einem großen Wert von dv/dt, angelegt wird. Zu dieser Zeit werden Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀, welche auf Sperrschichtkapazitäten C₁₀ bis C₃₀ ansprechen, von zwischen der N-Basisschicht 3 und der P-Basisschicht 2 in dem Thyristor ausgebildeten P/N-Übergängen erzeugt. Die Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀, welche in den P/N-Sperrschichtkapazitäten C₁₀ bis C₃₀ der Einheitsthyristoren ST₁, ST₂ und MT erzeugt werden, fließen durch die P-Basisschicht 2 in die Kompensationselektrode C und fließen weiter durch die Kathodenelektrode K in die externe Energiequelle. Insbesondere fließen die Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀ durch die gleichen Wege wie die vorgenannten Triggerströme.
Eine Spannung, welche durch das Produkt des Widerstands R₁₀ mit dem Verschiebungsstrom I₁₀ geliefert wird, wird in dem den Verschiebungsstrom I₁₀ zuführenden Weg erzeugt. Falls der Verschiebungsstrom I₂₀ in dem Einheitsthyristor ST₂ der nächsten Stufe nicht erzeugt wird, wirkt diese Spannung so, daß sie den P/N-Übergang zwischen der N-Emitterschicht 11 und dem unmittelbar unter derselben gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 2 in Durchlaßrichtung vorzuspannen, so daß der Hilfsthyristor ST₁ durchgeschaltet wird, wenn diese Vorspannung in Durchlaßrichtung das Diffusionspotential des Übergangs erreicht. D.h., der Hilfsthyristor ST₁ wird durch den Verschiebungsstrom I₁₀ anormal durchgeschaltet (anormal gezündet).
In ähnlicher Weise wird eine Spannung, welche durch das Produkt des Widerstands R₂₀ mit dem Verschiebungsstrom I₂₀ geliefert wird, in dem den Verschiebungsstrom I₂₀ zuführenden Weg erzeugt. Falls in dem letzten Einheitsthyristor MT der Verschiebungsstrom I₃₀ nicht erzeugt wird, wirkt diese Spannung so, daß sie den P/N-Übergang zwischen der N-Emitterschicht 12 und dem unmittelbar unter derselben gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 2 in Vorwärtsrichtung vorspannt.
Ferner wird eine Spannung, welche von dem Produkt des Widerstands R₃₀ mit dem Verschiebungsstrom I₃₀ geliefert wird, in dem den Verschiebungsstrom I₃₀ zuführenden Weg erzeugt, und dieser Strom wirkt so, daß er den P/N-Übergang zwischen der N-Emitterschicht 1 und dem unmittelbar unter demselben gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 2 als solchen in Durchlaßrichtung vorspannt.
2 ist ein Schaltbild, welches eine Schaltung zeigt, die auf das Verhalten der Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀ bezogen ist. Dioden D₁₀ bis D₃₀ drücken P/N-Über gänge zwischen den N-Emitterschichten 11, 12 und 1 und den Abschnitten der P-Basisschicht 2, welche hieran angrenzen, aus. Nachdem die Emitterelektroden der Einheitsthyristoren einer jeweiligen Stufe mit den Gateelektroden der nächsten Stufe verbunden sind, ist es möglich, die Dioden D₁₀ bis D₃₀ so auszudrücken, daß sie in dieser Reihenfolge miteinander in Reihe geschaltet sind.
Wie aus dem Schaltbild von 2 verstanden wird, wird die durch das Produkt des Verschiebungsstroms I₁₀ mit dem Widerstand R₁₀ gelieferte Spannung nicht als solche an die Diode D₁₀ als eine Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt, vielmehr wird dieselbe durch die von dem Produkt des Verschiebungsstroms I₂₀ mit dem Widerstand R₂₀ gelieferte Spannung abgeschwächt. In ähnlicher Weise wird eine Spannung, welche durch Subtrahieren der von dem Produkt des Verschiebungsstroms I₃₀ mit dem Widerstand R₃₀ gelieferten von der von dem Produkt des Verschiebungsstroms I₂₀ mit dem Widerstand R₂₀ gelieferten erhalten wird, als eine Vorwärtsspannung an die Diode D₂₀ angelegt. D.h., eine von den Verschiebungsströmen hervorgerufenen anormale Zündung der Eingangs- und Zweitstufen-Einheitsthyristoren ST₁ und ST₂ wird aufgrund der Wirkung der in geeigneter Weise angeordneten Kompensationselektroden C in diesem optischen Thyristor unterdrückt. Daher kann dieser Thyristor einen hohen dv/dt-Widerstand aufweisen. Dies ist ebenfalls auf einen Thyristor mit einer anderen Anzahl von Einheitsthyristoren anwendbar. Vorwärts-Vorspannungen in N-Emitterschichten aller Hilfsthyristoren werden so abgeschwächt, daß eine anormale Zündung aller Hilfsthyristoren unterdrückt wird.
Ferner ist es auch möglich, durch geeignetes Festlegen der Werte der Widerstände R₁₀ bis R₃₀ die an die Dioden D₁₀ und D₂₀ angelegten Vorspannungen in Durchlaßrichtung im Wesentlichen auslöschen. Die Widerstände R₁₀ bis R₃₀ entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀ entsprechen im Wesentlichen Werten von Querwiderständen der P-Basisschicht 2 in den unmittelbar unter den N-Emitterschichten 11, 12 bzw. 1 gelegenen Positionen. Daher ist es möglich, durch geeignetes Steuern der Werte der Querwiderstände der P-Basisschicht 2 in diesen Abschnitten eine anormale Zündung der Eingangs- und Zweitstufen-Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂ wirksam zu unterdrücken.
Die an die Dioden D₁₀ bis D₃₀ angelegten Vorwärts-Vorspannungen werden abgeschwächt, nachdem die die Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀ zuführenden Wege voneinander unabhängig sind, wie in dem Schaltbild von 2 gezeigt. Wenn die Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀ durch einen gemeinsamen Widerstand fließen, wird die Wirkung eines Abschwächens der Vorspannungen in Durchlaßrichtung beseitigt oder geschwächt. Mit anderen Worten, die Trennung der Wege der Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀, d.h. die Wege der Triggerströme für die jeweiligen Einheitsthyristoren, weist eine wichtige Funktion beim Unterdrücken einer anormalen Zündung der Einheitsthyristoren auf. Während es in der Praxis schwierig ist, die alle Teile der Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀ zuführenden Wege zu trennen, tritt die Wirkung eines Abschwächens der Vorspannungen in Durchlaßrichtung in hinreichender Weise soweit ein, wie die Wege, welche Hauptteile der Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀ zuführen, voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten, die Wege der Hauptteile der Triggerströme für die Einheitsthyristoren können in einfacher Weise voneinander getrennt werden.
Es ist möglich, eine anormale Zündung eines Einheitsthyristors einer Stufe durch Trennen des Wegs (Wegs eines Triggerstroms) eines Verschiebungsstroms, welche in diesem Einheitsthyristor erzeugt wird, von dem (Weg eines Triggerstroms) eines Verschiebungsstroms, welcher in dem Einheitsthyristor einer nächsten Stufe erzeugt wird, in hinreichender Weise zu unterdrücken. Wenn der Weg (Weg des Triggerstroms für den Hilfsthyristor ST₁) des Verschiebungsstroms I₁₀ nur von dem Weg (Weg des Triggerstroms für den Hilfsthyristor ST₂) des Verschiebungsstroms I₂₀ getrennt ist, wird wenigstens eine anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ unterdrückt. Dieses Beispiel wird später mit Bezug auf die achte und neunte Ausführungsform beschrieben.
Bei diesem Thyristor sind die Kompensationselektroden C im Unterschied zu der Kollektorelektrode in dem Stand der Technik mit der Kathodenelektrode K verbunden, wodurch die Verschiebungsströme I₁₀ und I₂₀ der Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂, welche in den Kompensationselektroden Ca und Cb aufgespeichert werden, nicht auf den Übergang zwischen der N-Emitterschicht 1 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 2 wirken werden, um die Vorspannung in Durchlaßrichtung zu erhöhen. Insbesondere werden die Verschiebungsströme I₁₀ und I₂₀ der Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂, die in den Kompensationselektroden Ca und Cb aufgespeichert werden, eine anormale Zündung des Hauptthyristors MT nicht begünstigen. Bei diesem Thyristor ist es daher nicht erforderlich, Kurzschlußabschnitte übermäßiger Flächen in dem Hauptthyristor MT vorzusehen, wodurch eine Verbesserung des dv/dt-Widerstands und einer Sicherstellung des di/dt-Widerstands in verträglicher Weise implementiert werden.
Nachdem die Kompensationselektroden C mit der Kathodenelektrode K verbunden sind, ist es ferner möglich, den Weg des Verschiebungsstroms I₂₀ des Hilfsthyristors ST₂ (im allgemeinen des Endstufen-Hilfsthyristors) von dem des Verschiebungsstroms I₃₀ des Hauptthyristors MT zu trennen, wie in 1A und 1B gezeigt. Daher ist es auch möglich, eine anormale Zündung des Endstufen-Hilfsthyristors ST₂ zu unterdrücken. Auch in einem Thyristor, welcher aus Einheitsthyristoren zweier Stufen einschließlich eines Hilfsthyristors einer Stufe und eines Hauptthyristors ausgebildet ist, ist es daher möglich, eine anormale Zündung des Hilfsthyristors zu unterdrücken (in der ersten bis vierten Ausführungsform veranschaulicht).
Bei dem in 1A und 1B gezeigten Thyristor sind die Kompensationselektroden C derart angeordnet, daß die Wege der Triggerströme für die Einheitsthyristoren ST₁, ST₂ und MT durch die unmittelbar unter den N-Emitterschichten 11, 12 und 1 gelegene Abschnitte hindurchtreten, wie vorstehend beschrieben, wodurch eine korrekte Zündung der Einheitsthyristoren ST₁, ST₂ und MT durch die Triggerströme nicht behindert wird. Falls die in den Wegen der Triggerströme erzeugten Spannungen hinreichend hoch sind, um die Einheitsthyristoren ST₁, ST₂ und MT zu zünden, d.h. falls die Widerstände R₁₀ bis R₃₀ entlang den Wegen hinreichend hoch sind, wird jedoch auch eine normale Zündung nicht verhindert. Mit anderen Worten, es ist nicht erforderlich, einen Aufbau derart vorzusehen, daß die Triggerströme durch die unmittelbar unter den N-Emitterschichten 11, 12 und 1 gelegenen Abschnitte hindurchtreten, um eine normale Zündung der Einheitsthyristoren ST₁₀, ST₂₀ und MT zu implementieren. Durch diesen Aufbau gibt es allerdings einen Vorteil dahingehend, daß eine normale Zündung leicht gewährleistet wird.
Der Aufbau eines ringförmigen Umgebens der Abschnitte wie etwa der Gateelektroden, welche mit den Triggerströmen versorgt werden, mit der N-Emitterschicht, während die Kompensationselektroden C außerhalb derselben angeordnet sind, ist insbesondere wirksam zur Sicherstellung einer normalen Zündung, nachdem die Triggerströme, welche von den Gateelektroden aus zugeführt werden, unweigerlich durch die unmittelbar unter der N-Emitterschicht gelegenen Abschnitte hindurchtreten. In den später beschriebenen Beispielen und Ausführungsformen werden eine Anzahl von beispielhaften Einheitsthyristoren, welche diesen Aufbau einsetzen, aufgenommen.
Um die Widerstände R12 und R23 über die Wege der Verschiebungsströme I₁₀ bis I₃₀ hinweg zu verbessern, ist es wirksam, eine Struktur eines Vergrößerns der zwischen den Wegen angeordneten Abschnitte der P-Basisschicht 2 in einer Dicke, d.h. eine Struktur eines Vergrößerns der Abstände zwischen den Wegen, eine Struktur eines selektiven Vorsehens einer N-Emitterschicht wie etwa die N-Emitterschicht 1 des Hauptthyristors MT beispielsweise zwischen den Wegen, oder eine Struktur eines Vorsehens von Rillen zwischen den Wegen einzusetzen.
Zunächst werden einige Beispiele von Thyristoren beschrieben werden, die der allgemeinen Idee folgen, aber nicht Teil der vorliegenden Erfindung bilden.
<Erstes Beispiel>
<1-1. Aufbau der Vorrichtung>
Ein erstes Beispiel, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, wird nun beschrieben. 3 bis 5, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß diesem Beispiel veranschaulichen, sind eine Draufsicht, eine entlang der Linie A-A' in 3 genommene Schnittansicht bzw. eine Draufsicht unter Weglassung von Elektroden. mit Bezug auf diese Fign. werden in 1A und 1B eingesetzte Symbole A, K, E_K, G_K und C für die Elektroden für die entsprechenden Elektroden ebenfalls mit Klammern () eingesetzt. Dies trifft auch auf die restlichen Beispiele und Ausführungsformen zu.
Bei diesem Thyristor werden eine Hauptemitterschicht 101 vom N-Typ, eine P-Basisschicht 102 vom P-Typ, eine N-Basisschicht 103 vom N-Typ und eine P-Emitter-schicht 104 vom P-Typ auf einem im wesentlichen scheibenförmigen Halbleitersubstrat aus Silizium, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, schichtweise ausgebildet, wodurch ein Hauptthyristor MT ausgebildet wird. Eine kreisförmige Hilfsemitterschicht 105 vom N-Typ befindet sich im wesentlichen in der Mitte des Halbleitersubtrats und bildet mit der P-Basisschicht 102, der N-Basisschicht 103 und der P-Emitterschicht 104 einen Hilfsthyristor ST₁ aus. Die Hilfsemitterschicht 105 ist durch die P-Basisschicht 101 von der Hauptemitterschicht 102 getrennt. Insbesondere ist dieser Thyristor ein zweistufiger Thyristor, welcher einen Hilfssthyristor ST₁ einer Stufe und den Hauptthyristor MT aufweist.
Der Hilfsthyristor ST₁ ist auf seiner Mitte mit einem Licht empfangenden Abschnitt 114 versehen, welcher mit einem Film 115 aus SiO₂ oder dergleichen beschichtet ist, um als ein Antireflexionsfilm zu dienen. Die Dicke des Antireflexionsfilms 115 ist in bevorzugtester Weise ein ungeradzahliges Vielfaches eines durch Teilen von 1/4 der Wellenlänge eines optischen Triggersignals durch den Brechungsindex des Antireflexionsfilms 115 erhaltenen Wert. Wenn der Antireflexionsfilm 115 ein einschichtiger Film ist, ist es möglich, durch Festlegen der Dicke des Antireflexionsfilms 115 auf dem zuvor erwähnten Niveau einen Reflexionsgrad zu minimieren, wodurch ein Verlust des optischen Signals minimiert wird. Es ist möglich, eine ausgezeichnete Antireflexionseigenschaft zu erreichen, wenn die Dicke des Antireflexionsfilms 115 eine Beziehung von A – 30 nm ≤ Dicke des Isolationsfilms ≤ A + 30 nm in Be zug auf A = (2 × n – 1) × λ/(4 × N) erfüllt, wobei n eine natürliche Zahl darstellt, λ eine mittlere Wellenlänge des optischen Signals darstellt und N den Brechungsindex des Isolierfilms darstellt.
Erste Regionen 106 sind als Teile der P-Basisschicht 102 definiert, welche so ausgebildet sind, daß sie an die Hauptemitterschicht 101 angrenzen und mit der selben umgeben sind, während sie auf der oberen Hauptoberfläche freiliegen. Diese ersten Regionen 106 sind so definiert, daß sie zwei Abschnitte belegen, welche um den Hilfsthyristor ST₁ herum, welcher sich im Wesentlichen in der Mitte des Halbleitersubstrats befindet, symmetrisch zueinander sind. Eine zweite Region 107 ist als ein Teil der P-Basisschicht 102 definiert, welche so ausgebildet ist, daß sie die Hilfsemitterschicht 105 umgibt, wenn sie mit der Hauptemitterschicht 101 umgeben ist und auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt. Die ersten Regionen 106 und die zweite Region 107 sind durch Teile der Hauptemitterschicht 101 voneinander getrennt. Eine Kathodenelektrode 108 befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Hauptemitterschicht 101. Die Hauptemitterschicht 101 ist darin mit einer mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 116, welche in der Form von kleinen, vertikal durch dieselbe hindurchtretenden Löcher vorliegen, versehen, so daß die Kathodenelektrode 108 durch die Kurzschlußabschnitte 116 mit der P-Basisschicht 102 kurzgeschlossen ist. Abschnitte der Kathodenelektrode 108, welche sich in Kontakt mit den Kurzschlußabschnitten 116 befinden, fungieren als Kompensationselektroden.
Eine Anodenelektrode 109 befindet sich in elektrischem Kontakt mit einer unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 104. Eine Hilfsemitterschicht 110 ist auf der Hilfsemitterschicht 105 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der Hilfsemitterschicht 105 befindet. Gateelektroden 111 des Hauptthyristors MT sind auf den ersten Regionen 106 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit den ersten Regionen 106 befinden. Eine Kompensationselektrode 112, welche auf der zweiten Region 107 ausgebildet ist, befindet sich in elektrischem Kontakt mit der zweiten Region 107 und ist integral mit der Kathodenelektrode 108 ausgebildet. Drähte 113 wie etwa Aluminiumdrähte verbinden die Hilfsemitterelektrode 110 elektrisch mit der Gateelektrode 111.
<1-2. Schritte zum Herstellen der Vorrichtung>
Ein Verfahren zum Herstellen dieses optischen Thyristors wird nun beschrieben. 6A bis 8 veranschaulichen beispielhafte Schritte des Herstellungsverfahrens. Um den optischen Thyristor herzustellen, wird ein Halbleitersubstrat 150 aus Silizium vom N-Typ, welches eine im Wesentlichen scheibenförmige Gestalt aufweist und ein Fremdmaterial vom N-Typ in vergleichsweise niedriger Konzentration enthält, vorbereitet, wie in 6A gezeigt. Dann wird ein Fremdmaterial vom P-Typ wie etwa Bor in insgesamt gegenüberliegende Hauptoberflächen des Halbleitersubstrats 150 eingebracht. Somit wird das Halbleitersubstrat 150 in eine derartige Struktur gebracht, daß eine P-Basisschicht 102 vom P-Typ, eine N-Basisschicht 103 vom N-Typ und eine P-Emitterschicht 104 vom P-Typ nacheinander gestapelt sind, um die Seite der oberen Hauptoberfläche ausbilden.
Dann wird ein Oxidfilm, welcher auf dem Halbleitersubstrat 150 selektiv ausgebildet wird, als eine Maske eingesetzt, um ein Fremdmaterial vom N-Typ wie etwa Phosphor selektiv in die obere Hauptoberfläche einzubringen, wodurch eine Hilfsemitterschicht 105 vom N-Typ, welche auf einer oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 102 selektiv freiliegt, und eine Hauptemitterschicht 101 vom N-Typ mit einer im Wesentlichen kreisförmigen äußeren Kontur in der P-Basisschicht 102 ausgebildet wird, wie in 7A gezeigt. Ein Oxidfilm wird auf einer Region der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 150 ausgebildet, um die Hauptemitterschicht 101 mit einer verstreuten Anordnung einer Mehrzahl von kleinen Regionen ausbilden. Damit wird die Hauptemitterschicht 101, wie sie ausgebildet ist, mit einer Mehrzahl von vertikal hindurchtretenden Durchgangslöchern versehen, so daß die P-Basisschicht 102 auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 150 durch die Durchgangslöcher freiliegt. D.h., eine Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 116 wird gleichzeitig mit der Hauptemitterschicht 101 ausgebildet. Danach wird der als eine Maske eingesetzte Oxidfilm entfernt. Die Technik eines selektiven Einbringens eines Fremdmaterials durch einen als eine Maske dienenden Oxidfilm ist an sich in dem Stand der Technik wohlbekannt, und daher sind Schritte zum Ausbilden und Entfernen des Oxidfilms nicht dargestellt.
Dann wird die Mitte der Hilfsemitterschicht 105 durch Ätzen teilweise entfernt, wodurch ein Licht empfangender Abschnitt 114 ausgebildet wird, wie in 7B gezeigt.
Dann wird ein Oxidfilm 115 ausgebildet, um den Licht empfangenden Abschnitt 114 zu bedecken, wie in 8A gezeigt, so daß seine Dicke ein ungeradzahliges Vielfaches eines Werts beträgt, welcher durch Teilen von 1/4 der Wellenlänge eines optischen Triggersignals durch den Brechungsindex des Oxidfilms erhalten wird.
Dann werden Metallfilme 151 und 109 aus Aluminium oder dergleichen durch Aufdampfung oder dergleichen auf beiden Hauptoberflächen ausgebildet, wie in 8B gezeigt. Der auf der unteren Hauptoberfläche ausgebildete Metallfilm 109 fungiert als solche als die Anodenelektrode 109.
Mit Bezug wiederum auf 4 wird der auf der oberen Hauptoberfläche ausgebildete Metallfilm 151 selektiv geätzt, wodurch gleichzeitig die Kathodenelektrode 108, die Hilfsemitterelektrode 110, die Gateelektroden 111 und die mit der Kathodenelektrode 118 integral ausgebildete Kompensationselektrode 112 gleichzeitig ausgebildet werden. Dann werden die Hilfsemitterelektrode 110 und die Gateelekroden 111 durch Verdrahtungsmaterialien wie etwa Aluminiumdrähte miteinander in elektrischem Kontakt gebracht.
Gemäß diesem Verfahren werden die Kompensationselektrode 112 und die Kathodenelektrode 108 nicht durch ein Verdrahtungsmaterial miteinander elektrisch verbunden, sondern integral miteinander ausgebildet, wodurch die Herstellungsschritte vereinfacht werden.
<1-3. Gewöhnlicher Betrieb der Vorrichtung>
Der gewöhnliche Betrieb dieser Vorrichtung wird nun mit Bezug auf 4 beschrieben. Um diese Vorrichtung zu verwenden, wird eine externe Energiequelle an der Anodenelektrode 109 und die Kathodenelektrode 108 angeschlossen, um eine positive Spannung über diese Elektroden anzulegen. Der Licht empfangende Abschnitt 114 wird unter Anlegen dieser positiven Spannung mit einem optischen Triggersignal bestrahlt, wodurch ein Fotostrom in auf beiden Seiten eines P/N-Übergangs, welcher zwischen der N-Basisschicht 103 und der P-Basisschicht 102 des Hilfsthyristors ST₁ ausgebildet ist, vorgesehenen Verarmungsschichtregionen erzeugt wird, um in die P-Basisschicht 102 zu fließen. Dieser Fotostrom fließt in Querrichtung durch die P-Basisschicht 102, um danach in die Kompensationselektrode 112 zu fließen, welche auf der zweiten Region 107 ausgebildet ist. Der Weg des Fotostroms ist identisch mit dem (gezeigt in 4) eines Verschiebungsstroms I₁₁, welcher später beschrieben wird. Der Fotostrom, welcher in die Kompensationselektrode 112 fließt, fließt weiter von der Kathodenelektrode 108 in die externe Energiequelle.
Infolgedessen entwickelt der Fotostrom in dem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 105 des Hilfsthyristors ST₁ gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 102 eine Potentialdifferenz in Querrichtung, wodurch ein P/N-Übergang, welcher zwischen der Hilfsemitterschicht 105 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 102 ausgebildet ist, in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Wenn die Spannung der Vorwärts-Vorspannung sich dem Wert des Diffusionspotentials, welches dem P/N-Übergang eigentümlich ist, annähert, wird eine Elektroneninjektion von der Hilfsemitterschicht 105 in die P-Basisschicht 102 abrupt erhöht, um den Hilfsthyristor ST₁ durchzuschalten. Der Durchlaßstrom für den Hilfsthyristor ST₁ fließt von der Hilfsemitterelektrode 110 zu den Drähten 113 und der Gateelektrode 111, wodurch er der ersten Region 106 zugeführt wird. Der der ersten Region 106 aus zugeführte Durchschaltstrom fungiert als ein Gatestrom für den Hauptthyristor MT.
Der der ersten Region 106 zugeführte Gatestrom fließt in Querrichtung durch die P-Basisschicht 102 und läuft danach durch die in der Hauptemitterschicht 101 vorgesehenen Kurzschlußabschnitte 116 hindurch, wodurch er in die Kathodenelektrode 108 fließt. Dieser Gatestrom ist bei weitem größer als der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Fotostrom, wodurch eine hohe Spannung entlang dem Weg des Gatestroms erzeugt wird. Als ein Ergebnis wird eine hinreichend hohe Vorspannung in Durchlaßrichtung an den P/N-Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 101 und der P-Basisschicht 102 angelegt, wodurch der Hauptthyristor MT durchgeschaltet wird. Somit fließt ein Hauptstrom von der Anodenelektrode 109 zu der Kathodenelektrode 108. D.h. der Thyristor leitet.
Um die Lichtempfindlichkeit des Thyristors zu verbessern, kann im allgemeinen ein Querwiderstand des unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 105 des Hilfsthyristors ST₁, welcher zuerst eingeschaltet wird, gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 102 erhöht werden. Damit wird die entlang dem Weg des Fotostroms erzeugte Spannung erhöht, wodurch der Hilfsthyristor ST₁ leicht durchgeschaltet wird. D.h., die Lichtempfindlichkeit des Thyristors wird verbessert.
<1-4. Charakteristischer Betrieb der Vorrichtung>
Nun wird eine Beschreibung bezüglich des Betriebs des optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem großen Wert von dv/dt angelegt ist. Zu dieser Zeit wird durch eine Kapazität C₁₁ des Übergangs zwischen der Hilfsemitterschicht 105 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 102 ein Verschiebungsstrom I₁₁ erzeugt, während ein Verschiebungsstrom I_m1 durch eine Kapazität C_m1 des Übergangs zwischen der Hauptemitterschicht 101 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 102 erzeugt wird. Der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Verschiebungsstrom I₁₁ fließt durch die P-Basisschicht 112 entlang dem gleichen Weg wie der Fotostrom in die Kompensationselektrode 112 und fließt danach in Richtung der Kathodenelektrode 108. Dieser Verschiebungsstrom I₁₁ entwickelt hauptsächlich in dem Abschnitt der P-Basisschicht 102, welcher sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 105 befindet, aufgrund ei nes in dem Weg vorgesehenen Widerstand R₁₁ eine Potentialdifferenz in Querrichtung.
Andererseits fließt der in dem Hauptthyristor MT erzeugte Verschiebungsstrom I_m1 durch den gleichen Weg wie der Gatestrom in die Kathodenelektrode 108. Dieser Verschiebungsstrom I_m1 entwickelt hauptsächlich in dem Abschnitt der P-Basisschicht 102, welcher sich unmittelbar unter der Hauptemitterschicht 101 des Hauptthyristors MT befindet, aufgrund eines in dem Weg vorgesehenen Widerstandes R_m1 eine Potentialdifferenz in Querrichtung. Somit sind die Wege der zwei Verschiebungsströme I₁₁ und I_m1 in ähnlicher Weise wie die Wege des Fotostroms und des Gatestroms voneinander getrennt, um die Potentialdifferenzen auf der Grundlage der Widerstände R₁ und R_m1, welche den jeweiligen Wegen eigentümlich sind, hervorzubringen.
9 ist ein Ersatzschaltbild dieses Thyristors, welches sich auf ein Verhalten der Verschiebungsströme I₁₁ und I_m1 bezieht. Dioden D₁₁ und D_m1 drücken jeweils in äquivalenter Weise die Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 105 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 102 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 101 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 102 aus. Die Widerstände R₁₁ und R_m1, welche diejenigen entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₁ bzw. I_m1 sind wie zuvor beschrieben, entsprechen im Wesentlichen Querwiderständen der unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 105 und der Hauptemitterschicht 102 gelegenen Abschnitte der P-Basisschicht 102. Einzelne Enden der jeweiligen Widerstände R₁₁ und R_m1 sind mit der Kathodenelektrode 108 (K) kurzgeschlossen.
Eine Spannung, die dem Produkt des Verschiebungsstroms I₁₁ mit dem Widerstand R₁₁ entspricht, wird an ei ne Anode der Diode 11 angelegt. Allerdings wird diese Spannung nicht als solche über die Anode und eine Kathode der Diode I₁₁, d.h. den Übergang zwischen der Hilfsemitterschicht 105 und der P-Basisschicht 102, als eine Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt. Nachdem eine dem Produkt des Verschiebungsstroms I_m1 mit dem Widerstand R_m1 entsprechende Spannung an die Kathode der Diode D₁₁ angelegt wird, wird eine Vorwärts-Vorspannung, welche der Differenz (I₁₁ × R₁₁ – I_m1 × R_m1) zwischen diesen zwei Spannungen entspricht, über die Anode und die Kathode der Diode 11 angelegt. Insbesondere wird die Vorspannung in Durchlaßrichtung für den Hilfsthyristor ST₁, welche ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₁₁ gebracht wird, durch den Verschiebungsstrom I_m1 abgeschwächt. Daher wird eine durch den Verschiebungsstrom I₁₁ verursachte anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ unterdrückt, wodurch der gesamte Thyristor bezüglich seines dv/dt-Widerstands verbessert wird.
Ferner ist es auch möglich, durch Einstellen der Widerstände R₁₁ und R_m1 oder der vorgenannten Querwiderstände, welche Hauptteile hiervon ausbilden, die an den Übergang des Hilfsthyristors ST₁ angelegte Vorspannung in Durchlaßrichtung auszulöschen.
Die Parameter, welche die Lichtempfindlichkeit entscheiden, sind der Wert des Fotostroms und des Widerstands R₁₁ (in anderen Worten, der Querwiderstand des hauptsächlich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 105 gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 102), während jene, welche den dv/dt-Widerstand entscheiden, der Verschiebungsstrom I_m1 und der Widerstand R_m1 seines Wegs sind. Daher ist es möglich, die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand unabhängig voneinander zu entscheiden, wodurch der dv/dt-Widerstand ohne Reduzierung der Lichtempfindlichkeit verbessert wird.
Bei diesem Thyristor wird ferner der Verschiebungsstrom I₁₁, welcher in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugt wird, nicht in die Kurzschlußabschnitte 116 zum Kurzschließen der Kathodenelektrode 108 und der P-Basisschicht 102 fließen, wodurch die Flächen der Kurzschlußabschnitte 116 reduziert werden können. Der Hauptthyristor MT kann aufgrund einer solchen Flächenreduktion der Kurzschlußabschnitte 116 leicht durchgeschaltet werden, wodurch ein Leitungsbereich (Fläche einer Leitung implementierenden Region) in dem Hauptthyristor MT in der Durchschaltzeit schnell vergrößert wird. Infolgedessen wird der di/dt-Widerstand verbessert, und die Durchschaltzeit wird verringert. Ferner kann die Fläche der Kathodenelektrode 108 aufgrund der Flächenreduktion der Kurzschlußabschnitte 116 erhöht werden, wodurch es möglich ist, eine Durchlaßspannung (über die Anodenelektrode 109 und die Kathodenelektrode 108 entwickelte Spannung, wenn der Thyristor in einen leitfähigen Zustand gebracht wird, während eine externe Last kurzgeschlossen wird, d.h. eine Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung V_CE(sat)), zu reduzieren und einen Stoßstromwiderstand zu verbessern.
<Zweites Beispiel>
Ein zweites Beispiel, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet, wird nun beschrieben. 10 bis 12, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß diesem Beispiel veranschaulichen, sind eine Draufsicht, eine entlang der Linie B-B' in 10 genommene Schnittansicht und eine Draufsicht, welche den Thyristor unter Weglassung von Elektroden zeigt.
Bei diesem Thyristor sind eine Hauptemitterschicht 201 vom N-Typ, eine P-Basisschicht 202 vom P-Typ, eine N- Basisschicht 203 vom N-Typ und eine P-Emitterschicht 204 vom P-Typ auf einem im wesentlichen scheibenförmigen Halbleitersubstrat aus Silizium, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, schichtweise ausgebildet, wodurch ein Hauptthyristor MT ausgebildet wird. Eine kreisförmige Hilfsemitterschicht 205 vom N-Typ ist auf einem im wesentlichen zentralen Abschnitt des Halbleitersubstrats angeordnet, um mit der P-Basisschicht 202, der N-Basisschicht 203 und der P-Emitterschicht 204 einen Hilfsthyristor ST₁ ausbilden. Die Hilfsemitterschicht 205 und die Hauptemitterschicht 201 sind durch die P-Basisschicht 202 voneinander getrennt. D.h., dieser Thyristor ist ähnlich dem ersten Beispiel ein Thyristor eines zweistufigen Aufbaus mit einem Hilfsthyristor ST₁ einer Stufe und dem Hauptthyristor MT.
Der Hilfsthyristor ST1 ist auf seiner Mitte mit einem Licht empfangenden Abschnitt 114 versehen, welcher mit einem Antireflexionsfilm 215 beschichtet ist. Die Dicke des Antireflexionsfilms 215 ist ähnlich der in dem ersten Beispiel festgelegt.
Erste und zweite Regionen 206 und 207 sind auf oberen Hauptoberflächen von Abschnitten der P-Basisschicht 202, welche an die Hilfsemitterschicht 205 des Hilfsthyristors ST₁, welcher in einem im wesentlichen mittleren Abschnitt des Halbleitersubstrats angeordnet ist, und die Hauptemitterschicht 201 des Hauptthyristors MT angrenzen, definiert und erstrecken sich in zwei radialen Richtungen durch dieselbe hindurch. Die erste Region 206 ist in der Nähe beider Enden der P-Basisschicht 202 definiert, während die zweite Region 207 in der Nähe der Hilfsemitterschicht 205 definiert ist. Die ersten und zweiten Regionen 206 und 207 sind zwei Regionen, welche auf der gleichen P-Basisschicht 202 definiert sind, und sind durch die P-Basisschicht 202 miteinander verbunden. Allerdings sind die ersten und zweiten Regionen 206 und 207 hinreichend voneinander getrennt, und daher ist der zwischen diesen Regionen gelegene Abschnitt der P-Basisschicht 202 mit einem hinreichend hohen Widerstand festgelegt.
Eine Kathodenelektrode 208 befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Hauptemitterschicht 201. Die Hauptemitterschicht 201 ist mit einer Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 216 in der Form von vertikal durch dieselben hindurchtretenden Löchern versehen, so daß die Kathodenelektrode 208 durch die Kurzschlußabschnitte 216 mit der P-Basisschicht 202 kurzgeschlossen ist. Abschnitte der Kathodenelektrode 208, welche sich in Kontakt mit den Kurzschlußabschnitten 216 befinden, dienen als Kompensationselektroden. Eine Anodenelektrode 209 befindet sich in elektrischem Kontakt mit einer unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 204. Eine Hilfsemitterelektrode 210 ist auf der Hilfsemitterschicht so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der Hilfsemitterschicht 205 befindet. Gateelektroden 211 des Hauptthyristors MT sind auf der ersten Region 206 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der ersten Region 206 befinden. Eine Kompensationselektrode 212, welche auf der zweiten Region 207 ausgebildet ist, befindet sich in elektrischem Kontakt mit der zweiten Region 207 und ist integral mit der Kathodenelektrode 208 ausgebildet. Drähte 213 wie etwa Aluminiumdrähte verbinden die Hilfsemitterelektrode 210 und die Gateelektroden 211 elektrisch miteinander. Bei diesem Thyristor ist im Unterschied zu der Vorrichtung gemäß dem ersten Beispiel keine Kathodenelektrode 208 unmittelbar unter den Drähten 213 vorgesehen, wodurch ein Signifikanzniveau eines Kurzschlusses zwischen den Drähten 213 und der Kathodenelektrode 208 reduziert ist, um eine höhere Zuverlässigkeit zu erreichen.
Ein Verfahren zum Herstellen des optischen Thyristors ist dem für den optischen Thyristor gemäß dem ersten Beispiel ähnlich.
Nun wird der gewöhnliche Betrieb dieses Thyristors beschrieben. Betriebsabschnitte, welche denen des ersten Beispiels gemeinsam sind, sind leicht beschrieben. Wenn eine positive Spannung über die Anodenelektrode 209 und die Kathodenelektrode 208 angelegt wird und der Licht empfangende Abschnitt 214 mit einem optischen Triggersignal bestrahlt wird, wird in dem Hilfsthyristor ST₁ ein Fotostrom erzeugt. Dieser Fotostrom fließt durch den gleichen Weg wie ein später beschriebener Verschiebungsstrom I₁₂ (gezeigt in 11) in die Kompensationselektrode 212 und fließt weiter in der Kathodenelektrode 108 in Richtung einer externen Energiequelle. Wenn der Licht empfangende Abschnitt 214 mit einem optischen Triggersignal bestrahlt wird, welches so hoch ist, daß der Fotostrom einen vorgeschriebenen Wert überschreitet, wird der Hilfsthyristor ST₁ durchgeschaltet. Der Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₁ fließt von der Hilfsemitterelektrode 210 zu den Drähten 213 und den Gateelektroden 211, wodurch er der ersten Region 206 als ein Gatestrom für den Hauptthyristor MT zugeführt wird.
Nachdem ein Widerstand zwischen den ersten und zweiten Regionen 206 und 207 auf einem hinreichend hohen Niveau festgelegt ist, ist der Gatestrom, welcher der ersten Region 206 zugeführt wird, nicht auf die in der zweiten Region 207 vorgesehene Kompensationselektrode 211 gerichtet, sondern fließt vorzugsweise durch die in der Hauptemitterschicht 201 vorgesehenen Kurzschlußabschnitte 216 zu der Kathodenelektrode 208. Während dieses Beispiel im Unterschied zu dem ersten Beispiel mit keiner die ersten und zweiten Regionen 206 und 207 trennenden Hauptemitterschicht 202 versehen ist, sind die zwei Regionen 206 und 207 wie oben beschrieben in hinreichender Weise voneinander getrennt, um den Widerstand hierzwischen in hinreichender Weise zu erhöhen, wodurch ein Weg des Gatestroms ähnlich dem in dem ersten Beispiel ist. Daher wird der Gatestrom in effizienter Weise zum Anlegen einer Vorspannung in Durchlaßrichtung an die Hauptemitterschicht 201 des Hauptthyristors MT ausgenutzt. Infolgedessen wird der Hauptthyristor MT durchgeschaltet, um den Thyristor in einen leitenden Zustand zu bringen.
Nun wird eine Beschreibung bezüglich einer charakteristischen Betriebsweise des optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen Wert von dv/dt angelegt ist. Auf Anlegen eines solchen Spannungsrauschens hin fließen Verschiebungsströme I₁₂ und I_m2, welche durch Kapazitäten C₁₂ und C_m2 von Übergängen zwischen der Hilfsemitterschicht 205 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 202 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 201 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 202 erzeugt werden, durch die gleichen Wege wie der Fotostrom bzw. der Gatestrom in die Kathodenelektrode 108. Daher wird dieser Thyristor in äquivalenter Weise durch ein Schaltbild ausgedrückt, welches in 13 gezeigt ist. Dioden D₁₂ und D_m2 drücken die Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 205 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 202 bzw. zwischen der Hauptemitterschicht 201 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 202 aus. Widerstände R₁₂ und R_m2, welche entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₂ bzw. I_m2 vorliegen, entsprechen hauptsächlich Querwiderständen der Abschnitte der P-Basisschicht 202, welche sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 205 bzw. der Hauptemitterschicht 201 befinden.
Wie aus dem Schaltbild von 13 verstanden wird, wird eine Vorspannung in Durchlaßrichtung entsprechend der Spannungsdifferenz (I₁₂ × R₁₂ – I_m2 × R_m2) entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₂ und I_m2 über eine Anode und eine Kathode der Diode D₁₂ angelegt. D.h., eine Vorspannung in Durchlaßrichtung für den Hilfsthyristor ST₁, welche ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₁₂ hervorgebracht wird, wird durch den Verschiebungsstrom I_m2 abgeschwächt. Daher wird eine durch den Verschiebungsstrom I₁₂ hervorgerufene anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ unterdrückt, wodurch der Gesamtthyristor in seinem dv/dt-Widerstand verbessert wird. Es ist auch möglich, durch Einstellen der Widerstände R₁₂ und R_m2 eine Vorwärts-Vorspannung, welche an die Grenzfläche des Hilfsthyristors ST₁ angelegt wird, auszulöschen. Zusätzlich ist es möglich, die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand unabhängig von einander zu entscheiden, wodurch der dv/dt-Widerstand ohne Reduzieren der Lichtempfindlichkeit verbessert werden kann.
Ferner wird der Verschiebungsstrom I₁₂, welcher in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugt wird, ähnlich dem Thyristor gemäß dem ersten Beispiel nicht in die Kurzschlußabschnitte 216 fließen, wodurch es möglich ist, den di/dt-Widerstand, die Durchschaltzeit, die Durchlaßspannung und den Stoßstromwiderstand zu verbessern.
<Drittes Beispiel>
Nun wird ein drittes Beispiel beschrieben, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet. 14 bis 16, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß diesem Beispiel veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, eine entlang der Linie C-C' in 14 genommene Schnittansicht und eine den Thyristor unter Weglassung von Elektroden zeigende Draufsicht.
Bei diesem Thyristor sind eine Hauptemitterschicht 301 vom N-Typ, eine P-Basisschicht 302 vom P-Typ, eine N-Basisschicht 303 vom N-Typ und eine P-Emitterschicht 304 vom P-Typ auf einem im wesentlichen scheibenförmigen Halbleitersubstrat aus Silizium, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, schichtweise ausgebildet, wodurch ein Hauptthyristor MT gebildet wird. Eine kreisförmige Hilfsemitterschicht 305 vom N-Typ ist im wesentlichen in der Mitte des Halbleitersubstrats angeordnet, um mit der P-Basisschicht 302, der N-Basisschicht 303 und der P-Emitterschicht 304 einen Hilfsthyristor ST₁ ausbilden. Ferner sind die Hilfsemitterschicht 305 und die Hauptemitterschicht 301 durch die P-Basisschicht 302 voneinander getrennt. D.h., dieser Thyristor ist ähnlich dem ersten Beispiel ebenfalls ein Thyristor eines zweistufigen Aufbaus, welche einen Hilfsthyristor ST₁ einer Stufe und den Hauptthyristor MT aufweist.
Der Hilfsthyristor ST₁ ist auf seiner Mitte mit einem Licht empfangenden Abschnitt 314 versehen, welcher mit einem Antireflexionsfilm 315 beschichtet ist. Die Dicke des Antireflexionsfilms 315 ist in ähnlicher Weise wie die des ersten Beispiels optimiert.
Erste und zweite Regionen 306 und 307 sind in ähnlicher Weise wie die ersten und zweiten Regionen 106 und 107 in dem ersten Beispiel definiert. Daher sind die ersten und zweiten Regionen 306 und 307 durch einen Teil der Hauptemitterschicht 301 voneinander getrennt. Die minimale Breite des Teils des Hauptemitterschicht 301, welcher die ersten und zweiten Regionen 306 und 307 voneinander trennt, beträgt vorzugsweise nicht mehr als maximal 2 mm. Falls die minimale Breite 2 mm übersteigt, weist ein Abschnitt der P-Basisschicht 302, welcher sich unter diesem Teil der Hauptemitterschicht 301 befindet, einen übermäßigen Querwiderstand auf, um eine anormale Zündung des Teils der Hauptemitterschicht 301 durch einen später beschriebenen Verschiebungsstrom zu bewirken, was zu einer Reduzierung im dv/dt-Widerstand des Gesamtthyristors führt.
Eine Kathodenelektrode 308 befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Hauptemitterschicht 301. Die Hauptemitterschicht 301 ist mit einer Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 316 in der Form von vertikal durch dieselben hindurchtretenden kleinen Löchern versehen, so daß die Kathodenelektrode 308 durch die Kurzschlußabschnitte 316 mit der P-Basisschicht 302 kurzgeschlossen ist. Abschnitte der Kathodenelektrode 308, welche sich in Kontakt mit den Kurzschlußabschnitten 316 befinden, dienen als Kompensationselektroden. Eine Anodenelektrode 309 befindet sich in elektrischem Kontakt mit einer unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 304. Eine Hilfsemitterelektrode 310 ist auf der Hilfsemitterschicht 305 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der Hilfsemitterschicht 305 befindet. Gateelektroden 311 des Hauptthyristors MT sind auf der ersten Region 306 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der ersten Region 306 befinden. Eine Kompensationselektrode 312, welche auf den zweiten Regionen 307 ausgebildet ist, befindet sich in elektrischem Kontakt mit der zweiten Region 307 und ist integral mit der Kathodenelektrode 308 ausgebildet.
Ein serieller elektrischer Isolierfilm 313 ist so ausgebildet, daß er sich über Teile der Hilfsemitterschicht 305, der zweiten Region 307, der Hauptemitterschicht 301 bzw. der ersten Region 307 erstreckt. Ein leitfähiger Brückenabschnitt 317 ist integral mit der Emitterelektrode 310 und der Gateelektrode 311 auf dem Isolierfilm 313 ausgebildet. Dieser Brückenabschnitt 317 verbindet die Emitterelektrode 310 und die Gateelektroden 311 elektrisch miteinander. Nachdem die Emitterelektrode 310 und die Gateelektroden 311 nicht durch Verdrahtungsmaterialien, sondern durch den integral mit den miteinander zu verbindenden Elektroden ausgebildeten Brückenabschnitt 317 miteinander verbunden sind, ist der Thyristor dadurch in vorteilhafter Weise in seiner Zuverlässigkeit verbessert, ohne daß eine Möglichkeit zur Trennung in den Verdrahtungsmaterialien und zu Kurzschlüssen mit anderen Abschnitten besteht.
Ein Verfahren zum Herstellen dieses optischen Thyristors wird nun beschrieben. 17A und 17B sind Prozeßdiagramme, welche Schritte zum Herstellen des Thyristors gemäß diesem Beispiel zeigen. Ein Schritt eines Vorbereitens eines Halbleitersubstrats bis zu dem eines Ausbildens eines Licht empfangenden Abschnitts 314 sind denen des ersten Beispiels ähnlich. Danach werden Isolierfilme 313 und 315 wie etwa Oxidfilme auf dem Halbleitersubstrat selektiv ausgebildet, wie in 17A gezeigt. Der Isolierfilm 315 wird so ausgebildet, daß er den Licht empfangenden Abschnitt 314 bedeckt, während der Isolierfilm 313 selektiv so ausgebildet wird, daß er sich jeweils über Teile einer Hilfsemitterschicht 305, einer zweiten Region 317, einer Hauptemitterschicht 301 und einer ersten Region 316 erstreckt. Diese Isolierfilme 313 und 315 werden so eingestellt, daß sie jeweils vorgeschriebene Dicken aufweisen.
Danach werden Metallfilme 351 und 309 aus Aluminium oder dergleichen durch Aufdampfen oder dergleichen auf beiden Hauptoberflächen ausgebildet, wie in 17B gezeigt. Der auf der unteren Hauptoberfläche vorgesehene Metallfilm 309 fungiert als solcher als die Anodenelektrode 309.
Mit Bezug wiederum auf 15 wird der auf der oberen Hauptoberfläche vorgesehene Metallfilm 351 selektiv geätzt, um gleichzeitig die Kathodenelektrode 308, die Hilfsemitterelektrode 310, die Gateelektroden 311, die Kompensationselektrode 312, welche mit der Kathodenelektrode 318 integriert ist, und den Brückenabschnitt 317, welcher mit der Emitterelektrode 310 und den Gateelektroden 311 integriert ist, ausbilden.
In dem Verfahren zum Herstellen des Thyristors gemäß diesem Beispiel wird der Brückenabschnitt 317 gleichzeitig mit anderen Elektroden ausgebildet, während er durch den Isolierfilm 313, welcher gleichzeitig mit dem Antireflexionsfilm 315 des Licht empfangenden Abschnitts 314 ausgebildet wird, von der Hauptemitterschicht 311 isoliert wird, statt nach Ausbildung der Elektroden eine Aluminiumverdrahtung vorzusehen, wodurch die Herstellungsschritte in vorteilhafter Weise vereinfacht werden.
Der gewöhnliche Betrieb dieses Thyristors ist dem des ersten Beispiels ähnlich. Ferner ist auch ein charakteristischer Betrieb dieses Thyristors, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt wird, ähnlich dem des ersten Beispiels. D.h., Verschiebungsströme I₁₃ und I_m3, welche durch Kapazitäten C₁₃ und C_m3 von Übergängen zwischen der Hilfsemitterschicht 305 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 302 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 301 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 302 erzeugt werden, fließen durch die gleichen Wege wie der Fotostrom bzw. der Gatestrom in die Kathodenelektrode 308. Diese Wege sind voneinander getrennt. Daher wird dieser Thyristor in äquivalenter Weise durch ein Schaltbild ausgedrückt, welches in 18 gezeigt ist. Dioden D₁₃ und D_m3 drücken die Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 305 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basischicht 302 bzw. zwischen der Hauptemitterschicht 301 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 302 aus. Widerstände R₁₃ und R_m3, welche entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₃ bzw. I_m3 vorliegen, entsprechen hauptsächlich den Querwiderständen von Abschnitten der P-Basisschicht 302, welche sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 305 bzw. der Hauptemitterschicht 301 befinden.
Wie aus dem Schaltbild von 18 verstanden wird, wird eine Vorspannung in Durchlaßrichtung entsprechend der Spannungsdifferenz (I₁₃ × R₁₃ – I_m3 × R_m3 entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₃ und I_m3 über eine Anode und eine Kathode der Diode D₁₃ angelegt. Insbesondere wird eine Vorspannung in Durchlaßrichtung für den Hilfsthyristor ST₁, welcher ursprünglich von dem Verschiebungsstrom I₁₃ hervorgebracht wird, durch den Verschiebungsstrom I_m3 abgeschwächt. Daher wird eine durch den Verschiebungsstrom I₁₃ hervorgerufene anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ unterdrückt, wodurch der dv/dt-Widerstand des Gesamtthyristors verbessert wird. Es ist auch möglich, durch Einstellen der Widerstände R₁₃ und R_m3 eine an den Übergang des Hilfsthyristors ST₁ angelegte Vorspannung in Durchlaßrichtung auszulöschen. Zusätzlich ist es möglich, die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand unabhängig voneinander zu entscheiden, wodurch der dv/dt-Widerstand verbessert werden kann, ohne die Lichtempfindlichkeit zu reduzieren.
Ferner wird der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Verschiebungsstrom I₁₃ in ähnlicher Weise wie bei dem Thyristor gemäß dem ersten Beispiel nicht in die Kurzschlußabschnitte 316 fließen, wodurch es möglich ist, den di/dt-Widerstand, die Durchschaltzeit, die Durchlaßspannung und den Stoßstromwiderstand zu verbessern.
<Viertes Beispiel>
Nun wird ein viertes Beispiel beschrieben, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet. 19 bis 21 veranschaulichen den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß diesem Beispiel als eine Draufsicht, eine entlang der Linie D-D' in 19 genommene Querschnittsansicht bzw. eine Draufsicht, welche den Thyristor unter Weglassung von Elektroden zeigt.
Bei diesem Thyristor sind eine Hauptemitterschicht 401 vom N-Typ, eine P-Basisschicht 402 vom P-Typ, eine N-Basisschicht 403 vom N-Typ und eine P-Emitterschicht 404 vom P-Typ auf einem im wesentlichen scheibenförmigen Halbleitersubstrat aus Silizium, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, schichtweise ausgebildet, wodurch ein Hauptthyristor MT ausgebildet wird. Eine Hilfsemitterschicht 405 vom N-Typ bildet mit der P-Basisschicht 402, der N-Basisschicht 403 und der P-Emitterschicht 404 einen Hilfsthyristor ST₁ aus. D.h., dieser Thyristor ist ähnlich wie das erste Beispiel ebenfalls ein Thyristor eines zweistufigen Aufbaus, welcher einen Hilfsthyristor ST₁ einer Stufe und den Hauptthyristor MT aufweist.
Ferner sind die Hilfsemitterschicht 405 und die Hauptemitterschicht 401 durch die P-Basisschicht 402 voneinander getrennt. Die Hilfsemitterschicht 405 weist einen kreisförmigen mittleren Abschnitt, welcher im wesentlichen in der Mitte des Halbleitersubstrats angeordnet ist, und einen Armabschnitt 413, welcher sich zu dem äußeren Umfang hin erstreckt, auf. Ein Abschnitt der P-Basisschicht 402, welcher an die äußere Seite der Hilfsemitterschicht 402 angrenzt, erstreckt sich in zwei radialen Richtungen, um den Armabschnitt 413 in der Form einer Scheide zu umgeben. Die Hilfsemitterschicht 405 ist auf ihrer Mitte mit einem Licht empfangenden Abschnitt 414 versehen, welcher mit einem Antireflexionsfilm 415 beschichtet ist. Die Dicke des Antireflexionsfilms 415 ist in ähnlicher Weise wie die in dem ersten Beispiel festgelegt.
Erste und zweite Regionen 406 und 407 sind auf einer oberen Hauptoberfläche eines Abschnitts der P-Basisschicht 402, welcher zwischen der Hilfsemitterschicht 405 und der Hauptemitterschicht 401 gehalten wird, definiert. Die erste Region 406 ist in der Nähe beider Enden der P-Basisschicht 402 definiert, während die zweite Region 407 in der Nähe des mittleren Abschnitts der Hilfsemitterschicht 405 definiert ist. Die erste und die zweite Region 406 und 407, welche zwei auf der gleichen P-Basisschicht 402 definierte Regionen sind, sind durch die P-Basisschicht 402 miteinander verbunden. Der Abschnitt der P-Basisschicht 402, welcher diese Regionen miteinander verbindet, erstreckt sich jedoch in der Form einer Scheide entlang dem Armabschnitt 413 der Hilfsemitterschicht 405. Daher ist es möglich, den Widerstand der P-Basisschicht 202 zwischen diesen Regionen im Vergleich mit dem Thyristor gemäß dem zweiten Beispielauf einem hohen Niveau festzulegen.
Eine Kathodenelektrode 408 befindet sich in elektrischem Kontakt mit der Hauptemitterschicht 401. Die Hauptemitterschicht 401 ist darin mit einer Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 416, welche in der Form von vertikal durch dieselbe hindurchtretenden kleinen Löchern vorliegen, versehen, so daß die Kathodenelektrode 408 durch die Kurzschlußabschnitte 416 mit der P-Basisschicht 402 kurzgeschlossen ist. Abschnitte der Kathodenelektrode 408, welche sich in Kontakt mit den Kurzschlußabschnitten 416 befinden, dienen als Kompensationselektroden. Eine Anodenelektrode 409 befindet sich in elektrischem Kontakt mit einer unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 404. Eine Hilfsemitterelektrode 410 ist so auf der Hilfsemitterschicht 405 ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der Hilfsemitterschicht 405 befindet. Gateelektroden 411 des Hauptthyristors MT sind so auf der ersten Region 406 ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der ersten Region 406 befinden. Eine Kompensationselektrode 412, welche auf der zweiten Region 407 ausgebildet ist, befindet sich in elektrischem Kontakt mit der zweiten Region 407 und ist integral mit der Kathodenelektrode 408 ausgebildet.
Ein leitender Brückenabschnitt 417 zum elektrischen Verbinden der Hilfsemitterelektrode 410 und der Gateelektroden 411 miteinander ist auf dem Armabschnitt 413 integral mit der Hilfsemitterelektrode 410 und den Gateelektroden 411 ausgebildet. So sind die Hilfsemitterelektrode 410 und die Gateelektroden 411 nicht durch Verdrahtungsmaterialien, sondern durch den integral mit den miteinander zu verbindenden Elektroden ausgebildeten Brückenabschnitt 417 miteinander verbunden, wodurch der Thyristor in vorteilhafter Weise in der Zuverlässigkeit verbessert ist, wobei keine Möglichkeit zur Trennung in den Verdrahtungsmaterialien und für einen Kurzschluß mit anderen Abschnitten besteht. Ferner ist es nicht erforderlich, den Brückenabschnitt 417 auf einem Isolierfilm ausbilden, wodurch ein Pinhole-Management eines solchen Isolierfilms nicht erforderlich ist und der Thyristor in Zuverlässigkeit und Produktivität verbessert ist.
Ein Verfahren zum Herstellen dieses optischen Thyristors wird nun beschrieben. Ein Schritt eines Vorbereitens eines Halbleitersubstrats 150 bis zu dem eines Ausbildens von Metallfilmen 151 und 109 auf beiden Seiten des Halbleitersubstrats (8B) sind denen des ersten Beispiels identisch. Der auf der unteren Hauptoberfläche vorgesehene Metallfilm 109 fungiert als solcher als die Anodenelektrode 409.
Dann wird der auf der oberen Hauptoberfläche vorgesehene Metallfilm 151 selektiv geätzt, um die Kathodenelektrode 408, die Hilfsemitterelektrode 410, die Gateelektroden 411, die Kompensationselektrode 412, welche mit der Kathodenelektrode 418 integriert ist, und den Brückenabschnitt 417, welcher mit der Emitterelektrode 410 und den Gateelektroden 411 integriert ist, gleichzeitig ausbilden (20).
In dem Verfahren zum Herstellen des Thyristors gemäß diesem Beispiel wird der Brückenabschnitt 417 gleichzeitig mit den anderen Elektroden ausgebildet, statt nach Ausbildung der Elektroden Aluminiumdrähte oder dergleichen vorzusehen, und es ist nicht erforderlich, zwischen dem Brückenabschnitt 417 und dem Halbleitersubstrat einen Isolierfilm vorzusehen, wodurch die Herstellungsschritte vereinfacht werden.
Der gewöhnliche Betrieb dieses Thyristors ist dem des zweiten Beispiels ähnlich. Ferner ist ein charakteristischer Betrieb dieses Thyristors, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt wird, ebenfalls dem des zweiten Beispiels ähnlich. Aufgrund eines Anlegens eines solchen Spannungsrauschens werden Verschiebungsströme I₁₄ und I_m4 von Kapazitäten C₁₄ und C_m4 von Übergängen zwischen der Hilfsemitterschicht 405 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht bzw. zwischen der Hauptemitterschicht 401 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 402 erzeugt. Diese Verschiebungsströme I₁₄ und I_m4 laufen durch die gleichen Wege wie ein Fotostrom bzw. ein Gatestrom. Insbesondere läuft der Verschiebungsstrom I₁₄ durch einen Abschnitt der P-Basisschicht 402, welcher sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 405 befindet, und fließt in Richtung der Kompensationselektrode 412. Andererseits ist der Verschiebungsstrom I_m4 nicht auf die in der zweiten Region 407 vorgesehene Kompensationselektrode 411 gerichtet, sondern fließt vorzugsweise durch die in der Hauptemitterschicht 401 vorgesehenen Kurzschlußabschnitte 416 zu der Kathodenelektrode 408, nachdem der Widerstand zwischen der ersten und der zweiten Region 406 und 407 auf einen hinreichend hohen Wert festgelegt ist. Diese Wege sind voneinander getrennt. Daher wird dieser Thyristor in äquivalenter Weise durch ein in 22 gezeigtes Schaltbild ausgedrückt.
Mit Bezug auf 22 drücken Dioden D₁₄ und D_m4 die Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 405 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 402 bzw. zwischen der Hauptemitterschicht 401 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 402 aus. Widerstände R₁₄ und R_m4, welche entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₄ bzw. I_m4 vorliegen, entsprechen hauptsächlich Querwiderständen von Abschnitten der P-Basisschicht 402, welche sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 405 bzw. der Hauptemitterschicht 401 befinden.
Wie aus dem Schaltbild von 22 verstanden wird, wird eine Vorspannung in Durchlaßrichtung entsprechend der Spannungsdifferenz (I₁₄ × R₁₄ – I_m4 × R_m4) entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₄ und I_m4 über eine Anode und eine Kathode der Diode D₁₄ hinweg angelegt. D.h., eine Vorspannung in Durchlaßrichtung für den Hilfsthyristor ST₁, welche ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₁₄ hervorgebracht wird, wird durch den Verschiebungsstrom I_m4 abgeschwächt. Daher wird eine durch den Verschiebungsstrom I₁₄ verursachte anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ unterdrückt, wodurch der dv/dt-Widerstand des Gesamtthyristors verbessert wird. Es ist auch möglich, durch Einstellen der Widerstände R₁₄ und R_m4 die an den Übergang des Hilfsthyristors ST₁ angelegte Vorspannung in Durchlaßrichtung auszulöschen. Zusätzlich ist es möglich, die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand unabhängig voneinander zu entscheiden, wodurch der dv/dt-Widerstand verbessert werden kann, ohne die Lichtempfindlichkeit zu verringern.
Ferner wird der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Verschiebungsstrom ähnlich wie bei dem Thyristor gemäß dem ersten Beispiel nicht in die Kurzschlußabschnitte 416 fließen, wodurch es möglich ist, den di/dt-Widerstand, die Durchschaltzeit, die Durchlaßspannung und den Stoßstromwiderstand zu verbessern.
<Fünftes Beispiel>
<5-1. Aufbau der Vorrichtung>
Nun wird ein fünftes Beispiel beschrieben, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet. Bei einem schweren Thyristor mit einem großen Durchmesser wird allgemein eine mehrstufige verstärkende Gatestruktur eingesetzt, um den di/dt-Widerstand, welcher einer Vergrößerung des Durchmessers folgend reduziert ist, und die Stehspannung zu verbessern. Ein Thyristor gemäß diesem Beispiel setzt die mehrstufige verstärkende Gatestruktur ein. 23 bis 25, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß diesem Beispiel veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, eine entlang der Linie E-E' in 23 genommene Querschnittsansicht sowie eine Draufsicht, welche den Thyristor unter Weglassung von Elektroden zeigt.
Bei diesem optischen Thyristor sind eine Hauptemitterschicht 501 vom N-Typ, eine P-Basisschicht 502 vom P-Typ, eine N-Basischicht 503 vom N-Typ und eine P-Emitter-schicht 504 vom P-Typ auf einem im wesentlichen scheiben-förmigen Halbleitersubstrat aus Silizium, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, schichtförmig ausgebildet, wodurch ein Hauptthyristor MT ausgebildet wird. Eine kreisförmige Hilfsemitterschicht 505a vom N-Typ ist im wesentlichen in der Mitte des Halbleitersubstrats angeordnet und bildet mit der P-Basisschicht 502, der N-Basisschicht 503 und der P-Emitterschicht 504 einen Erststufen-Hilfsthyristor ST₁ aus. Ringförmige Hilfsemitterschichten 505b vom N-Typ und Abschnitte 513a der P-Basisschicht 502, welche mit derselben umgeben sind, bilden mit der N-Basisschicht 503 und der P-Emitterschicht 504 Zweitstufen-Hilfsthyristoren ST₂ aus. Ferner bilden ringförmige Hilfsemitterschichten 505c vom N-Typ und Abschnitte 513b der P-Basischicht 502, welche mit denselben umgeben sind, mit der N-Basisschicht 503 und der P-Emitterschicht 504 Drittstufen-Hilfsthyristoren ST₃ aus. D.h., dieser Thyristor weist einen vierstufigen Aufbau auf, welche mit Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ dreier Stufen und dem Hauptthyristor MT ausgestattet ist.
Die Hilfsemitterschicht 505a des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ ist auf seiner Mitte mit einem Licht empfangenden Abschnitt 514 versehen. Der Licht empfangende Abschnitt 514 ist mit einem Antireflexionsfilm 515 beschichtet, dessen Dicke in ähnlicher Weise wie der in dem ersten Beispiel optimiert ist.
Der Hilfsthyristor ST₁ ist auf einem zentralen Abschnitt vorgesehen, die Hilfsthyristoren ST₂ sind auf zwei Abschnitten um denselben herum vorgesehen, während die Hilfsthyristoren ST₃ auf sechs Abschnitten um dieselben herum vorgesehen sind, so daß diese Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ unabhängig voneinander mit der Hauptemitter schicht 501 des Hauptthyristors MT umgeben sind. Abschnitte der P-Basisschicht 502, welche an die Hauptemitterschicht 501 angrenzen, mit der Hauptemitterschicht 501 umgeben sind und auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, sind in vier Abschnitten als erste Regionen 506 ausgebildet. Ferner sind Abschnitte, welche die Hilfsemitterschichten 505a, 505b und 505c, die mit der Hauptemitterschicht 501 umgeben sind und ringförmig auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, umgeben, als zweite Regionen 507a, 507b und 507c ausgebildet. Die ersten und zweiten Regionen 506, 507a, 507b und 507c sind durch die Hauptemitterschicht 501 voneinander getrennt.
Eine Kathodenelektrode 508 ist auf der oberen Hauptoberfläche der Hauptemitterschicht 501 so ausgebildet, daß sie elektrisch mit der Hauptemitterschicht 501 verbunden ist. Die Hauptemitterschicht 501 ist darin mit einer Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 516 in der Form von vertikal durch dieselbe hindurchtretenden Löchern versehen, so daß die Kathodenelektrode 508 durch die Kurzschlußabschnitte 516 mit der P-Basisschicht 205 kurzgeschlossen ist. Abschnitte der Kathodenelektrode 508, welche sich in Kontakt mit den Kurzschlußabschnitten 516 befinden, dienen als Kompensationselektroden.
Eine Anodenelektrode 509 ist auf der unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 504 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der P-Emitterschicht 504 befindet. Ringförmige Hilfsemitterelektroden 510a, 510b und 510c sind auf den Hilfsemitterschichten 505a, 505b bzw. 505c so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit den Hilfsemitterschichten 505a, 505b bzw. 505c befinden. Gateelektroden 511 des Hauptthyristors MT sind auf den ersten Regionen 506 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit den ersten Re gionen 506 befinden. Kompensationselektroden 512a, 512b und 512c, welche auf den zweiten Regionen 507a, 507b bzw. 507c ringförmig ausgebildet sind, befinden sich in elektrischem Kontakt mit den zweiten Regionen 507a, 507b bzw. 507c und sind integral mit der Kathodenelektrode 508 ausgebildet.
Hilfsgateelektroden 517a und 517b der Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ sind auf den abschnitten 513a und 513b der P-Basisschicht 502, welche auf der Hauptoberfläche mit den Hilfsemitterschichten 505b und 505c umgeben freiliegen, ausgebildet. Die Hilfsemitterelektrode 510a des Hilfsthyristors ST₁ und die Hilfsgateelektroden 517a des Hilfsthyristors ST₂ sind durch Drähte 518 wie etwa Aluminiumdrähte elektrisch miteinander verbunden. In ähnlicher Weise sind die Hilfsemitterelektroden 510b des Hilfsthyristors ST₂ und die Hilfsgateelektroden 517b des Hilfsthyristors ST₃ durch Drähte 519 wie etwa Aluminiumdrähte elektrisch miteinander verbunden. Ferner sind die Hilfsemitterelektroden 510c des Hilfsthyristors ST₃ und die Gateelektroden 511 des Hauptthyristors MT durch Drähte 520 wie etwa Aluminiumdrähte miteinander verbunden.
<5-2. Schritte zum Herstellen der Vorrichtung>
Ein Verfahren zum Herstellen dieses optischen Thyristors wird nun beschrieben. Ein Schritt eines Vorbereitens eines Halbleitersubstrats 150 bis zu dem eines Ausbildens von Metallfilmen 151 und 109 auf beiden Seiten des Halbleitersubstrats (8B) sind mit denen des ersten Beispiels identisch. Der auf der unteren Hauptoberfläche vorgesehene Metallfilm 109 fungiert als solcher als die Anodenelektrode 509.
Dann wird der auf der oberen Hauptoberfläche vorgesehene Metallfilm 151 (8B) selektiv geätzt, um die Ka thodenelektrode 508, die Hilfsemitterelektroden 510a bis 510c, die Hilfsgateelektroden 517a und 517b, die Gateelektroden 511 und die die Hilfsemitterschichten 505a bis 505c umgebenden und mit der Kathodenelektrode 508 integrierten Kompensationselektroden 512a bis 512c gleichzeitig ausbilden, wie in 23 und 24 gezeigt.
Danach werden die Hilfsemitterelektroden 510a, 510b und 510c sowie die Hilfsgateelektroden 517a und 517b und die Gateelektroden 511 durch Verdrahtungsmaterialien wie etwa Aluminiumdrähte jeweils miteinander verbunden, wie in 23 gezeigt.
Gemäß diesem Verfahren werden die Kompensationselektroden 512a bis 512c nicht durch Verdrahtungsmaterialien mit der Kathodenelektrode 508 elektrisch verbunden, sondern mit derselben integral ausgebildet, wodurch die Herstellungsschritte in vorteilhafter Weise vereinfacht werden.
<5-3. Gewöhnlicher Betrieb der Vorrichtung>
Der gewöhnliche Betrieb dieser Vorrichtung wird nun mit Bezug auf 24 beschrieben. Um diese Vorrichtung zu verwenden, wird eine externe Energiequelle an die Anodenelektrode 509 und die Kathodenelektrode 508 dieser Vorrichtung angeschlossen, wodurch eine positive Spannung über diese Elektroden angelegt wird. Wenn bei einem solchen anlegen der positiven Spannung der Licht empfangende Abschnitt 514 mit einem optischen Triggersignal bestrahlt wird, wird in auf beiden Seiten eines zwischen der N-Basisschicht 503 und der P-Basisschicht 502 des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ ausgebildeten P/N-Übergangs vorgesehenen Verarmungsschichtregionen ein Fotostrom erzeugt, um in die P-Basischicht 502 zu fließen. Dieser Fotostrom fließt quer durch die P-Basisschicht und fließt hiernach in die Elektrode 512a, welche auf der zweiten Region 507a vorgesehen ist. Der Weg des Fotostroms ist identisch mit dem (gezeigt ist 24) eines Verschiebungsstroms I₁₅, welcher später beschrieben wird. Der Fotostrom, welcher in die Kompensationselektrode 512a fließt, fließt ferner von der Kathodenelektrode 508 aus in die externe Energiequelle.
Demzufolge entwickelt der Fotostrom in dem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 505a des Hilfsthyristors ST₁ gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 502 eine Querpotentialdifferenz, wodurch ein zwischen der Hilfsemitterschicht 505a des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basischicht 502 ausgebildeter P/N-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Wenn diese Vorwärts-Vorspannung sich dem Wert eines Diffusionspotentials annähert, welcher dem P/N-Übergang eigentümlich ist, wird eine Elektroneninjektion von der Hilfsemitterschicht 505a in die P-Basisschicht 502 abrupt erhöht, um den Hilfsthyristor ST₁ durchzuschalten. Der Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₁ fließt von der Hilfsemitterelektrode 510a zu den Drähten 518 und den Hilfsgateelektroden 517b, wodurch er den Abschnitten 513a auf der P-Basisschicht 502 zugeführt wird. Die den Abschnitten 513a der P-Basisschicht 502 zugeführten Durchschaltströme fungieren als Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₂.
Die Gateströme verlaufen in Querrichtung durch die unmittelbar unter den ringförmigen Hilfsemitterschichten 505b gelegenen Abschnitten der P-Basisschicht 502, um in die ringförmigen Kompensationselektroden 512b zu fließen. Die in die Kompensationselektroden 512b fließenden Gateströme fließen weiter von der Kathodenelektrode 508 zu der externen Energiequelle. Nachdem die Gateströme weitaus größer als der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Fotostrom sind, werden entlang den Wegen der Gateströme ho he Spannungen erzeugt. Demzufolge werden Vorwärts-Vorspannungen hinreichender Werte an P/N-Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 505b und der P-Basisschicht 502 angelegt, wodurch die Hilfsthyristoren ST₂ durchgeschaltet werden. Die Durchschaltströme für die Hilfsthyristoren ST₂ fließen von den Hilfsemitterelektroden 510b zu den Drähten 518 und den Hilfsgateelektroden 517b, wodurch sie den Abschnitten 513b der P-Basisschicht 502 zugeführt werden. Die den Abschnitten 513b der P-Basisschicht 502 zugeführten Durchschaltströme fungieren als Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₃.
Aufgrund der Gateströme werden die Hilfsthyristoren ST₃ durch einen Mechanismus, welcher dem zum Durchschalten der Hilfsthyristoren ST₂ ähnlich ist, durchgeschaltet. Die Durchschaltströme für die Hilfsthyristoren ST₃ fließen von den Hilfsemitterelektroden 510c zu den Drähten 518 und den Gateelektroden 511, wodurch sie den ersten Regionen 506 zugeführt werden. Die den ersten Regionen 506 zugeführten Durchschaltströme fungieren als Gateströme für den Hauptthyristor MT.
Die den ersten Regionen 506 zugeführten Gateströme fließen quer durch die P-Basisschicht 502 und laufen danach durch die in der Hauptemitterschicht 501 vorgesehenen Kurzschlußabschnitte 516, wodurch sie in die Kathodenelektrode 508 fließen. Diese Gateströme sind diejenigen, welche durch Verstärken des in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugten Fotostroms nach und nach über drei Stufen erhalten werden, wodurch entlang den Wegen der Gateströme hohe Spannungen erzeugt werden. Infolgedessen wird eine Vorwärts-Vorspannung eines hinreichenden Werts an den P/N-Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 501 und der P-Basisschicht 502 angelegt, wodurch der Hauptthyristor MT durchgeschaltet wird. Somit fließt ein Hauptstrom von der Anodenelektrode 509 zu der Kathodenelektrode 508. D.h., der Thyristor leitet.
Um die Lichtempfindlichkeit des Thyristors zu verbessern, kann der Querwiderstand des unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 505 des zuerst durchgeschalteten Hilfsthyristors ST₁ gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 502 im allgemeinen erhöht werden. Damit wird die entlang dem Weg des Fotostroms erzeugte Spannung erhöht, wodurch der Hilfsthyristor ST₁ leicht durchgeschaltet wird. D.h., der Thyristor wird in seiner Lichtempfindlichkeit verbessert.
<5-4. Charakteristischer Betrieb der Vorrichtung>
Nun wird eine Beschreibung bezüglich einer Betriebsweise des optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen Wert von dv/dt angelegt ist. Zu dieser Zeit werden durch Kapazitäten C₁₅, C₂₅, C₃₅ und C_m5 von Übergängen zwischen dem Hilfsthyristor ST₁ und der P-Basisschicht 502, zwischen den Hilfsemitterschichten 505b der Hilfsthyristoren ST₂ und der P-Basisschicht 502, den Hilfsemitterschichten 505c der Hilfsthyristoren ST₃ und der P-Basisschicht 502 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 501 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 502 jeweils Verschiebungsströme I₁₅, I₂₅, I₃₅ und I_m5 erzeugt.
Der Verschiebungsstrom I₁₅, welcher in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugt wird, fließt durch den gleichen Weg wie der Fotostrom in der P-Basisschicht 502 in die Kompensationselektrode 512a und fließt hiernach in die Kathodenelektrode 508. Aufgrund eines in diesem Weg vorgesehenen Widerstands R₁₅ entwickelt dieser Verschiebungsstrom I₁₅ in dem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 505a gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 502 eine Potentialdifferenz in Querrichtung. In ähnlicher Weise fließen die in den Hilfsthyristoren ST₂ erzeugten Verschiebungsströme I₂₅ durch die gleichen Wege wie die Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₂ in der P-Basisschicht 502, um in die Kompensationselektrode 512b zu fließen, und fließen hiernach in die Kathodenelektrode 508. Aufgrund in den Wegen vorgesehenen Widerständen R₂₅ entwickeln die Verschiebungsströme I₂₅ hauptsächlich in den unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 505b gelegenen Abschnitten der P-Basisschicht 502 Potentialdifferenzen in Querrichtung. Ferner fließen die in den Hilfsthyristoren ST₃ erzeugten Verschiebungsströme I₃₅ durch die gleichen Wege wie die Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₃ in der P-Basisschicht 502, um in die Kompensationselektroden 512c zu fließen, und fließen hiernach in die Kathodenelektrode 508. Aufgrund von in den Wegen vorgesehenen Widerständen R₃₅ entwickeln die Verschiebungsströme hauptsächlich in den unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 505c gelegenen Abschnitten der P-Basisschicht 502 Querpotentialdifferenzen.
Ferner fließt der in dem Hauptthyristor MT erzeugte Verschiebungsstrom I_m15 durch den gleichen Weg wie der Gatestrom für den Hauptthyristor MT in die Kathodenelektrode 508. Aufgrund eines in diesem Weg vorgesehenen Widerstands R_m5 entwickelt der Verschiebungsstrom I_m5 in dem unmittelbar unter der Hauptemitterschicht 505 des Hauptthyristors MT gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 502 eine Querpotentialdifferenz. Somit sind die Wege der vier Arten von Verschiebungsströmen I₁₅ bis I₃₅ und I_m5 in ähnlicher Weise wie die Wege des Fotostroms und der entsprechenden Gateströme voneinander getrennt, um auf der Grundlage der Widerstände R₁₅ bis R₃₅ und R_m5, welche den Pfaden jeweils eigentümlich sind, die Potentialdifferenzen hervorzubringen.
26 ist ein Ersatzschaltbild des Thyristors, welches auf das Verhalten der Verschiebungsströme I₁₅ bis I₃₅ und I_m5 bezogen ist. Dioden D₁₅ bis D₃₅ drücken in äquivalenter Weise die Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 505a bis 505c der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ und der P-Basisschicht 502 aus, während eine Diode D_m5 den Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 501 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 502 ausdrückt. Die Widerstände R₁₅ bis R₃₅ und R_m5, welche jeweils entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₅ bis I₃₅ und I_m5 vorliegen, wie vorstehend beschrieben, entsprechen hauptsächlich Querwiderständen von Abschnitten der P-Basisschicht 502, welche sich jeweils unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 505a bis 505c und der Hauptemitterschicht 501 befinden. Einzelne Enden der Widerstände R₁₅ bis R₃₅ und R_m5 sind jeweils mit der Kathodenelektrode 508 (K) kurzgeschlossen.
Eine Spannung entsprechend dem Produkt des Verschiebungsstroms I₁₅ mit dem Widerstand R₁₅ ist an eine Anode der Diode D₁₅ angelegt. Diese Spannung ist jedoch nicht als solche als eine Vorspannung in Durchlaßrichtung über die Anode und eine Kathode der Diode D₁₅, d.h. den Übergang zwischen der Hilfsemitterschicht 505a und der P-Basisschicht 502, angelegt. Nachdem eine Spannung entsprechend dem Produkt des Verschiebungsstroms I₂₅ mit dem Widerstand R₂₅ an die Kathode der Diode D₁₅ angelegt ist, ist über die Anode und die Kathode der Diode D₁₅ eine Vorwärts-Vorspannung entsprechend der Differenz (I₁₅ × R₁₅ – I₂₅ × R₂₅) zwischen den zwei Spannungen angelegt. Die Vorspannung in Durchlaßrichtung für den Hilfsthyristor ST₁, welcher ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₁₅ hervorgebracht wird, wird nämlich durch den Verschiebungsstrom I₂₅ der nächsten Stufe abgeschwächt. Somit wird eine durch den Verschiebungsstrom I₁₂ hervorgerufene anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ unterdrückt.
In ähnlicher Weise ist eine durch die zwei Verschiebungsströme I₂₅ und I₃₅ hervorgebrachte Vorwärts-Vorspannung entsprechend der Spannungsdifferenz (I₂₅ × R₂₅ – I₃₅ × R₃₅) über eine Anode und eine Kathode der Diode D₂₅ angelegt. D.h., eine ursprünglich durch jeden Verschiebungsstrom I₂₅ hervorgebrachte Vorwärts-Vorspannung für jeden Hilfsthyristor ST₂ wird durch den Verschiebungsstrom I₃₅ der nächsten Stufe abgeschwächt. Somit wird eine anormale Zündung jedes Hilfsthyristors ST₂ aufgrund des Verschiebungsstroms I₂₅ unterdrückt.
Ferner wird eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung entsprechend der Spannungsdifferenz (I₃₅ × R₃₅ – I_m5 × R_m5) welche durch die zwei Verschiebungsströme I₃₅ und I_m5 hervorgebracht wird, über eine Anode und eine Kathode der Diode D₃₅ angelegt. D.h., eine ursprünglich durch jeden Verschiebungsstrom I₃₅ hervorgebrachte Vorspannung in Durchlaßrichtung für jeden Hilfsthyristor ST₃ wird durch den Verschiebungsstrom I_m5 der nächsten Stufe abgeschwächt. Somit wird eine anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₃ aufgrund des Verschiebungsstroms I₃₅ unterdrückt.
Damit wird eine anormale Zündung aller Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ in diesem Thyristor unterdrückt. Demzufolge ist der dv/dt-Widerstand des gesamten Thyristors verbessert.
Durch Einstellen der Widerstände R₁₅ bis R₃₅ und R_m5 oder der Hauptteile hiervon ausbildenden vorgenannten Querwiderstände ist es auch möglich, Vorspannungen in Durchlaßrichtung, welche an die Übergänge der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ angelegt sind, auszulöschen.
Die Parameter, welche die Lichtempfindlichkeit entscheiden, sind die Werte des Fotostroms und des Widerstands R₁₅ (in anderen Worten des Querwiderstands des unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 505a gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 502), während diejenigen, welche den dv/dt-Widerstand entscheiden, die Verschiebungsströme I₂₅ I₃₅ und I_m5 und die Widerstände R₂₅, R₃₅ und R_m5 (in anderen Worten, die jeweiligen Querwiderstände der unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 505b und 505c und der Hauptemitterschicht 501 gelegenen Abschnitte der P-Basisschicht 502 sowie die Widerstände der Kurzschlußabschnitte 516) der Wege hiervon sind. Daher ist es möglich, die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand durch Einstellen der Werte dieser Widerstände unabhängig voneinander zu bestimmen, wodurch der dv/dt-Widerstand ohne ein Reduzieren der Lichtempfindlichkeit verbessert wird.
Bei diesem Thyristor werden ferner die in den Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ erzeugten Verschiebungsströme I₁₅ bis I₃₅ nicht in die Kurzschlußabschnitte 516 zum Kurzschließen der Kathodenelektrode 508 mit der P-Basisschicht 502 fließen, wodurch die Flächen der Kurzschlußabschnitte 516 reduziert werden können. Der Hauptthyristor MT kann aufgrund einer solchen Flächenreduktion der Kurzschlußabschnitte 516 leicht durchgeschaltet werden, wodurch ein Leitungsbereich in dem Hauptthyristor MT in der Durchschaltzeit schnell erhöht wird. Demzufolge wird der di/dt-Widerstand verbessert, und die Durchschaltzeit wird reduziert. Ferner kann die Fläche der Kathodenelektrode 508 aufgrund der Flächenreduktion der Kurzschlußabschnitte 516 erhöht werden, wodurch es möglich ist, eine Durchlaßspannung zu reduzieren und einen Stoßstromwiderstand zu verbessern.
Ferner ist der Thyristor gemäß diesem Beispiel so aufgebaut, daß die zwei Zweitstufen-Thyristoren ST₂ durch den Erststufen-Hilfsthyristor ST₁ durchgeschaltet werden und die drei Drittstufen-Hilfsthyristoren ST₃ durch jeden Hilfsthyristor ST₂ durchgeschaltet werden. Daher können die Durchschaltströme durch die Stufen wirksam verstärkt werden. Ferner werden die Durchschaltströme für die Endstufen-Hilfsthyristoren ST₃ der Mehrzahl von Gateelektroden 511, welche in der Hauptemitterschicht 501 verstreut sind, als Triggerströme für den Hauptthyristor MT zugeführt. Somit wird der Hauptthyristor MT gleichzeitig insgesamt gezündet, wodurch der Leitungsbereich des Hauptthyristors MT in der Durchschaltzeit schnell erhöht wird. Dies trägt auch zur Verbesserung des di/dt-Widerstands bei.
<Sechstes Beispiel>
Ein sechstes Beispiel, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet, wird nun beschrieben. 27 bis 29, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß diesem Beispiel veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, eine entlang der Linie F-F' in 27 genommene Schnittansicht und eine Draufsicht, welche den Thyristor unter Weglassung von Elektroden zeigt.
Bei diesem optischen Thyristor sind eine Hauptemitterschicht 601 vom N-Typ, eine P-Basisschicht 602 vom P-Typ, eine N-Basisschicht 603 vom N-Typ und eine P-Emitterschicht 604 vom P-Typ auf einem im wesentlichen scheibenförmigen Halbleitersubstrat aus Silizium, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, schichtweise ausgebildet, wodurch ein Hauptthyristor MT ausgebildet ist. Eine kreisförmige Hilfsemitterschicht 605a vom N-Typ ist im wesentlichen in der Mitte des Halbleitersubstrats angeordnet und bildet mit der P-Basisschicht 602, der N- Basisschicht 603 und der P-Basisemitterschicht 604 einen Erststufen-Hilfsthyristor ST₁ aus. Ringförmige Hilfsemitterschichten 605b vom N-Typ und Abschnitte 613a der P-Basisschicht 602, welche mit denselben umgeben sind, bilden mit der N-Basisschicht 603 und der P-Emitterschicht 604 Zweitstufen-Hilfsthyristoren 5T2 aus. Ferner bilden ringförmige Hilfsemitterschichten 605c vom N-Typ und Abschnitte 613b der P-Basisschicht 602, welche mit denselben umgeben sind, mit der N-Basisschicht 603 und der P-Emitterschicht 604 Drittstufen-Hilfsthyristoren ST₃ aus. D.h., dieser Thyristor weist ähnlich wie das fünfte Beispiel einen vierstufigen Aufbau auf, welche mit Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ dreier Stufen und dem Hauptthyristor MT ausgestattet ist.
Die Hilfsemitterschicht 605a des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ ist auf seiner Mitte mit einem Licht empfangenden Abschnitt 614 ausgestattet. Der Licht empfangende Abschnitt 614 ist mit einem Antireflexionsfilm 615 beschichtet, dessen Dicke in ähnlicher Weise wie der in dem ersten Beispiel optimiert ist.
Der Hilfsthyristor ST₁ ist auf einem mittleren Abschnitt vorgesehen, die Hilfsthyristoren ST₂ sind auf zwei Abschnitten um denselben herum vorgesehen, während die Hilfsthyristoren ST₃ mit zwei Abschnitten um dieselben herum vorgesehen sind, so daß diese Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ unabhängig voneinander von der Hauptemitterschicht 601 des Hauptthyristors MT umgeben sind. Ein Abschnitt der P-Basisschicht 602, welcher die Hauptemitterschicht 601 in innere und äußere Regionen teilt und auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegt, ist als eine erste Region 606 ringförmig ausgebildet. Die Hilfsemitterschichten ST₁ bis ST₃ sind in der inneren Region angeordnet.
Ferner sind Abschnitte der P-Basisschicht 602, welche die mit der Hauptemitterschicht 601 umgebenen und ringförmig auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegenden Hilfsemitterschichten 605a, 605b und 605c umgeben, als zweite Regionen 607a, 607b und 607c ausgebildet. Die ersten und zweiten Regionen 606, 607a, 607b und 607c sind durch die Hauptemitterschicht 601 voneinander getrennt.
Eine Kathodenelektrode 608 ist auf der oberen Hauptoberfläche der Hauptemitterschicht 601 so ausgebildet, daß sie in elektrischem Kontakt mit der Hauptemitterschicht 601 ist. Die Hauptemitterschicht 601 ist hierin mit einer Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 616 in der Form von vertikal durch dieselbe verlaufenden Löchern so vorgesehen, daß die Kathodenelektrode 608 durch die Kurzschlußabschnitte 616 mit der P-Basisschicht 602 kurzgeschlossen ist. Abschnitte der Kathodenelektrode 608, welcher sich in Kontakt mit den Kurzschlußabschnitten 616 befinden, dienen als Kompensationselektroden.
Eine Anodenelektrode 609 ist auf der unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 604 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der P-Emitterschicht 604 befindet. Kreisförmige Hilfsemitterelektroden 610a, 610b und 610c sind jeweils auf den Hilfsemitterschichten 605a, 605b und 605c so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit den Hilfsemitterschichten 605a, 605b bzw. 605c befinden. Eine ringförmige Gateelektrode 611 des Hauptthyristors MT ist auf der ersten Region 606 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der ersten Region 606 befindet. Kompensationselektroden 612a, 612b und 612c, welche auf den zweiten Regionen 607a, 607b bzw. 607c ringförmig ausgebildet sind, befinden sich jeweils in elektrischem Kontakt mit den zweiten Regionen 607a, 607b und 607c und sind integral mit der Kathodenelektrode 608 ausgebildet.
Hilfsgateelektroden 617a und 617b der Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ sind auf den Abschnitten 613a und 613b der P-Basisschicht 602, welche jeweils mit den Hilfsemitterschichten 605b und 605c umgeben auf den Hauptoberflächen freiliegen, ausgebildet. Die Hilfsemitterelektrode 610a des Hilfsthyristors ST₁ und die Hilfsgateelektrode 617a des Hilfsthyristors ST₂ sind durch Drähte 618 wie etwa Aluminiumdrähte elektrisch miteinander verbunden. In ähnlicher Weise sind die Hilfsemitterelektroden 610b des Hilfsthyristors ST₂ und die Hilfsgateelektroden 617b des Hilfsthyristors ST₃ durch Drähte 619 wie etwa Aluminiumdrähte elektrisch miteinander verbunden. Ferner sind die Hilfsemitterelektroden 610c des Hilfsthyristors ST₃ und die Gateelektrode 611 des Hauptthyristors MT durch Drähte 620 wie etwa Aluminiumdrähte elektrisch miteinander verbunden.
Die ringförmige erste Region 606 ist so ausgebildet, daß ihr Innendurchmesser, welcher etwa 1/3 bis 2/3 des maximalen Außendurchmessers der Hauptemitterschicht 601 beträgt, einen im wesentlichen kreisförmigen äußeren Rand aufweist. Wenn das Verhältnis der zwei Durchmesser in diesem Bereich liegt, ist es möglich, bevorzugte Eigenschaften wie etwa die, daß der Hauptthyristor MT insgesamt schnell gezündet wird, zu erhalten, wie später beschrieben.
Dieser Thyristor kann durch Schritte, welche denen des Verfahrens zum Herstellen des Thyristors gemäß des fünften Beispiels ähnlich sind mit der Ausnahme, daß die Hilfsemitterschichten 605a bis 605c und die Hauptemitterschicht 601 sich in ihrer Gestalt von denen des fünften Beispiels unterscheiden, hergestellt werden, und daher wird auf eine redundante Beschreibung bezüglich des Herstellungsverfahrens verzichtet.
Der gewöhnliche Betrieb dieses Thyristors wird nun beschrieben. Bezüglich Teilen des Betriebs, welche mit denen des fünften Beispiels gemeinsam sind, wird eine Beschreibung weggelassen. Bei diesem Thyristor werden Durchschaltströme für die zwei (mehreren) Endstufen-Hilfsthyristoren ST₃ der ringförmig ausgebildeten seriellen Gateelektrode 611 als Gateströme zugeführt. Selbst wenn die mehreren Endstufen-Hilfsthyristoren ST₃ in Durchschalteigenschaften voneinander abweichen, werden daher die Gateströme für den Hauptthyristor MT entlang dem gesamten Umfang der ringförmigen Gateelektrode 611 ohne Einfluß einer solchen Abweichung gleichmäßig zugeführt. Infolgedessen ist der Hauptthyristor MT in Durchschalteigenschaften stabilisiert.
Bei diesem Thyristor ist die erste Region 606 weiter so ausgebildet, daß sie einen Innendurchmesser aufweist, welcher 1/3 bis 2/3 des maximalen Außendurchmessers der Hauptemitterschicht 601, welche einen im wesentlichen kreisförmigen äußeren Rand aufweist, wie zuvor beschrieben, beträgt, wodurch die Abstände zwischen der Gateelektrode 611 zu dem äußeren Umfang des Hauptthyristors MT und zwischen der Gateelektrode 611 und dem mittleren Abschnitt des Hauptthyristors MT im wesentlichen gleich zueinander sind. Daher tritt der Gesamtbereich des Hauptthyristors MT in vorteilhafter Weise in einer kurzen Zeit in einen leitenden Zustand ein. Daher wird der Leitungsbereich des Hauptthyristors MT in der Durchschaltzeit schnell erhöht, wodurch der di/dt-Widerstand des Thyristors in vorteilhafter Weise verbessert und dessen Durchschaltzeit reduziert wird.
Eine Beschreibung wird nun bezüglich eines charakteristischen Betriebs des optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt ist. Auf Anlegen eines solchen Spannungsrauschens hin werden durch Kapazitäten C₁₆, C₂₆, C₃₆ und C_m6 der Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 605a des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 602, zwischen den Hilfsemitterschichten 605b der Hilfsthyristoren ST₂ und der P-Basisschicht 602, zwischen den Hilfsemitterschichten 605c der Hilfsthyristoren ST₃ und der P-Basisschicht 602 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 601 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 602 jeweils Verschiebungsströme I₁₆, I₂₆, I₃₆ und I_m6 erzeugt.
Der Verschiebungsstrom I₁₆ fließt durch denselben Weg wie der Fotostrom in der P-Basisschicht 602, während die Verschiebungsströme I₂₆, I₃₆ und I_m6 durch die gleichen Wege wie die Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ bzw. den Hauptthyristor MT fließen. Somit sind die Wege der vier Verschiebungsströme I₁₆ bis I₃₆ und I_m6 in ähnlicher Weise wie die Wege des Fotostroms und der jeweiligen Gateströme voneinander getrennt. Ferner bringen die Verschiebungsströme I₁₆ bis I₃₆ und I_m6 entlang jeweiligen Wegen auf der Grundlage von Widerständen R₁₆ bis R₃₆ und R_m6, welche diesen Wegen eigentümlich sind, Potentialdifferenzen hervor.
30 ist ein Ersatzschaltbild, welches sich auf ein Verhalten der Verschiebungsströme I₁₆ bis I₃₆ und I_m6 bezieht. Dioden D₁₆ bis D₃₆ drücken in äquivalenter Weise Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 605a bis 605c der Hilfsthyristoren ST₆ bis ST₃ und der P-Basisschicht 602 aus, während eine Diode D_m6 den Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 601 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 602 ausdrückt. Die Widerstände R₁₆ bis R₃₆ und R_m6, welche jeweils entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₆ bis I₃₆ und I_m6 vorliegen, wie vorstehend beschrieben, entsprechen hauptsächlich Querwiderständen der Abschnitte der P-Basisschicht 602, welche sich unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 605a bis 605c bzw. der Hauptemitterschicht 601 befinden. Einzelne Enden der Widerstände R₁₆ bis R₃₆ und R_m6 sind jeweils mit der Kathodenelektrode 608 (K) kurzgeschlossen.
In der Schaltung dieses Thyristors, welche in äquivalenter Weise durch das in 30 gezeigte Schaltbild ausgedrückt ist, werden Vorspannungen in Durchlaßrichtung für die Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃, welche ursprünglich durch in den Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ erzeugten Verschiebungsströme I₁₆ bis I₃₆ hervorgebracht werden, durch die in den jeweils nächsten Stufen erzeugten Verschiebungsströme abgeschwächt, ähnlich dem Thyristor gemäß dem fünften Beispiel. Daher wird eine anormale Zündung aller Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ unterdrückt, wodurch der dv/dt-Widerstand des Thyristors verbessert wird. Ferner ist es durch Einstellen der Widerstände R₁₆ bis R₃₆ und R_m6 oder der vorgenannten, Hauptteile hiervon ausbildenden Querwiderstände möglich, Vorwärts-Vorspannungen, welche jeweils an die Übergänge der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ angelegt werden, auszulöschen.
Ähnlich dem Thyristor gemäß dem fünften Beispiel ist es weiter möglich, die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand durch Einstellen der Widerstände R₁₆ bis R₃₆ und R_m6 unabhängig voneinander zu entscheiden, wodurch der dv/dt-Widerstand ohne Reduzierung der Lichtempfindlichkeit verbessert wird. Zusätzlich werden die in den Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ erzeugten Verschiebungsströme I₁₆ bis I₃₆ in diesem Thyristor nicht in die Kurzschlußabschnitte 616 fließen, wodurch es möglich ist, den di/dt-Widerstand, die Durchschaltzeit, die Durchlaßspannung und den Stoßstromwiderstand zu verbessern.
<Siebentes Beispiel>
Ein siebentes Beispiel, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, wird nun beschrieben. 31 bis 33, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß diesem Beispiel veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, eine entlang der Linie G-G' in 31 genommene Schnittansicht und eine Draufsicht, welche den Thyristor unter Weglassung von Elektroden zeigt.
Bei diesem optischen Thyristor sind eine Hauptemitterschicht 701 vom N-Typ, eine P-Basisschicht 702 vom P-Typ, eine N-Basisschicht 703 vom N-Typ und eine P-Emitterschicht 704 vom P-Typ auf einen im wesentlichen scheibenförmigen Halbleitersubstrat aus Silizium, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, schichtweise ausgebildet, wodurch ein Hauptthyristor MT ausgebildet wird. Eine kreisförmige Hilfsemitterschicht 705a vom N-Typ ist im wesentlichen in der Mitte des Halbleitersubstrats angeordnet und bildet mit der P-Basisschicht 702, der N-Basisschicht 703 und der P-Emitterschicht 704 einen Erststufen-Hilfsthyristor ST₁ aus. Ringförmige Hilfsemitterschichten 705b vom N-Typ und Abschnitte 713a der P-Basisschicht 702, welche mit denselben umgeben sind, bilden mit der P-Basisschicht 702, der N-Basisschicht 703 und der P-Emitterschicht 704 Zweitstufen-Hilfsthyristoren ST₂ aus. Ferner bilden ringförmige Hilfsemitterschichten 705c vom N-Typ und Abschnitte 713b der P-Basisschicht 702, welche mit denselben umgeben sind, mit der P-Basisschicht 702, der N-Basisschicht 703 und der P-Emitterschicht 704 Drittstufenhilfsthyristoren ST₃ aus. D.h., dieser Thyristor weist ähnlich dem fünften Beispiel einen vierstufigen Aufbau auf, welche mit Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ dreier Stufen und dem Hauptthyristor MT ausgestattet ist.
Die Hilfsemitterschicht 705a des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ ist auf seiner Mitte mit einem Licht empfangenden Abschnitt 714 ausgestattet. Der Licht empfangende Abschnitt 714 ist mit einem Antireflexionsfilm 715 beschichtet, dessen Dicke ähnlich der in dem ersten Beispiel optimiert ist.
Der Hilfsthyristor ST₁ ist auf einem mittleren Abschnitt vorgesehen, der Hilfsthyristor ST₂ ist auf vier Abschnitten um denselben herum vorgesehen, während die Hilfsthyristoren ST₃ auf vier Abschnitten darum herum vorgesehen sind, so daß diese Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ unabhängig voneinander mit der Hauptemitterschicht 701 des Hauptthyristors MT umgeben sind. Abschnitte der P-Basisschicht 702, welche mit der Hauptemitterschicht 701 benachbart, umgeben und auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegend sind, sind auf vier Abschnitten um die Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ herum als erste Regionen 706 ausgebildet.
Ferner sind Abschnitte, welche die Hilfsemitterschichten 705a, 705b und 705c, welche mit der Hauptemitterschicht 701 umgeben sind und ringförmig auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, umgeben, als zweite Regionen 707a, 707b und 707c ausgebildet. Die ersten und zweiten Regionen 706, 707a, 707b und 707c sind durch die Hauptemitterschicht 701 voneinander getrennt.
Eine Kathodenelektrode 708 ist auf der oberen Hauptoberfläche der Hauptemitterschicht 701 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der Hauptemitterschicht 701 befindet. Die Hauptemitterschicht 701 ist darin mit einer Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 716 in der Form von vertikal durch dieselbe hindurchtretenden Löchern versehen, so daß die Kathodenelektrode 708 durch die Kurzsschlußabschnitte 716 mit der P-Basisschicht 702 kurzgeschlossen ist. Abschnitte der Kathodenelektrode 708, welche sich in Kontakt mit den Kurzschlußabschnitten 716 befinden, dienen als Kompensationselektroden.
Einen Anodenelektrode 709 ist auf der unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 704 so ausgebildet, daß sich sich in elektrischem Kontakt mit der P-Emitterschicht 704 befindet. Ringförmige Hilfsemitterelektroden 710a, 710b und 710c sind jeweils auf den Hilfsemitterschichten 705a, 705b und 705c so ausgebildet, daß sie sich jeweils in elektrischem Kontakt mit den Hilfsemitterschichten 705a, 705b und 705c befinden. Ringförmige Gateelektroden 711 des Hauptthyristors MT sind auf der ersten Region 706 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der ersten Region 706 befinden. Kompensationselektroden 712a, 712b und 712c, welche jeweils auf den zweiten Regionen 707a, 707b und 707c ringförmig ausgebildet sind, befinden sich jeweils in elektrischem Kontakt mit den zweiten Regionen 707a, 707b und 707c und sind integral mit der Kathodenelektrode 708 ausgebildet.
Hilfsgateelektroden 717a und 717b der Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ sind auf den Abschnitten 713a und 713b der P-Basisschicht 702, welche auf den Hauptoberflächen mit den Hilfsemitterschichten 705b bzw. 705c umgeben freiliegen, ausgebildet. Die Hilfsemitterelektrode 710a des Hilfsthyristors ST₁ und die Hilfsgateelektroden 717a der Hilfsthyristoren ST₂ sind durch Drähte 718 wie etwa Aluminiumdrähte elektrisch miteinander verbunden. In ähnlicher Weise sind die Hilfsemitterelektroden 710b der Hilfsthyristoren ST₂ und die Hilfsgateelektroden 717b der Hilfsthyristoren ST₃ durch Drähte 719 wie etwa Aluminium drähte elektrisch miteinander verbunden. Ferner sind die Hilfsemitterelektroden 710c der Hilfsthyristoren ST₃ und die Gateelektroden 711 des Hauptthyristors MT durch Drähte 720 wie etwa Aluminiumdrähte elektrisch miteinander verbunden.
Dieser Thyristor kann durch Schritte hergestellt werden, welche denen des Verfahrens zum Herstellen des Thyristors gemäß dem fünften Beispiel ähnlich sind mit Ausnahme dessen, daß die Hilfsemitterschichten 705a bis 705c und die Hauptemitterschicht 701 eine von der des fünften Beispiels verschiedene Gestalt aufweisen, und daher wird eine redundante Beschreibung bezüglich des Herstellungsverfahrens weggelassen.
Der gewöhnliche Betrieb dieses Thyristors wird nun beschrieben. Bezüglich Teilen des Betriebs, welche mit denen des fünften Beispiels gemeinsam sind, wird eine Beschreibung weggelassen. Bei diesem Thyristor sind die Hilfsgateelektroden 717a der vier Zweitstufen-Hilfsthyristoren ST₂ mit der Hilfsemitterelektrode 710a des einzigen Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ verbunden, und jede der Hilfsgateelektroden 717b der Drittstufen-Hilfsthyristoren ST₃ ist mit den Hilfsgateelektroden 717a von zwei (mehreren) Zweitstufen-Hilfsthyristoren ST₂ verbunden, wie in 31 gezeigt. Ferner sind die Hilfsemitterelektroden 710c von zwei (mehreren) Drittstufen-(Endstufen)-Hilfsthyristoren ST₃ mit jeder Gateelektrode 711 des Hauptthyristors MT verbunden.
Aufgrund dieser Struktur ist es möglich, eine Mehrzahl von Verstärkungswegen, welche die jeweiligen Hilfsthyristoren, die unterschiedliche Durchschalteigenschaften aufweisen, einsetzen, durch die Endstufen-Hilfsthyristoren ST₃ in den Verstärkungswegen wie auch durch die Gateelektroden 711 zu integrieren. Daher ist es möglich, eine Ungleichmäßigkeit der Durchschalteigenschaften zwischen den jeweiligen Verstärkungswegen zu reduzieren oder zu beseitigen. Daher sind die Durchschalteigenschaften des Hauptthyristors MT weiter stabilisiert, während es möglich ist, eine Verbesserung im di/de-Widerstand und eine Reduzierung der Durchschaltzeit zu implementieren.
Nun wird eine Beschreibung bezüglich eines charakteristischen Betriebs des optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt wird. Auf Anlegen eines solchen Spannungsrauschens hin werden durch Kapazitäten C₁₇, C₂₇, C₃₇ und C_m7 der Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 705a des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 702, zwischen den Hilfsemitterschichten 705b des Hilfsthyristors ST₂ und der P-Basisschicht 702, zwischen den Hilfsemitterschichten 705c des Hilfsthyristors ST₃ und der P-Basisschicht 702 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 701 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 702 jeweils Verschiebungsströme I₁₇, I₂₇, I₃₇ und I_m7 erzeugt.
Der Verschiebungsstrom I₁₇ fließt durch den gleichen Weg wie der Fotostrom in der P-Basisschicht 702, während die Verschiebungsströme I₂₇, I₃₇ und I_m7 jeweils durch die gleichen Wege wie die Gateströme der Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ bzw. des Hauptthyristors MT fließen. Somit sind die Wege der vier Verschiebungsströme I₁₇ bis I₃₇ und I_m7 ähnlich den Wegen des Fotostroms und der jeweiligen Gateströme voneinander getrennt. Ferner bringen die Verschiebungsströme I₁₇ bis I₃₇ und I_m7 entlang jeweiligen Wegen auf der Grundlage von Widerständen R₁₇ bis R₃₇ und R_m7, welche diesen Wegen eigentümlich sind, Potentialdifferenzen hervor.
34 ist ein Ersatzschaltbild, welches sich auf ein Verhalten der Verschiebungsströmem I₁₇ bis I₃₇ und I_m7 bezieht. Dioden D₁₇ bis D₃₇ drücken in äquivalenter Weise die Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 705a bis 705c der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ und der P-Basisschicht 702 aus, während eine Diode D_m7 den Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 701 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 702 ausdrückt. Die Widerstände R₁₇ bis R₃₇ und R_m7, welche jeweils entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₇ bis I₃₇ und I_m7 vorliegen, wie vorstehend beschrieben, entsprechen hauptsächlich Querwiderständen der Abschnitte der P-Basisschicht 702, welche sich jeweils unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 705a bis 705c und der Hauptemitterschicht 701 befinden. Einzelne Enden der Widerstände R₁₇ bis R₃₇ und R_m7 sind jeweils mit der Kathodenelektrode 708 (K) kurzgeschlossen.
In der Schaltung dieses Thyristors, welche in äquivalenter Weise durch das in 34 gezeigte Schaltbild ausgedrückt wird, werden ähnlich dem Thyristor gemäß dem fünften Beispiel Vorspannungen in Durchlaßrichtung für die Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃, welche ursprünglich durch die in den Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ erzeugten Verschiebungsströme I₁₇ bis I₃₇ hervorgebracht werden, durch die in den jeweils nächsten Stufen erzeugten Verschiebungsströme abgeschwächt. Daher wird eine anormale Zündung aller Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ unterdrückt, wodurch der dv/dt-Widerstand des Thyristors verbessert wird. Ferner ist es auch möglich, durch Einstellen der Widerstände R₁₇ bis R₃₇ und R_m7 oder der vorgenannten, Hauptteile hiervon ausbildenden Querwiderstände an die Übergänge der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ angelegte Vorwärts-Vorspannungen auszulöschen.
Ähnlich dem Thyristor gemäß dem fünften Beispiel ist es ferner möglich, die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand unabhängig voneinander durch Einstellen der Widerstände R₁₇ bis R₃₇ und R_m7 zu entscheiden und dadurch den dv/dt-Widerstand ohne Reduzierung der Lichtempfindlichkeit zu verbessern. Zusätzlich werden die in den Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ erzeugten Verschiebungsströme I₁₇ bis I₃₇ ähnlich dem Thyristor gemäß dem fünften Beispiel nicht in die Kurzschlußabschnitte 716 fließen, wodurch es möglich ist, den di/dt-Widerstand, die Durchschaltzeit, die Durchlaßspannung und den Stoßstromwiderstand zu verbessern.
<Achtes Beispiel>
<8-1. Aufbau der Vorrichtung>
Ein achtes Beispiel, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet, wird nun beschrieben. 35 bis 37, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß diesem Beispiel veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, eine entlang der Linie H-H' in 35 genommene Schnittansicht und eine Draufsicht, welche den Thyristor unter Weglassung von Elektroden zeigt.
Bei diesem optischen Thyristor sind eine Hauptemitterschicht 801 vom N-Typ, eine P-Basisschicht 802 vom P-Typ, eine N-Basisschicht 803 vom N-Typ und eine P-Emitterschicht 804 vom P-Typ auf einem im wesentlichen scheibenförmigen Halbleitersubstrat aus Silizium, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, schichtweise ausgebildet, um dadurch einen Hauptthyristor MT auszubilden. Eine kreisförmige Hilfsemitterschicht 805a vom N-Typ ist im wesentlichen in der Mitte des Halbleitersubstrats angeordnet und bildet mit der P-Basisschicht 802, der N-Basisschicht 803 und der P- Emitterschicht 804 einen Erststufen-Hilfsthyristor ST₁ aus. Ringförmige Hilfsemitterschichten 805b vom N-Typ und Abschnitte 813a der P-Basisschicht 802, welche mit denselben umgeben sind, bilden mit der P-Basisschicht 802, der N-Basisschicht 803 und der P-Emitterschicht 804 Zweitstufen-Hilfsthyristoren ST₂ aus. Ferner bilden ringförmige Hilfsemitterschichten 805c vom N-Typ und Abschnitte 813b der P-Basisschicht 802, welche mit denselben umgeben sind, mit der P-Basisschicht 802, der N-Basisschicht 803 und der P-Emitterschicht 804 Drittstufen-Hilfsthyristoren ST₃ aus. D.h., dieser Thyristor weist ähnlich dem fünften Beispiel ein vierstufigen Aufbau auf, welche mit Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ dreier Stufen und dem Hauptthyristor MT ausgestattet ist.
Die Hilfsemitterschicht 805a des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ ist auf seiner Mitte mit einem Licht empfangenden Abschnitt 814 versehen. Der Licht empfangende Abschnitt 814 ist mit einem Antireflexionsfilm 815 beschichtet, dessen Dicke ähnlich der in dem ersten Beispiel optimiert ist.
Die Abschnitte 813b der P-Basisschicht 802 der Hilfsthyristoren ST₃ sind ringförmig und umgeben die Hilfsemitterschichten 805b der Hilfsthyristoren ST₂. D.h., die zwei Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ liegen in solchen Doppelstrukturen vor, daß die letzteren die ersteren umgeben. Der Hilfsthyristor ST₁ ist auf einem mittleren Abschnitt vorgesehen, während die Hilfsthyristoren ST₂ und die Hilfsthyristoren ST₃, welche dieselben umgeben, auf zwei Abschnitten um den Hilfsthyristor ST₁ herum vorgesehen sind. Ferner sind die Hilfsthyristoren ST₁ und ST₃ so vorgesehen, daß dieselben unabhängig voneinander mit der Hauptemitterschicht 801 des Hauptthyristors MT umgeben sind. Ringförmige Abschnitte der P-Basisschicht 802 sind zwischen der Hauptemitterschicht 801 und den Hilfsemit terschichten 805c als erste Regionen 806 so ausgebildet, daß sie ringförmig auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen.
Ferner sind ringförmige Abschnitte der P-Basisschicht 802 zwischen den Hilfsemitterschichten 805a und der Hauptemitterschicht 801 als zweite Regionen 807 ausgebildet und liegen auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ringförmig frei. Die ersten und zweiten Regionen 806 und 807 sind durch die Hauptemitterschicht 801 voneinander getrennt.
Eine Kathodenelektrode 808 ist auf der oberen Hauptoberfläche der Hauptemitterschicht 801 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der Hauptemitterschicht 801 befindet. Die Hauptemitterschicht 801 ist darin mit einer Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 816 in der Form von vertikal durch dieselbe hindurchtretenden Löchern versehen, so daß die Kathodenelektrode 808 durch die Kurzschlußabschnitte 816 mit der P-Basisschicht 802 kurzgeschlossen ist. Abschnitte der Kathodenelektrode 808, welche sich in Kontakt mit den Kurzschlußabschnitten 816 befinden, dienen als Kompensationselektroden.
Eine Anodenelektrode 809 ist auf der unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 804 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der P-Emitterschicht 804 befindet. Ringförmige Hilfsemitterelektroden 810a, 810b und 810c sind jeweils auf den Hilfsemitterschichten 805a, 805b und 805c so ausgebildet, daß sie sich jeweils in elektrischem Kontakt mit den Hilfsemitterschichten 805a, 805b und 805c befinden. Ringförmige Gateelektroden 811 des Hauptthyristors MT sind auf den ersten Regionen 806 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit den ersten Regionen 806 befinden. Die Gateelektroden 811 sind mit den Hilfsemitterelektroden 810c integral ausgebildet. Kompensationselektroden 812, welche auf den zweiten Regionen 807 ringförmig ausgebildet sind, befinden sich mit den zweiten Regionen 807 in elektrischem Kontakt und sind integral mit der Kathodenelektrode 808 ausgebildet.
Hilfsgateelektroden 817a der Hilfsthyristoren ST₃ und ringförmige Hilfsgateelektroden 817b der Hilfsthyristoren ST₃ sind auf Abschnitten 813a und 813b der P-Basisschicht 802, welche an die inneren Seiten der Hilfsemitterschichten 805b und 805c jeweils angrenzen, ausgebildet. Die Hilfsemitterelektrode 801a und die Hilfsgateelektroden 817a der Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂ sind durch Drähte 818 wie etwa Aluminiumdrähte elektrisch miteinander verbunden. Andererseits sind die Hilfsemitterelektroden 810b und die Hilfsgateelektroden 817b der Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ integral miteinander ausgebildet. In ähnlicher Weise sind die Hilfsemitterelektroden 810c der Hilfsthyristoren ST₃ und die Gateelektroden 811 des Hauptthyristors MT integral miteinander ausgebildet. Bei diesem Thyristor sind, wie zuvor beschrieben, die Hilfsemitterelektroden 810b und die Hilfsgateelektroden 817b, die Hilfsemitterelektroden 810c und die Gateelektroden 811 sowie die Kompensationselektroden 812 und die Kathodenelektrode 808 nicht durch Verdrahtungsmaterialien miteinander verbunden, sondern integral miteinander ausgebildet, wodurch weder eine Trennung noch ein Kurzschluß hervorgerufen wird, und die Zuverlässigkeit verbessert wird.
<8-2. Schritte zum Herstellen der Vorrichtung>
Ein Verfahren zum Herstellen dieses optischen Thyristors wird nun beschrieben. Ein Schritt eines Vorbereitens eines Silizium-Halbleitersubstrats 150 bis zu dem eines Ausbildens von Metallfilmen 151 und 109 auf beiden Hauptoberflächen des Halbleitersubstrats (8B) können mit Ausnahme der Anzahlen, Formen und Anordnung der selektiv ausgebildeten Hilfsemitterschichten 805a bis 805c und der Hauptemitterschicht 801 ähnlich denen zum Ausbilden des Thyristors gemäß dem ersten Beispiel ausgeführt werden, und eine redundante Beschreibung wird daher weggelassen. Der auf der unteren Hauptoberfläche vorgesehene Metallfilm 109 fungiert als solcher als die Anodenelektrode 809.
In dem nachfolgenden Schritt wird der Metallfilm 151 (8b), der auf der oberen Hauptoberfläche vorgesehen ist, selektiv geätzt, wodurch die Kathodenelektrode 808, die Hilfsemitterelektroden 810a bis 810c, die Hilfsgateelektroden 817a und 817b, die Gateelektroden 811 und die Kompensationselektroden 812 gleichzeitig ausgebildet werden, wie in 35 und 36 gezeigt. Zu dieser Zeit werden die Hilfsemitterelektroden 810b und die Hilfsgateelektroden 817b, die Hilfsemitterelektroden 810c und die Gateelektroden 811, sowie die Kompensationselektroden 812 und die Kathodenelektroden 808 integral miteinander ausgebildet.
Danach werden Verdrahtungsmaterialien wie Aluminiumdrähte eingesetzt, um die Hilfsemitterelektroden 810a und die Hilfsgateelektroden 817a elektrisch miteinander zu verbinden, wie in 35 gezeigt.
Gemäß diesem Herstellungsverfahren sind die Hilfsemitterelektroden 810b und die Hilfsgateelektroden 817b, die Hilfsemitterelektroden 810c und die Gateelektroden 811, wie auch die Kompensationselektroden 812 und die Kathodenelektrode 808 nicht durch Verdrahtungsmaterialien elektrisch miteinander verbunden, sondern integral miteinander ausgebildet, wodurch die Herstellungsschritte in vorteilhafter Weise vereinfacht sind.
<8-3. Gewöhnlicher Betrieb der Vorrichtung>
Der gewöhnliche Betrieb dieser Vorrichtung wird nun mit Bezug auf 36 beschrieben. Um diese Vorrichtung zu verwenden, wird eine externe Energiequelle an der Anodenelektrode 809 und der Kathodenelektrode 808 dieser Vorrichtung angeschlossen, wodurch über diese Elektroden eine positive Spannung angelegt wird. Wenn der Licht empfangende Abschnitt 814 unter Anlegen einer solchen positiven Spannung mit einem optischen Triggersignal bestrahlt wird, wird in auf beiden Seiten eines zwischen der N-Basisschicht 803 und der P-Basisschicht 802 des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ ausgebildeten P/N-Übergangs vorgesehenen Verarmungsschichtregionen ein Fotostrom erzeugt, um in die P-Basisschicht 802 zu fließen. Dieser Fotostrom fließt quer durch die P-Basisschicht 802 und fließt hiernach in die Elektroden 812, welche auf den zweiten Regionen 807 vorgesehen sind. Der Weg des Fotostroms ist identisch mit dem (gezeigt in 36) eines Verschiebungsstroms I₁₈, welcher später beschrieben wird. Der in die Kompensationselektrode 812 fließende Fotostrom fließt weiter von der Kathodenelektrode 808 in die externe Energiequelle.
Infolgedessen entwickelt der Fotostrom in dem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 805a des Hilfsthyristors ST₁ gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 802 eine Potentialdifferenz in Querrichtung, wodurch ein P/N-Übergang, welche zwischen der Hilfsemitterschicht 805a des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 802 ausgebildet ist, in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Wenn das optische Signal so stark ist, daß sich die Vorwärts-Vorspannung dem Wert eines Diffusionspotentials, welcher dem P/N-Übergang eigentümlich ist, annähert, wird eine Elektroneninjektion von der Hilfsemitterschicht 805a in die P-Basisschicht 802 abrupt erhöht, um den Hilfsthyristor ST₁ durchzuschalten. Der Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₁ fließt von der Hilfsemitterelektrode 810a zu den Drähten 818 und den Hilfsgateelektroden 817b, wodurch er den Abschnitten 813a der P-Basisschicht 802 zugeführt wird. Die den Abschnitten 813a der P-Basisschicht 802 zugeführten Durchschaltströme fungieren als Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₂.
Die Gateströme laufen in Querrichtung durch die unmittelbar unter den ringförmigen Hilfsemitterschichten 805b gelegenen Abschnitte der P-Basisschicht 802 (entlang den gleichen Wegen wie Verschiebungsströme I₂₈, welche besser beschrieben werden), laufen weiter in Querrichtung durch die unmittelbar unter den ringförmigen Hilfsemitterschichten 805c gelegene Abschnitte der P-Basisschicht 802, welche außerhalb desselben angeordnet sind (entlang den gleichen Wegen wie die Verschiebungsströme I₂₈, welche später beschrieben werden), fließen weiter in Querrichtung durch unmittelbar unter der Hauptemitterschicht 801 gelegene Abschnitte der P-Basisschicht 802, welche außerhalb derselben angeordnet sind, und laufen hiernach durch die Kurzschlußabschnitte 816 (durch denselben Weg wie ein Verschiebungsstrom I_m8, welcher später beschrieben wird), um in die Kathodenelektrode 808 zu fließen. Nachdem die Gateströme bei weitem größer sind als der Fotostrom, welcher in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugt ist, werden entlang den Wegen der Gateströme hohe Spannungen erzeugt. Infolgedessen werden Vorwärts-Vorspannungen hinreichender Werte an P/N-Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 805b und der P-Basisschicht 802 angelegt, wodurch die Hilfsthyristoren ST₂ durchgeschaltet werden. Durchschaltströme für die Hilfsthyristoren ST₂ fließen von den Hilfsemitterelektroden 810b zu den Hilfsgateelektroden 817b, wodurch sie den Abschnitten 813b der P-Basisschicht 802 zugeführt werden. Die den Abschnitten 813b der P-Basisschicht 802 zugeführten Durchschaltströme fungieren als Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₃.
Die Gateströme erreichen die Kathodenelektrode 808 von den Wegen der unten beschriebenen Verschiebungsströme I₂₈ aus durch die der später beschriebenen Verschiebungsströme I_m8. Zu diesem Zeitpunkt werden die Hilfsthyristoren ST₃ durch einen Mechanismus, welcher dem zum Durchschalten der Hilfsthyristoren ST₂ ähnlich ist, durchgeschaltet. Die Durchschaltströme für die Hilfsthyristoren ST₃ fließen von den Hilfsemitterelektroden 810c zu den Gateelektroden 811, wodurch sie den ersten Regionen 806 zugeführt werden. Die den ersten Regionen 806 zugeführten Durchschaltströme fungieren als Gateströme für den Hauptthyristor MT.
Die Gateströme, welche den ersten Regionen 806 zugeführt werden, fließen in Querrichtung durch die P-Basisschicht 802 und laufen hiernach durch die Kurzschlußabschnitte 816, wodurch sie in die Kathodenelektrode 808 fließen. Diese Gateströme sind diejenigen, welche durch Verstärken des in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugten Fotostroms nach und nach über drei Stufen erhalten werden, wodurch entlang den Wegen der Gateströme hohe Spannungen erzeugt werden. Infolgedessen wird eine Vorwärts-Vorspannung eines hinreichenden Werts an den P/N-Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 801 und der P-Basisschicht 802 angelegt, wodurch der Hauptthyristor MT durchgeschaltet wird. Somit fließt ein Hauptstrom von der Anodenelektrode 809 zu der Kathodenelektrode 808. D.h., der Thyristor leitet.
Bei diesem Thyristor sind die Wege des Fotostroms und der restlichen Gateströme voneinander getrennt, wie zuvor beschrieben. Allerdings sind die Wege der Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ und den Hauptthyristor MT nicht voneinander getrennt.
Bei diesem Thyristor kann der Querwiderstand des unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 805 des Hilfsthyristors ST₁, welcher als erster durchgeschaltet wird, gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 802 ebenfalls erhöht werden, um die Lichtempfindlichkeit zu verbessern. Somit wird die entlang dem Weg des Fotostroms erzeugte Spannung erhöht, wodurch der Hilfsthyristor ST₁ leicht durchgeschaltet wird. D.h., der Thyristor ist in der Lichtempfindlichkeit verbessert.
<8-4. Charakteristischer Betrieb der Vorrichtung>
Nun wird eine Beschreibung bezüglich eines Betriebs dieses optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt wird. Zu dieser Zeit werden durch Kapazitäten C₁₈, C₂₈, C₃₈ und C_m8 der Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 805a des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 802, zwischen den Hilfsemitterschichten 805b der Hilfsthyristoren ST₂ und der P-Basisschicht 802, zwischen den Hilfsemitterschichten 805c der Hilfsthyristoren ST₃ und der P-Basisschicht 802 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 801 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 802 jeweils die Verschiebungsströme I₁₈, I₂₈, I₃₈ und I_m8 erzeugt.
Der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Verschiebungsstrom I₁₈ fließt durch den gleichen Weg wie der Fotostrom in der P-Basisschicht 802 in die Kompensationselektrode 812 und fließt hiernach in die Kathodenelektrode 808. Aufgrund eines in dem Weg vorgesehenen Widerstands R₁₈ erzeugt der Verschiebungsstrom I₁₈ hauptsächlich in dem Abschnitt der P-Basisschicht 802, welcher sich unmittel bar unter der Hilfsemitterschicht 805a befindet, eine Potentialdifferenz in Querrichtung. In ähnlicher Weise fließt der in den Hilfsthyristoren ST₂ erzeugte Verschiebungsstrom I₂₈ durch die gleichen Wege wie die Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₂ in der P-Basisschicht 802 zu der Kathodenelektrode 808. Aufgrund von Widerständen R₂₅ der Hilfsthyristoren ST₂ in der P-Basisschicht 802 entwickeln die Verschiebungsströme I₂₈ in den unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 805b gelegenen Abschnitten der P-Basisschicht 802 Querpotentialdifferenzen. Ferner fließen die in den Hilfsthyristoren ST₃ erzeugten Verschiebungsströme I₃₈ in der P-Basisschicht 802 durch die gleichen Wege wie die Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₃ zu der Kathodenelekrode 808. Aufgrund von Widerständen R₃₅ der Hilfsthyristoren ST₃ in der P-Basisschicht 802 entwickeln die Verschiebungsströme I₃₈ in den unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 805c gelegenen Abschnitten der P-Basisschicht 802 Querpotentialdifferenzen mit den Verschiebungsströmen I₂₈.
Ferner fließt der in dem Hauptthyristor MT erzeugte Verschiebungsstrom I_m8 durch die gleichen Wege wie der Gatestrom für den Hauptthyristor MT in die Kathodenelektrode 808. Aufgrund eines in dem Weg vorgesehenen Widerstands R_m8 entwickelt der Verschiebungsstrom I_m8 hauptsächlich in dem unmittelbar unter der Hauptemitterschicht 805 des Hauptthyristors MT gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 802 eine Querpotentialdifferenz. Wie vorstehend beschrieben, ist der Weg des Verschiebungsstroms I₁₈ von denen der anderen Verschiebungsströme I₂₈, I₃₈ und I_m8 getrennt. Allerdings sind die Wege der drei Verschiebungsströme I₂₈, I₃₈ und I_m8, die jeweils die verbleibenden Wege teilweise ausbilden, nicht voneinander getrennt.
38 ist ein Ersatzschaltbild, welches auf ein Verhalten der Verschiebungsströme I₁₈ bis I₃₈ und I_m8 be zogen ist. Dioden D₁₈ bis D₃₈ drücken in äquivalenter Weise die Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 805a bis 805c der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ und der P-Basisschicht 802 aus, während eine Diode D_m8 den Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 801 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 802 ausdrückt. Enden von nur zwei Widerständen R₁₈ und R_m8 sind mit der Kathodenelektrode 808 (K) kurzgeschlossen.
Eine dem Produkt des Verschiebungsstroms I₁₈ mit dem Widerstand R₁₈ entsprechende Spannung wird an eine Anode der Diode D₁₈ angelegt. Allerdings wird diese Spannung nicht als solche als eine Vorspannung in Durchlaßrichtung über die Anode und eine Kathode der Diode D₁₈, d.h. den Übergang zwischen der Hilfsemitterschicht 805a und der P-Basisschicht 802, angelegt. Nachdem eine durch die Verschiebungsströme I₂₈, I₃₈ und I_m8 entwickelte Spannung an die Kathode der Diode D₁₈ angelegt wird, ist eine Vorwärts-Vorspannung durch I₁₈ × R₃₈ – I₂₈ × R₂₈ – (I₂₈ + I₃₈) × R₃₈ – (I₂₈ + I₃₈ + I_m8) × R_m8 gegeben. D.h., die Vorwärts-Vorspannung für den Hilfsthyristor ST₁, welche ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₁₈ hervorgebracht wird, wird durch die nachfolgenden Verschiebungsströme I₂₈, I₃₈ und I_m8 abgeschwächt. Somit wird eine anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ aufgrund des Verschiebungsstroms I₁₈ unterdrückt.
Andererseits wird eine durch den Verschiebungsstrom I₂₈ hervorgebrachte Vorwärts-Vorspannung, welche einer Spannung (I₂₈ × R₂₈) entspricht, über eine Anode und eine Kathode der Diode D₂₈ angelegt. Ferner wird eine durch die Verschiebungsströme I₂₈ und I₃₈ hervorgebrachte Spannung, d.h. eine durch (I₂₈ + I₃₈) × R₃₈ gegebene Vorwärts-Vorspannung, über die Anode und die Kathode der Diode D₃₈ angelegt. Zusätzlich wird eine durch die Verschiebungsströme I₂₈, I₃₈ und I_m8 hervorgebrachte Span nung, d.h. eine durch (I₂₈ + I₃₈ + I_m8) × R_m8 gegebene Vorwärts-Vorspannung, über die Anode und die Kathode der Diode D_m8 angelegt. Wie vorstehend beschrieben, tauchen in diesem Thyristor keine Effekte eines Unterdrückens einer anormalen Zündung der Zweit- und Drittstufen-Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ auf. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Wege der in den Zweit- und Dritt-Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ und dem Hauptthyristor MT erzeugten Verschiebungsströme I₂₈, I₃₈ und I_m8 nicht voneinander getrennt sind.
Allerdings ist im allgemeinen der Erststufen-Hilfsthyristor ST₁ auf einem so extrem hohen Empfindlichkeitsniveau festgelegt, daß es möglich ist, den optischen Thyristor durch ein schwaches optisches Signal durchzuschalten, und daher entscheidet der dv/dt-Widerstand des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ den dv/dt-Widerstand des gesamten Thyristors. Bei diesem Thyristor ist es möglich, eine anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ der Eingangsstufe, welche durch den Verschiebungsstrom am leichtesten hervorgerufen wird, zu unterdrücken, wodurch ein hinreichender Effekt zum Verbessern des dv/dt-Widerstands des gesamten Thyristors erreicht werden kann. Ferner ist es auch möglich, durch Einstellen der Widerstände R₁₈ bis R₃₈ und R_m8 oder der vorgenannten, Hauptteile hiervon ausbildenden Querwiderstände die an den Übergang des Hilfsthyristors ST₁ angelegte Vorwärts-Vorspannung auszulöschen.
Bei diesem Thyristor sind ferner die Abschnitte 813b der P-Basisschicht 802 und die ersten Regionen 806, welche die Zweitstufen- und Endstufen-Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ umgeben, nicht mit Kompensationselektroden ausgestattet, und die Hilfsemitterelektroden 810b und 810c sind jeweils mit den Hilfsgateelektroden 817b und den Gateelektroden 811 integral ausgebildet, wodurch es mög lich ist, die Hauptemitterschicht 801 in einer großen Fläche festzulegen. Daher ist es möglich, die Durchlaßspannung zu reduzieren und den Stoßwiderstand zu verbessern.
<Neuntes Beispiel>
<9-1. Aufbau der Vorrichtung>
Eine neuntes Beispiel, das nicht Teil der vorliegenden Erfindung ist, wird nun beschrieben. 39 bis 41, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß diesem Beispiel veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, eine entlang der Linie J-J' in 39 genommene Schnittansicht und eine Draufsicht, welche den Thyristor unter Weglassung von Elektroden zeigt.
Bei diesem optischen Thyristor sind eine Hauptemitterschicht 901 vom N-Typ, eine P-Basisschicht 902 vom P-Typ, eine N-Basisschicht 903 vom N-Typ und eine P-Emitterschicht 904 vom P-Typ auf einem im wesentlichen scheibenförmigen Halbleitersubstrat aus Silizium, welches ein Paar von Hauptoberflächen aufweist, schichtweise ausgebildet, wodurch ein Hauptthyristor MT ausgebildet wird. Eine kreisförmige Hilfsemitterschicht 905a vom N-Typ ist im wesentlichen in der Mitte des Halbleitersubstrats angeordnet und bildet mit der P-Basisschicht 902, der N-Basisschicht 903 und der P-Emitterschicht 904 einen Erststufen-Hilfsthyristor ST₁ aus. Ringförmige Hilfsemitterschichten 905b vom N-Typ und mit denselben umgebene Abschnitte 913a der P-Basisschicht 902 bilden mit der P-Basisschicht 902, der N-Basisschicht 903 und der P-Emitterschicht 904 Zweitstufen-Hilfsthyristoren ST₂ aus. Ferner bilden ringförmige Hilfsemitterschichten 905c und mit denselben umgebene Abschnitte 913b der P-Basisschicht 902 mit der P- Basisschicht 902, der N-Basisschicht 903 und der P-Emitterschicht 904 Drittstufen-Hilfsthyristoren ST₃ aus. D.h., dieser Thyristor weist ähnlich dem fünften Beispiel einen vierstufigen Aufbau auf, welche mit drei Stufen von Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ und dem Hauptthyristor MT versehen ist.
Die Hilfsemitterschicht 905a des Erststufenhilfsthyristors ST₁ ist auf ihrer Mitte mit einem Licht empfangenden Abschnitt 914 versehen. Der Licht empfangende Abschnitt 914 ist mit einem Antireflexionsfilm 915 beschichtet, dessen Dicke ähnlich der in dem ersten Beispiel optimiert ist.
Die Abschnitte 913b der P-Basisschicht 902 des Hilfsthyristors ST₃ sind ringförmig und umgeben die Hilfsemitterschichten 905b der Hilfsthyristoren ST₂. D.h., die zwei Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ liegen in derartigen Doppelstrukturen vor, daß die letzteren die ersteren umgeben. Der Hilfsthyristor ST₁ ist auf einem zentralen Abschnitt vorgesehen, und jeder der Hilfsthyristoren ST₂ und der Hilfsthyristoren ST₃, welche dieselben umgeben, ist auf vier Positionen so vorgesehen, daß sie unter gleichen Abständen auf einem gedachten Umfang um den Hilfsthyristor ST₁ herum angeordnet sind. Die Hilfsthyristoren ST₁ und ST₃ sind so vorgesehen, daß sie unabhängig voneinander mit der Hauptemitterschicht 901 des Hauptthyristors MT umgeben sind.
Ferner sind Abschnitte der P-Basisschicht 902, welche an die Hauptemitterschicht 901 angrenzen, mit dieser Emitterschicht 901 umgeben sind und auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, in vier Abschnitten als erste Regionen 906 ausgebildet. Diese ersten Regionen 906 sind in der Form von Streifen in Regionen unter gleichen Abständen von benachbarten Paaren der Hilfsthyristoren ST₃ entlang dem vorgenannten gedachten Umfang ausgebildet. Ferner sind ringförmige Abschnitte der P-Basisschicht 902 zwischen den Hilfsemitterschichten 905a und der Hauptemitterschicht 901 als zweite Regionen 907a so ausgebildet, daß sie auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ringförmig freiliegen. Zusätzlich sind kreisförmige Abschnitte der P-Basisschicht 902 zwischen der Hauptemitterschicht 901 und den Hilfsemitterschichten 905c als zweite Regionen 709b so ausgebildet, daß sie auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ringförmig freiliegen. Andererseits sind Abschnitte der P-Basisschicht 902, welche an die Hauptemitterschicht 901 angrenzen, mit dieser Hauptemitterschicht 901 umgeben sind und auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, als dritte Regionen 918 in der Form von Streifen oder Linien, welche die zweiten Regionen 907a und 907b miteinander verbinden, ausgebildet.
Die ersten Regionen 906, die zweiten Regionen 907a und 907b und dritten Regionen 918 sind durch die Hauptemitterschicht 901 voneinander getrennt.
Eine Kathodenelektrode 908 ist auf der oberen Hauptoberfläche der Hauptemitterschicht 901 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der Hauptemitterschicht 901 befindet. Die Hauptemitterschicht 901 ist darin mit einer Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten 916 in der Form von vertikal durch dieselbe hindurchtretenden Löchern so ausgestattet, daß die Kathodenelektrode 908 durch die Kurzschlußabschnitte 916 mit der P-Basisschicht 902 kurzgeschlossen ist. Abschnitte der Kathodenelektrode 908, welche sich in Kontakt mit den Kurzschlußabschnitten 916 befinden, fungieren als Kompensationselektroden.
Eine Anodenelektrode 909 ist auf der unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 904 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit der P-Emitterschicht 904 befindet. Eine ringförmige Hilfsemitterelektrode 910a und ringförmige Emitterelektroden 910b und 910c, welche einzelne geteilte Abschnitte aufweisen, sind jeweils auf den Hilfsemitterschichten 905a, 905b und 905c so ausgebildet, daß sie sich jeweils in elektrischem Kontakt mit den Hilfsemitterschichten 905a, 905b und 905c befinden. Gateelektroden 911 des Hauptthyristors MT sind auf den ersten Regionen 906 so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit den ersten Regionen 906 befinden. Kompensationselektroden 912a sind auf den zweiten Regionen 907a so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit den zweiten Regionen 907a befinden. Die Kompensationselektroden 917a sind mit der Kathodenelektrode 908 integral ausgebildet. Ferner sind Kompensationselektroden 912b auf den zweiten Regionen 907b so ausgebildet, daß sie sich in elektrischem Kontakt mit den zweiten Regionen 907b befinden. Die Kompensationselektroden 912b sind ebenfalls integral mit der Kathodenelektrode 908 ausgebildet.
Hilfsgateelektroden 917a und 917b der Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ sind auf Abschnitten 913a und 913b der P-Basisschicht 902, welche jeweils an die inneren Seiten der Hilfsemitterschichten 905b und 905c angrenzen, ausgebildet. Die Hilfsemitterelektrode 901a und die Hilfsgateelektroden 917a der Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂ sind durch Leiter-Brückenabschnitte 921, welche integral mit denselben ausgebildet sind, elektrisch miteinander verbunden. Andererseits sind die Hilfsgateelektroden 917b der Hilfsthyristoren ST₂, welche ringförmige Elektroden sind, die jeweils einen geteilten Abschnitt ähnlich den Hilfsemitterelektroden 910b aufweisen, integral mit den Hilfsemitterelektroden 910b ausgebildet. Die vier Hilfse mitterelektroden 910c der Hilfsthyristoren ST₃ und die vier Gateelektroden 911 des Hauptthyristors MT sind durch vier Leiter-Brückenabschnitte 922, welche mit denselben integral ausgebildet sind, elektrisch miteinander verbunden. Die Brückenabschnitte 921 und 922 sind jeweils auf Isolierschichten 919 und 920, welche auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats ausgebildet sind, angeordnet. Somit wird ein Kurzschluß der Brückenabschnitte 921 und 922 mit dem Halbleitersubstrat verhindert. Die Isolierschicht 919 ist entlang streifenförmigen dritten Regionen 918 ausgebildet.
Wie zuvor beschrieben, sind die Hilfsemitterelektroden 910b und die Hilfsgateelektroden 917b wie auch die Kompensationselektroden 912a und 912b und die Kathodenelektrode 908 nicht durch Verdrahtungsmaterialien miteinander verbunden, sondern integral miteinander ausgebildet, während die Hilfsemitterelektroden 910a und die Hilfsgateelektroden 917a wie auch die Hilfsemitterelektroden 910c und die Gateelektroden 911 durch die Leiter-Brückenabschnitte 921 und 922, welche integral miteinander ausgebildet sind, elektrisch miteinander verbunden sind, wodurch ohne eine Möglichkeit für eine Trennung, einen Kurzschluß oder dergleichen die Zuverlässigkeit verbessert ist.
Die dritten Regionen 918 sind so vorgesehen, daß die minimale Breite der Hauptemitterschicht 901, welche die zweiten Regionen 907a und 907b voneinander trennt, in einer Vorrichtung derart, daß der Abstand zwischen den zweiten Regionen 907a und 907b auf einen größeren Wert als 4 mm festgelegt ist, 2 mm nicht übersteigt. Falls die minimale Breite 2 mm übersteigt, werden die Querwiderstände der P-Basisschicht 902, welche unmittelbar unter jenen der Hauptemitterschicht 901 angeordneten Abschnitten entsprechen, übermäßig erhöht, und daher wird durch die Verschiebungsströme von diesen Abschnitten der Hauptemitterschicht 901 aus eine anormale Zündung hervorgerufen, wodurch der dv/dt-Widerstand des Gesamtthyristors sinkt. Dies liegt daran, daß die Isolierschicht 919 auf der oberen Hauptoberfläche von Abschnitten der Hauptemitterschicht 901, welche die zweiten Regionen 907a und 907b trennen, ausgebildet ist und weder die Kathodenelektrode 908 noch die Kurzschlußabschnitte 916 auf diesen Abschnitten ausgebildet sein können.
<9-2. Schritte zum Herstellen der Vorrichtung>
Ein Verfahren zum Herstellen des optischen Thyristors wird nun beschrieben. Ein Schritt eines Vorbereitens eines Silizium-Halbleitersubstrats 150 bis zu dem eines Ausbildens des Licht empfangenden Abschnitts 914 (7B) können mit Ausnahme der Anzahlen, Formen und Anordnung der Hilfsemitterschichten 905a bis 905c und der Hauptemitterschicht 901 in ähnlicher Weise wie die zum Herstellen des Thyristors gemäß dem ersten Beispiel ausgeführt werden, und daher wird eine redundante Beschreibung bezüglich dieser Schritte weggelassen.
In dem nachfolgenden Schritt werden die Isolationsfilme 919 und 920 und der Antireflexionsfilm 915 in einer ähnlichen Weise wie der in 17A gezeigten ausgebildet. Danach werden Metallfilme in einer ähnlichen Weise wie der in 17B gezeigten so ausgebildet, daß sie beide Hauptoberflächen, die Isolierfilme 919 und 920 sowie den Antireflexionsfilm 915 vollständig abdecken. Der Metallfilm (entsprechend dem Metallfilm 309 in 17B) fungiert als solcher als die Anodenelektrode 909.
Dann wird der Metallfilm (entsprechend dem Metallfilm 351 in 17B), welcher auf der oberen Hauptoberfläche vorgesehen ist, selektiv geätzt, um die Kathodenelektrode 908, die Hilfsemitterelektroden 910a bis 910c, die Hilfsgateelektroden 917a und 917b, die Gateelektroden 911, die Kompensationselektroden 912a und 912b und die Brückenabschnitte 921 und 922 gleichzeitig auszubilden, wie in 39 bis 41 gezeigt. Zu dieser Zeit werden die Hilfsemitterelektroden 910b und die Hilfsgateelektroden 917b integral miteinander ausgebildet. Ferner werden auch die Kompensationselektroden 912a und 912b sowie die Kathodenelektroden 908 integral miteinander ausgebildet. Zusätzlich werden auch die Hilfsemitterelektrode 910a, die Brückenabschnitte 921 sowie die Hilfsgateeelektrode 917a integral miteinander ausgebildet. Ferner werden die Hilfsemitterelektroden 910c, die Brückenabschnitte 922 sowie die Gateelektroden 911 integral miteinander ausgebildet.
Gemäß diesem Herstellungsverfahren werden die Elektroden integral so miteinander ausgebildet, daß sie ohne Einsatz von Verdrahtungsmaterialien elektrisch miteinander verbunden sind, wodurch die Herstellungsschritte in vorteilhafter Weise vereinfacht sind.
<9-3. Gewöhnlicher Betrieb der Vorrichtung>
Der gewöhnliche Betrieb dieses optischen Thyristors wird nun mit Bezug auf 40 und 41 beschrieben. Um diesen optischen Thyristor zu verwenden, wird eine externe Energiequelle an die Anodenelektrode 909 und die Kathodenelektrode 908 dieser Vorrichtung angeschlossen, wodurch über diese Elektroden eine positive Spannung angelegt wird. Wenn der Licht empfangende Abschnitt 914 unter Anlegen einer solchen positiven Spannung mit einem optischen Triggersignal bestrahlt wird, wird in auf beiden Seiten einer zwischen der N-Basisschicht 903 und der P-Basisschicht 902 des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ ausgebildeten P/N-Übergangs vorgesehenen Verarmungsschichtregionen ein Fotostrom erzeugt, um in die P-Basisschicht 902 zu fließen. Dieser Fotostrom fließt in Querrichtung durch die P-Basisschicht 902 und fließt hiernach in die Elektroden 912a, welche auf den zweiten Regionen 907a vorgesehen sind. Der Weg des Fotostroms ist identisch mit dem (gezeigt in 40) eines später beschriebenen Verschiebungsstroms I₁₉. Der in die Kompensationselektrode 912a fließende Fotostrom fließt weiter von der Kathodenelektrode 908 in die externe Energiequelle.
Infolgedessen entwickelt der Fotostrom in dem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 905a des Hilfsthyristors ST₁ gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 902 eine Querpotentialdifferenz, wodurch ein P/N-Übergang, welcher zwischen der Hilfsemitterschicht 905a des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 902 ausgebildet ist, in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Wenn das optische Signal so stark ist, daß sich die Vorwärts-Vorspannung dem Wert eines Diffusionspotentials, welches dem P/N-Übergang eigentümlich ist, annähert, wird eine Elektroneninjektion von der Hilfsemitterschicht 905a in die P-Basisschicht 902 abrupt erhöht, um den Hilfsthyristor ST₁ durchzuschalten. Der Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₁ fließt von der Hilfsemitterelektrode 910a zu dem Brückenabschnitt 921 und den Hilfsgateelektroden 919a, wodurch er den Abschnitten 913a der P-Basisschicht 902 zugeführt wird. Die den Abschnitten 913a der P-Basisschicht 902 zugeführten Durchschaltströme fungieren als Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₂.
Die Gateströme verlaufen in Querrichtung durch die unmittelbar unter den ringförmigen Hilfsemitterschichten 905b gelegenen Abschnitte der P-Basisschicht 902 (entlang den gleichen Wegen wie die Verschiebungsströme I₂₉, welche später beschrieben werden), verlaufen weiter in Querrichtung durch die unmittelbar unter den ringförmigen Hilfsemitterschichten 905c, welche außerhalb denselben angeordnet sind, gelegenen Abschnitte der P-Basisschicht 902 (entlang den gleichen Wegen wie die Verschiebungsströme I₃₉, welche später beschrieben werden), und fließen hiernach in die Kompensationselektroden 912b, welche auf den zweiten Regionen 907b ausgebildet sind. Nachdem die Gateströme bei weitem größer sind als der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Fotostrom, werden entlang den Wegen der Gateströme hohe Spannungen erzeugt. Infolgedessen werden hinreichend hohe Vorwärts-Vorspannungen an P/N-Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 905b und der P-Basisschicht 902 angelegt, wodurch die Hilfsthyristoren ST₂ durchgeschaltet werden. Die Durchschaltströme für die Hilfsthyristoren ST₂ fließen von den Hilfsemitterelektroden 910b zu den Hilfsgateelektroden 917b, wodurch sie den Abschnitten 913b der P-Basisschicht 902 zugeführt werden. Die den Abschnitten 913b der P-Basisschicht 902 zugeführten Durchschaltströme fungieren als Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₃.
Die Gateströme fließen durch die Wege der Verschiebungsströme I₂₉ in die Kompensationselektrode 912b. Zu dieser Zeit werden die Hilfsthyristoren ST₃ durch einen Mechanismus, welcher dem zum Durchschalten der Hilfsthyristoren ST₂ ähnlich ist, durchgeschaltet. Die Durchschaltströme für die Hilfsthyristoren ST₃ fließen durch die Brückenabschnitte 922 von den Hilfsemitterelektroden 910c zu den Gateelektroden 911, wodurch sie den ersten Regionen 906 zugeführt werden. Die den ersten Regionen 906 zugeführten Durchschaltströme fungieren als Gateströme für den Hauptthyristor MT.
Die Gateströme, welche den ersten Regionen 906 zugeführt werden, fließen in Querrichtung durch die P-Basisschicht 902 und laufen hiernach durch die Kurzschlußabschnitte 916, wodurch sie in die Kathodenelektrode 908 fließen. Diese Gateströme sind jene, welche durch Ver stärken des in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugten Fotostroms nach und nach über drei Stufen erhalten werden, wodurch entlang den Wegen der Gateströme hohe Spannungen erzeugt werden. Infolgedessen wird eine Vorwärts-Vorspannung eines hinreichenden Werts an den P/N-Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 901 und der P-Basisschicht 902 angelegt, wodurch der Hauptthyristor MT durchgeschaltet wird. Somit fließt ein Hauptstrom von der Anodenelektrode 909 zu der Kathodenelektrode 908. D.h., der Thyristor leitet.
Bei diesem Thyristor sind die Wege des Fotostroms und der restlichen Gateströme voneinander getrennt, wie zuvor beschrieben. Ferner sind auch die Wege der Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₃ und den Hauptthyristor MT voneinander getrennt. Allerdings sind die Wege der Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₂ und ST₃ nicht voneinander getrennt.
Auch in diesem Thyristor kann der Querwiderstand des unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 905 des Hilfsthyristors ST₁, welcher zuerst durchgeschaltet wird, gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 902 erhöht werden, um die Lichtempfindlichkeit zu verbessern. Somit wird die Spannung, welche entlang dem Weg des Fotostroms erzeugt wird, erhöht, wodurch der Hilfsthyristor ST₁ leicht durchgeschaltet wird. D.h., der Thyristor ist in seiner Lichtempfindlichkeit verbessert.
Bei diesem Thyristor sind die Hilfsemitterelektroden 910c der vier (mehreren) Drittstufen-(Endstufen)-Hilfsthyristoren ST₃ mit den vier Gateelektroden 911 des Hauptthyristors MT verbunden, wie in 39 gezeigt. Ferner sind all diese Elektroden miteinander verbunden. Daher ist es möglich, eine Mehrzahl von unterschiedlichen Verstärkungswegen, welche die jeweiligen Hilfsthyristo ren, die unterschiedliche Durchschalteigenschaften aufweisen, einsetzen, in den Gateelektroden 911 zu integrieren. Infolgedessen ist es möglich, Ungleichmäßigkeiten in Durchschalteigenschaften zwischen den Verstärkungswegen in vorteilhafter Weise zu reduzieren oder zu beseitigen. Daher sind die Durchschalteigenschaften des Hauptthyristors MT weiter stabilisiert, während es möglich ist, eine Verbesserung des di/dt-Widerstands und eine Verkürzung der Durchschaltzeit zu implementieren.
<9-4. Charakteristischer Betrieb der Vorrichtung>
Nun wird eine Beschreibung bezüglich eines Betriebs des optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt wird. Zu dieser Zeit werden durch Kapazitäten C₁₉, C₂₉, C₃₉ und C_m9 der Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 905a des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 902, zwischen den Hilfsemitterschichten 905b der Hilfsthyristoren ST₂ und der P-Basisschicht 902, zwischen den Hilfsemitterschichten 905c der Hilfsthyristoren ST₃ und der P-Basisschichten 902 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 901 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 902 jeweils Verschiebungsströme I₁₉, I₂₉, I₃₉ und I_m9 erzeugt.
Der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Verschiebungsstrom I₁₉ fließt durch den gleichen Weg wie der Fotostrom in der P-Basisschicht 902 in die Kompensationselektroden 912a und fließt hiernach in die Kathodenelektrode 908. Aufgrund eines in dem Weg vorgesehenen Widerstands R₁₉ entwickelt der Verschiebungsstrom I₁₉ hauptsächlich in dem Abschnitt der P-Basisschicht 902, der unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 905a gelegen ist, eine Potentialdifferenz in Querrichtung. In ähnlicher Weise fließen die in den Hilfsthyristoren ST₂ erzeugten Verschiebungs ströme I₂₉ durch die gleichen Wege wie die Gateströme der Hilfsthyristoren ST₂ in der P-Basisschicht 902 zu den Kompensationselektroden 912b. Aufgrund von Widerständen R₂₉ des Hilfsthyristors ST₂ in der P-Basisschicht 902 entwickeln die Verschiebungsströme in den Abschnitten der P-Basisschicht 902, welche sich unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 905b befinden, Potentialdifferenzen in Querrichtung. Ferner fließen die in den Hilfsthyristoren ST₃ erzeugten Verschiebungsströme I₃₉ durch die gleichen Wege wie die Gateströme für die Hilfsthyristoren ST₃ in der P-Basisschicht 902 zu den Kompensationselektroden 912b. Aufgrund von Widerständen R₃₉ der Hilfsthyristoren ST₃ in der P-Basisschicht 902 entwickeln die Verschiebungsströme I₃₉ in den Abschnitten der P-Basisschicht 902, welche sich unmittelbar unter den Hilfsemitterschichten 905c befinden, Querpotentialdifferenzen mit den Verschiebungssströmen I₂₉.
Ferner fließt der in dem Hauptthyristor MT erzeugte Verschiebungsstrom I_m9 durch den gleichen Weg wie der Gatestrom für den Hauptthyristor MT in die Kathodenelektrode 908. Aufgrund eines in dem Weg bereitgestellten Widerstands R_m9 entwickelt der Verschiebungsstrom I_m9 hauptsächlich in dem Abschnitt der P-Basisschicht 902, welcher sich unmittelbar unter der Hauptemitterschicht 901 des Hauptthyristors MT befindet, eine Querpotentialdifferenz. Wie vorstehend beschrieben, ist der Weg des Verschiebungsstroms I₁₉ von dem der anderen Verschiebungsströme I₂₉, I₃₉ und I_m9 getrennt. Ferner sind die Wege der zwei Verschiebungsströme I₃₉ und I_m9 ebenfalls voneinander getrennt. Die Wege der Verschiebungsströme I₃₉ bilden jedoch Teile jener der Verschiebungsströme I₂₉ aus, und diese Wege sind nicht voneinander getrennt.
43 ist ein Ersatzschaltbild, welches sich auf ein Verhalten der Verschiebungsströme I₁₉ bis I₃₉ und I_m9 bezieht. Dioden D₁₉ bis D₃₉ drücken in äquivalenter Weise die Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 905a bis 905c der Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ und der P-Basisschicht 902 aus, während eine Diode D_m9 den Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 901 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 902 ausdrückt. Enden von nur zwei Widerständen R₁₉ und R_m9 sind mit der Kathodenelektrode 908 (K) kurzgeschlossen.
Eine dem Produkt des Verschiebungsstroms I₁₉ mit dem Widerstand R₁₉ entsprechende Spannung wird an eine Anode der Diode D₁₉ angelegt. Nachdem eine durch die Verschiebungsströme I₂₉ und I₃₉ hervorgerufene Spannung an die Kathode der Diode D₁₉ angelegt wird, wird über die Anode und die Kathode der Diode D₁₉ eine durch I₁₉ × R₁₉ – I₂₉ × R₂₉ – (I₂₉ + I₃₉) × R₃₉ gelieferte Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt. D.h., die ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₁₉ hervorgebrachte Vorwärts-Vorspannung des Hilfsthyristors ST₁ wird durch die nachfolgenden Verschiebungsströme I₁₉ und I₃₉ abgeschwächt. Daher wird eine anormale Zündung aufgrund des Verschiebungsstroms I₁₉ in dem Hilfsthyristor ST₁ unterdrückt.
Ferner wird eine dem Produkt des Verschiebungsstroms I₃₉ mit dem Widerstand R₃₉ entsprechende Spannung an die Anode der Diode D₃₉ angelegt. Andererseits wird eine durch den Verschiebungsstrom I_m9 hervorgerufene Spannung an die Kathode der Diode D₃₉ angelegt, wodurch über die Anode und die Kathode der Diode D₃₉ eine durch I₃₉ × R₃₉ – I_m9 × R_m9 gelieferte Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt wird. D.h., die ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₃₉ hervorgebrachte Vorwärts-Vorspannung für den Hilfsthyristor ST₃ wird durch den Verschiebungsstrom I_m9 der nächsten Stufe abgeschwächt. Somit wird eine anormale Zündung aufgrund des Verschie bungsstroms I₃₉ in dem Hilfsthyristor ST₃ unterdrückt. Andererseits wird eine durch den Verschiebungsstrom I₂₉ hervorgebrachte Vorspannung in Durchlaßrichtung entsprechend einer Spannung (I₂₉ × R₂₉) über die Anode und die Kathode der Diode D₂₉ angelegt.
Wie zuvor beschrieben, erscheinen in diesem Thyristor Wirkungen eines Unterdrückens einer anormalen Zündung der Erst- und Drittstufen-Hilfsthyristoren ST₁ und ST₃, während eine Wirkung eines Unterdrückens einer anormalen Zündung der Zweitstufen-Hilfsthyristoren ST₂ nicht auftritt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß der Weg des Verschiebungsstroms I₁₉ von den Wegen der Verschiebungsströme I₂₉, I₃₉ und I_m9 getrennt ist und die Wege der zwei Verschiebungsströme I₃₉ und I_m9 ebenfalls voneinander getrennt sind, während die Wege der zwei Verschiebungströme I₃₉ und I₂₉ nicht voneinander getrennt sind.
Allerdings wird in ähnlicher Weise wie bei der Vorrichtung gemäß der achten Ausführungsform eine anormale Zündung des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ unterdrückt, während eine anormale Zündung der Endstufen-Hilfsthyristoren ST₃ ebenfalls unterdrückt wird, wodurch eine hinreichende Wirkung zum Verbessern des dv/dt-Widerstands des Gesamtthyristors erzielt wird. Ferner ist es durch Einstellen der Widerstände R₁₉ bis R₃₉ und R_m9 oder der vorgenannten, Hauptteile hiervon ausbildenden Querwiderstände auch möglich, die an die Übergänge der Hilfsthyristoren ST₁ und ST₃ angelegten Vorwärts-Vorspannungen auszulöschen.
Bei diesem Thyristor sind die die Zweitstufen-Hilfsthyristoren ST₂ umgebenden Abschnitte 913b der P-Basisschicht 902 nicht mit Kompensationselektroden versehen, während die Hilfsemitterelektroden 910b integral mit den Hilfsgateelektroden 917b ausgebildet sind, wodurch es möglich ist, die Hauptemitterschicht 901 in einer großen Fläche festzulegen. Daher ist es möglich, die Durchlaßspannung zu reduzieren und den Stoßwiderstand zu verbessern.
<Zehntes Beispiel>
Bei der Vorrichtung gemäß dem sechsten Beispiel können die ringförmigen Gateelektroden 611 des Hauptthyristors MT beispielsweise einwärts oder auswärts gerichtete Zweige aufweisen (nicht gezeigt). Aufgrund dieser Struktur ist es möglich, eine Zündung entlang der Gesamtfläche des Hauptthyristors weiter zu beschleunigen, wodurch eine weitere Verbesserung des di/dt-Widerstands implementiert wird.
Es werden nun spezielle Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
<Erste Ausführungsform>
<11-1. Aufbau der Vorrichtung>
Nun wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 44 bis 47, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß dieser Ausführungsform veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, entlang der Linien A-A' und B-B' in 44 genommene Schnittansichten sowie eine Draufsicht unter Weglassung von Elektroden.
Bei diesem Thyristor sind drei Stufen von Einheitsthyristoren einschließlich eines Erststufen-Hilfsthyristors ST₁, eines Zweitstufen-Hilfsthyristors ST₂ und eines Hauptthyristors MT konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig entlang einer Hauptoberfläche eines im wesent lichen scheibenförmigen Halbleitersubstrats aus Silizium in dieser Reihenfolge von seiner Mitte aus angeordnet. Eine P-Basisschicht 1102, eine N-Basisschicht 1103 und eine P-Emitterschicht 1104 sind auf dem Halbleitersubstrat nacheinander von seiner oberen Hauptoberfläche zu seiner unteren Hauptoberfläche schichtweise ausgebildet. Ferner sind Hilfsemitterschichten 1105 und 1106 vom N-Typ und eine Hauptemitterschicht 1101 vom N-Typ in dieser Reihenfolge von der Mitte der oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 1102 aus in selektiver Weise konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig so ausgebildet, daß sie voneinander getrennt sind.
Die in der Mitte der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordnete und auf dieser oberen Hauptoberfläche kreisförmig freiliegende Hilfsemitterschicht 1105 bildet mit der P-Basisschicht 1102, der N-Basisschicht 1103 und der P-Emitterschicht 1104 den Hilfsthyristor ST₁ aus. Ferner bildet die Hilfsemitterschicht 1106 mit der P-Basisschicht 1102, der N-Basisschicht 1103 und der P-Emitterschicht 1104 den Hilfsthyristor ST₂ aus. Zusätzlich bildet die Hauptemitterschicht 1103 mit der P-Basisschicht 1102, der N-Basisschicht 1101 und der P-Emitterschicht 1104 den Hauptthyristor MT aus.
Ein zwischen der Hilfsemitterschicht 1106 und der Hauptemitterschicht 1101 gehaltener und auf der oberen Hauptoberfläche ringförmig freiliegender Abschnitt der P-Basisschicht 1102 ist durch einen ringförmigen Abschnitt der N-Basisschicht 1103 in innere und äußere Regionen geteilt. Dieser ringförmige Abschnitt der N-Basisschicht 1103, d.h. ein Teilungsabschnitt 1112, fungiert als eine Barriere zum Unterdrücken oder Verhindern einer Trägerbewegung zwischen der inneren und äußeren Region.
Ein Licht empfangender Abschnitt 1109 ist in der Mitte der Hilfsemitterschicht 1105 des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ vorgesehen. Eine Kathodenelektrode 1107 ist auf einer oberen Hauptoberfläche der Hauptemitterschicht 1101 ausgebildet. Eine Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten (in 45 und 46 durch gestrichelte Linien gezeigt) sind in der Hauptemitterschicht 1101 in der Form von vertikal durch dieselbe hindurchtretenden kleinen Löchern so ausgebildet, daß die Kathodenelektroden 1107 durch diese Kurzschlußabschnitte mit der P-Basisschicht 1102 kurzgeschlossen ist. Eine Anodenelektrode 1108 ist auf einer unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 1104 ausgebildet.
Eine ringförmige Hilfsemitterschicht 1110 ist auf der Hilfsemitterschicht 1105 ausgebildet. Ferner ist eine ringförmige Kollektorelektrode 1121, welche einen geteilten Abschnitt aufweist, auf einem zwischen den Hilfsemitterschichten 1105 und 1106 gehaltenen Abschnitt der P-Basisschicht 1106 ausgebildet. Zusätzlich ist eine ringförmige Emitterelektrode 1111, welche einen geteilten Abschnitt aufweist, auf der Hilfsemitterschicht 1106 integral mit der Kollektorelekrode 1121 ausgebildet. Ferner ist eine ringförmige Hilfsgateelektrode 1110a, welche einen geteilten Abschnitt aufweist, auf der vorgenannten inneren Region, welche an die äußere Seite der Hilfsemitterschicht 1106 angrenzt, ausgebildet. Ferner ist eine ringförmige Gateelektrode (Kollektorelektrode) 1111a auf der vorgenannten äußeren Region, welche an die innere Seite der Hauptemitterschicht 1101 angrenzt, ausgebildet.
Ein Isolierfilm 1113 beispielsweise eines Oxids ist auf dem Halbleitersubstrat zwischen der Hilfsemitterelektrode 1110 und der Hilfsgateelektrode 1110a über die geteilten Abschnitte der Kollektorelektrode 1121 und der Hilfsemitterelekrode 1111 hinweg selektiv ausgebildet.
Ein Leiter-Brückenabschnitt 1110b ist auf dem Isolierfilm 1113 integral mit der Hilfsemitterelektrode 1110 und der Hilfsgateelektrode 1110a ausgebildet, um diese Elektroden miteinander zu verbinden. Ferner ist ein Isolierfilm 1114 beispielsweise eines Oxids auf dem Halbleitersubstrat zwischen der Hilfsemitterelektrode 1111 und der Gateelektrode 1111a über den geteilten Abschnitt der Hilfsgateelektrode 1110a hinweg ausgebildet. Ein Leiter-Brückenabschnitt 1111b ist auf diesem Isolierfilm 1114 integral mit der Hilfsemitterelektrode 1111 und der Gateelektrode 1111a ausgebildet, um diese Elektroden elektrisch miteinander zu verbinden. Die Isolierfilme 1113 und 1114 gewährleisten eine elektrische Isolierung zwischen den Brückenabschnitten 1110b und 1111b, welche hierauf ausgebildet sind, und dem Halbleitersubstrat.
Bei diesem optischen Thyristor sind, wie zuvor beschrieben, die Elektroden nicht durch Verdrahtungsmaterialien miteinander verbunden, sondern durch die Brückenabschnitte, welche integral mit diesen miteinander zu verbindenden ausgebildet sind, wodurch der Thyristor ohne die Möglichkeit einer Trennung oder eines Kurzschlusses eine hervorragende Zuverlässigkeit aufweist.
Die Breite der Isolationsregion 1112 beträgt vorzugsweise nicht mehr als 60 μm und wird beispielsweise auf 30 μm festgelegt. Falls diese Breite 60 μm übersteigt, kann ein P/N-Übergang, welcher zwischen der P-Basisschicht 1102 und der N-Basisregion 1103 ausgebildet ist, eine Verschlechterung der Stehspannung hervorrufen, nachdem dieser P/N-Übergang eine spannungshemmende Grenzfläche ist.
Die Hilfsemitterelektrode 1110 und die Hilfsgateelektrode 1110a erstrecken sich über den Oxidfilm 1113, während sich die Hilfsemitterelektrode 1111 und die Gate elektrode 1111a über den Oxidfilm 1114 erstrecken, und daher können diese Elektroden durch Eckabschnitte der Oxidfilme 1113 und 1114 teilweise beschädigt werden, wenn diese Elektroden bezüglich der Oxidfilme nicht ausreichend dick sind. Daher weisen diese Elektroden vorzugsweise eine Dicke von etwa oder wenigstens dem Fünfachen der Oxidfilme 1113 und 1114 auf. Nachdem die Oxidfilme 1113 und 1114 meistens eine Dicke von etwa 1 μm aufweisen, sind die Elektroden vorzugsweise wenigstens 5 μm dick.
<11-2. Schritte zum Herstellen der Vorrichtung>
Ein Verfahren zum Herstellen dieses optischen Thyristors wird nun beschrieben. 48A bis 53 veranschaulichen beispielhafte Schritte dieses Herstellungsverfahrens. Um diesen optischen Thyristor herzustellen, wird zuerst ein Silizium-Halbleitersubstrat 1150 vom N-Typ, welches eine im wesentlichen scheibenförmige Gestalt aufweist und ein Fremdmaterial vom N-Typ in vergleichsweise geringer Konzentration enthält, vorbereitet, wie in 48A gezeigt. Dann wird ein Fremdmaterial vom P-Typ wie etwa Bor von seiner unteren Hauptoberfläche aus in das gesamte Halbleitersubstrat 1150 eingebracht, wie in 48B gezeigt. Somit weist das Halbleitersubstrat 1150 eine Struktur derart auf, daß die N-Basisschicht 1103 vom N-Typ auf der P-Emitterschicht 1104 vom P-Typ geschichtet ist.
Dann wird eine obere Hauptoberfläche der N-Basisschicht 1103 (obere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 1150) gedanklich in fünf Regionen einschließlich einer kreisförmigen Region U₁, welche in der Mitte angeordnet ist, und konzentrisch-ringförmiger Regionen U₂ bis U₅ in dieser Reihenfolge von der Mitte bis zum Rand eingeteilt, wie in 49 gezeigt. Ferner wird die Region U₄ gedanklich in drei konzentrisch-ringförmige Regionen U₄₁, U₄₂ und U₄₃ in dieser Reihenfolge von der inneren Seite zu der äußeren Seite eingeteilt.
Dann wird ein Fremdmaterial vom P-Typ wie etwa Bor in die obere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats mit Ausnahme der Region U₄₂ selektiv eingebracht, um die P-Basisschicht 1102 vom P-Typ auf dem oberen Hauptoberflächenabschnitt der N-Basisschicht 1103 selektiv auszubilden, wie in 50A gezeigt. Zu dieser Zeit wird die vorgenannte Isolationsregion 1112 gleichzeitig ausgebildet.
Dann wird ein Fremdmaterial vom N-Typ wie etwa Phosphor in die ungeradzahligen U₁, U₃ und U₅ selektiv eingebracht, um dadurch die Hilfsemitterschichten 1105 und 1106 sowie die Hauptemitterschicht 1101 auf dem oberen Hauptoberflächenabschnitt der P-Basisschicht 1102 selektiv auszubilden, wie in 50B gezeigt. Zu dieser Zeit wird das Fremdmaterial in die Region U₅ selektiv eingebracht, um eine Mehrzahl von verstreuten kleinen Regionen auszuschließen. Somit werden die vorgenannten Kurzschlußabschnitte (in 50B durch gestrichelte Linien gezeigt) in unmittelbar unter den kleinen Regionen gelegenen Abschnitten ausgebildet.
Dann wird auf der Mitte der oberen Oberfläche der Hilfsemitterschicht 1105 der Licht empfangende Abschnitt 1109 ausgebildet, wie in 51A gezeigt.
Dann wird der Isolationsfilm 1113 wie etwa beispielsweise ein Oxidfilm auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats entlang einem die Regionen U₁ und U₄₁ miteinander verbindenden Weg selektiv ausgebildet, wie in 51B gezeigt. Zur selben Zeit wird der Isolationsfilm 1114 wie etwa beispielsweise ein Oxidfilm auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats entlang einem die Regionen U₃ und U₄₃ miteinander verbindenden Weg selektiv ausgebildet.
Dann wird auf der gesamten Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 1104 ein Metallfilm 1108 ausgebildet, wie in 52 gezeigt. Zur gleichen oder in etwa gleichen Zeit wird ein Metallfilm 1151 ausgebildet, um die obere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und die gesamten Isolierfilme 1113 und 1114 zu bedecken. Dieser Metallfilm 1108 fungiert als solcher als die Anodenelektrode 1108.
Mit Bezug wiederum auf 44 bis 46 wird der Metallfilm 1151 beispielsweise durch Ätzen selektiv entfernt, um die ringförmige Hilfsemitterelektrode 1110, die ringförmige Kollektorelektrode 1121, welche durch den Isolierfilm 1113 in einen Abschnitt geteilt ist, die ringförmige Hilfsemitterelektrode 1111, welche durch den Isolierfilm 1113 in einen Abschnitt geteilt ist, die ringförmige Hilfsgateelektrode 1110a, welche durch den Isolierfilm 1114 in einen Abschnitt geteilt ist, und die ringförmige Gateelektrode 1111a auf dem Halbleitersubstrat auszubilden. Zur gleichen Zeit werden die Brückenabschnitte 1110b und 1111b jeweils auf den Isolierfilmen 1113 und 1114 ausgebildet. Zu dieser Zeit werden die Kollektorelektrode 1121 und die Hilfsemitterelektrode 1111, der Brückenabschnitt 1110b, die Hilfsemitterelektrode 1110 und die Hilfsgateelektrode 1110a wie auch der Brückenabschnitt 1111b, die Hilfsemitterelektrode 1111 und die Gateelektrode 1111a integral miteinander ausgebildet.
Gemäß diesem Verfahren werden die miteinander zu verbindenden Elektroden ohne Einsatz von Verdrahtungsmaterialien integral miteinander ausgebildet, wodurch die Herstellungsschritte in vorteilhafter Weise vereinfacht sind.
<11-3. Gewöhnlicher Betrieb der Vorrichtung>
Der gewöhnliche Betrieb dieses optischen Thyristors wird nun mit Bezug auf 45 beschrieben. Um diesen optischen Thyristor zu verwenden, wird eine externe Energiequelle an die Anodenelektrode 1108 und die Kathodenelektrode 1107 dieser Vorrichtung angeschlossen, wodurch über diese Elektroden eine positive Spannung angelegt wird. Wenn der Licht empfangende Abschnitt 1109 unter Anlegen einer solchen positiven Spannung mit einem optischen Triggersignal bestrahlt wird, wird in auf beiden Seiten eines zwischen der N-Basisschicht 1103 des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 1102 ausgebildeten P/N-Übergangs vorgesehenen Verarmungsschichtregionen ein Fotostrom erzeugt, um in die P-Basisschicht 1102 zu fließen. Dieser Fotostrom fließt in Querrichtung durch die P-Basisschicht 1102 und fließt hiernach in die Kollektorelektrode 1121. Der Fotostrom fließt durch denselben Weg wie ein Verschiebungsstrom I₁₁₁, welcher später beschrieben wird. Der in die Kollektorelektrode 1121 fließende Fotostrom erreicht die Gateelektrode 1111a durch den Brückenabschnitt 1111b. Der Fotostrom fließt weiter von der Gateelektrode 1111a zu der vorgenannten äußeren Region, fließt in Querrichtung durch die P-Basisschicht 1102 und fließt hiernach durch die Kurzschlußabschnitte entlang dem Weg eines Verschiebungsstroms I_m11, welcher später beschrieben wird, in die Kathodenelektrode 1107.
Infolgedessen entwickelt der Fotostrom in einem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 1105 des Hilfsthyristors ST₁ gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 1102 eine Potentialdifferenz in Querrichtung, wo durch ein zwischen der Hilfsemitterschicht 1105 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 1102 ausgebildeter P/N-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Falls das optische Signal so stark ist, daß sich die Vorwärts-Vorspannung dem Wert eines Diffusionspotentials, welches dem P/N-Übergang eigentümlich ist, annähert, wird einen Elektroneninjektion von der Hilfsemitterschicht 1105 in die P-Basisschicht 1102 abrupt erhöht, um den Hilfsthyristor ST₁ durchzuschalten. Dieser Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₁ fließt von der Hilfsemitterelektrode 1110 durch den Brückenabschnitt 1110b zu der Hilfsgateelektrode 1110a, wodurch er der vorgenannten inneren Region zugeführt wird. Der der inneren Region zugeführte Durchschaltstrom fungiert als ein Gatestrom für den Hilfsthyristor ST₂.
Aufgrund der Isolationsregion 1112 fließt dieser Gatestrom nicht in die Gateelektrode 1111a, sondern in Querrichtung durch einen unmittelbar unter der ringförmigen Hilfsemitterschicht 1106 gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 1102 entlang dem gleichen Weg wie in Verschiebungsstrom I₂₁₁, welcher später beschrieben wird, in die Kollektorelektrode 1121. Der in die Kollektorelektrode 1121 fließende Gatestrom fließt durch einen Weg ähnlich dem des Fotostroms in die Kathodenelektrode 1107. Dieser Gatestrom ist bei weitem größer als der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Fotostrom, wodurch entlang dem Weg des Gatestroms eine hohe Spannung erzeugt wird. Infolgedessen wird eine hinreichend hohe Vorwärts-Vorspannung an einen P/N-Übergang zwischen der Hilfsemitterschicht 1106 und der P-Basisschicht 1102 angelegt, wodurch der Hilfsthyristor ST₂ durchgeschaltet wird. Dieser Durchschaltstrom für den Hilfssthyristor ST₂ fließt von der Hilfsemitterelektrode 1111 durch den Brückenabschnitt 1111b zu der Gateelektrode 1111a, wodurch er der vorgenannten äußeren Region zugeführt wird. Der der äußeren Region zugeführte Durchschaltstrom fungiert als ein Gatestrom für den Hauptthyristor MT.
Ähnlich wie der Fotostrom fließt der Gatestrom, welcher der äußeren Region zugeführt wird, in Querrichtung durch die P-Basisschicht 1102 und fließt hiernach in die Kathodenelektrode 1107, indem er durch die Kurzschlußabschnitte hindurchtritt. Nachdem dieser Gatestrom durch Verstärken des in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugten Fotostroms nacheinander über zwei Stufen erhalten wird, wird entlang dem Weg des Gatestroms eine hohe Spannung erzeugt. Infolgedessen wird eine Vorwärts-Vorspannung eines hinreichenden Werts an den P/N-Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 1101 und der P-Basisschicht 1102 angelegt, wodurch der Hauptthyristor MT durchgeschaltet wird. Somit fließt ein Hauptstrom von der Anodenelektrode 1108 zu der Kathodenelektrode 1107. D.h., der Thyristor leitet.
Bei diesem Thyristor kann der Querwiderstand des unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 1105 des Hilfsthyristors ST₁, welcher zuerst durchgeschaltet wird, gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 1102 ebenfalls erhöht werden, um die Lichtempfindlichkeit zu verbessern. Somit wird die entlang dem Weg des Fotostroms erzeugte Spannung erhöht, wodurch der Hilfsthyristor ST₁ leicht durchgeschaltet wird. D.h., der Thyristor wird in seiner Lichtempfindlichkeit verbessert. Andererseits ist es vorzuziehen, den Querwiderstand des unmittelbar unter der Hilfsemitterregion 1106 des zweiten Hilfsthyristors ST₂ gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 1102 auf einen kleinen Wert festzulegen.
<11-4. Charakteristischer Betrieb der Vorrichtung>
Nun wird eine Beschreibung bezüglich eines Betriebs dieses optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt ist. Zu dieser Zeit werden durch Kapazitäten C₁₁₁, C₂₁₁ und C_m11 der Übergänge zwischen der Hilfsemitterschicht 1105 des Hilfsthyristors ST₁, zwischen der Hilfsemitterschicht 1106 des Hilfsthyristors ST₂ und der P-Basisschicht 1102 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 1101 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 1102 jeweils Verschiebungsströme I₁₁₁, I₂₁₁ und I_m11 erzeugt.
Der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Verschiebungsstrom I₁₁₁ fließt in der P-Basisschicht 1102 durch denselben Weg wie der Fotostrom in die Kollektorelektrode 1121 und fließt hiernach durch den Brückenabschnitt 1111b zu der Gateelektrode 1111a. Aufgrund eines in diesem Weg vorgesehenen Widerstands R₁₁₁ entwickelt der Verschiebungsstrom I₁₁₁ hauptsächlich in einem Abschnitt der P-Basisschicht 1102, welcher sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 1105 befindet, eine Querpotentialdifferenz. In ähnlicher Weise fließt der in dem Hilfsthyristor ST₂ erzeugte Verschiebungsstrom I₂₁₁ in der P-Basisschicht 1102 durch den gleichen Weg wie der Fotostrom in die Kollektorelekrode 1121 und fließt hiernach durch den Brückenabschnitt 1111b zu der Gateelektrode 1111a. Aufgrund eines Widerstands R₂₁₁ des Hilfsthyristors ST₂ in der P-Basisschicht 1102 entwickelt der Verschiebungsstrom I₂₁₁ in einem Abschnitt der P-Basisschicht 1102, welcher sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 1106 befindet, eine Querpotentialdifferenz. Wie aus 45 klar verstanden wird, sind die Wege der zwei Verschiebungsströme I₁₁₁ und I₂₁₁ voneinander getrennt.
Ferner vereinigt sich der in dem Hauptthyristor MT erzeugte Verschiebungsstrom I_m11 mit den von der Gateelektrode 1111a aus zugeführten Verschiebungsströmen I₁₁₁ und I₂₁₁ und fließt durch den gleichen Weg wie der Gatestrom für den Hauptthyristor MT in die Kathodenelektrode 1107. Aufgrund eines in dem Weg vorgesehenen Widerstands R_m11 entwickeln die Verschiebungsströme I₁₁₁, I₂₁₁ und I_m11 hauptsächlich in einem Abschnitt der P-Basisschicht 1102, welcher sich unmittelbar unter der Hauptemitterschicht 1101 des Hauptthyristors MT befindet, eine Querpotentialdifferenz.
53 ist ein Ersatzschaltbild, welches sich auf ein Verhalten der Verschiebungsströme I₁₁₁, I₂₁₁ und I_m11 bezieht. Dioden D₁₁₁ und D₂₁₁ drücken jeweils in äquivalenter Weise die Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 1105 und 1106 der Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂ mit der P-Basisschicht 1102 aus, während eine Diode D_m11 den Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 1101 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 1102 ausdrückt. Ein Ende nur des Widerstands R_m11 ist mit der Kathodenelektrode 1107 (K) kurzgeschlossen. Ein Widerstand R₃₁₁ der Isolationsregion 1112 ist im Vergleich mit dem Widerstand R₂₁₁ auf einen hinreichend hohen Wert festgelegt, und daher wird nur ein kleiner Komponentenbetrag des Verschiebungsstroms I₂₁₁ in den Widerstand R₃₁₁ geteilt. D.h., der Verschiebungsstrom I₂₁₁ fließt aufgrund der Isolationsregion 1112 eher durch den Widerstand R₂₁₁ als durch den Widerstand R₃₁₁.
Wie aus 53 verstanden wird, wird eine durch I₁₁₁ × R₁₁₁ – I₂₁₁ × R₂₁₁ gelieferte Vorwärts-Vorspannung über eine Anode und eine Kathode der Diode D₁₁₁ angelegt. Insbesondere wird eine ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₁₁₁ hervorgebrachte Vorwärts-Vorspannung für den Hilfsthyristor ST₁ durch den Verschiebungsstrom I₂₁₁ der nächsten Stufe abgeschwächt. Daher wird eine durch den Verschiebungsstrom I₁₁₁ ausgelöste anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ unterdrückt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Wege der zwei Verschiebungsströme I₁₁₁ und I₂₁₁ voneinander getrennt sind. Andererseits wird eine Vorwärts-Vorspannung entsprechend einer Spannung (I₂₁₁ × R₂₁₁), welche durch den Verschiebungsstrom I₂₁₁ hervorgebracht wird, über eine Anode und eine Kathode der Diode D₂₁₁ angelegt. Daher erscheint in diesem Thyristor keine Wirkung eines Unterdrückens einer anormalen Zündung bezüglich des Zweitstufen-(Endstufen)-Hilfsthyristors ST₂.
Bei diesem optischen Thyristor ist es jedoch möglich, eine anormale Zündung bezüglich des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁, dessen anormale Zündung durch den Verschiebungsstrom am leichtesten erzeugt wird, zu unterdrücken, wodurch eine hinreichende Wirkung zum Verbessern des dv/dt-Widerstands des Gesamtthyristors erzielt wird. Ferner ist es auch möglich, durch Einstellen der Widerstände R₁₁₁ und R₂₁₁ oder der vorgenannten, Hauptteile hiervon ausbildenden Querwiderstände die an den Übergang des Hilfsthyristors ST₁ angelegte Vorspannung in Durchlaßrichtung auszulöschen.
Ferner ist es möglich, durch Einstellen der Widerstände R₁₁₁ und R₂₁₁ die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand unabhängig voneinander zu entscheiden, wodurch die Lichtempfindlichkeit und der dv/dt-Widerstand unabhängig voneinander entschieden werden können. Somit ist es möglich, die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand in verträglicher Weise zu verbessern.
Bei dem optischen Thyristor gemäß dieser Ausführungsform sind ferner die Hilfsemitterschichten 1105 und 1106 konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig ausgebildet, wodurch die folgenden drei Vorteile erzielt werden: erstens ist es möglich, die Emitterlängen in der Reihenfolge der Hilfsemitterschicht 1105, der Hilfsemitter schicht 1106 und der Hauptemitterschicht 1101 zu erhöhen. Daher werden Leitungsbereiche in der Reihenfolge der Hilfsemitterschicht 1105, der Hilfsemitterschicht 1106 und der Hauptemitterschicht 1101 vergrößert, wenn der Hilfsthyristor ST₁, der Hilfsthyristor ST₂ und der Hauptthyristor MT in dieser Reihenfolge durchgeschaltet werden, wodurch der Durchschaltstrom, welcher mit der Zeit erhöht wird, wirksam über die gesamte Oberfläche des Thyristors verstreut wird. Ebenso ist es daher möglich, eine Konzentration des Stroms zu verhindern, wenn ein Durchschaltstrom mit großem di/dt zugeführt wird.
Zweitens ist es möglich, die Brückenabschnitte 1110b und 1111b jeweils zwischen den Hilfsemitterelektroden 1110 und 1111 und den Gateelektroden 1110a und 1111a zu verkürzen. Daher ist es möglich, zu verhindern, daß die Brückenabschnitte 1110b und 1111b durch den kontinuierlich durch die Brückenabschnitte 1110b und 1111b fließenden Durchschaltstrom mit großem di/dt ausgebrannt werden, bevor der Hauptthyristor MT durchgeschaltet wird. Ferner ist ein Flächenwirkungsgrad verbessert, nachdem die Brückenabschnitte 1110b und 1111b verkürzt werden können.
Drittens können die Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂ in großen Bereichen festgelegt werden, wodurch es möglich ist, die Verschiebungsströme I₁₁₁ und I₂₁₁, welche durch dv/dt erzeugt werden, auf große Werte festzulegen, während der Querwiderstand des unmittelbar unter der Hilfsemitterregion 1106 gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 1104 auf einen kleinen Wert festgelegt wird. Dies trägt zu einer Verbesserung der Lichtempfindlichkeit bei.
<Zweite Ausführungsform>
<12-1. Aufbau der Vorrichtung>
Eine zweite Ausführungsform der vorliegendem Erfindung wird nun beschrieben. 54 bis 57, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß dieser Ausführungsform veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, entlang der Linien A-A' und B-B' in 54 genommene Schnittansichten sowie eine Draufsicht unter Weglassung von Elektroden.
Dieser optische Thyristor ist dem der ersten Ausführungsform identisch mit Ausnahme dessen, daß sich eine Isolationsregion 1212 im Aufbau unterscheidet. D.h., Einheitsthyristoren dreier Stufen einschließlich eines Erststufen-Hilfsthyristors ST₁, eines Zweitstufen-Hilfsthyristors ST₂ und eines Hauptthyristors MT sind konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig in dieser Reihenfolge von der Mitte einer Hauptoberfläche eines im wesentlichen scheibenförmigen Silizium-Halbleitersubstrats aus angeordnet. Eine P-Basisschicht 1202, eine N-Basisschicht 1203 und eine P-Emitterschicht 1204 sind auf dem Halbleitersubstrat nacheinander von seiner oberen Hauptoberfläche zu seiner unteren Hauptoberfläche schichtweise ausgebildet. Ferner sind Hilfsemitterschichten 1205 und 1206 vom N-Typ und eine Hauptemitterschicht 1201 vom N-Typ konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig in dieser Reihenfolge von der Mitte der oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 1202 aus selektiv ausgebildet.
Die ringförmige Isolationsregion 1212, welche einen zwischen der Hilfsemitterschicht 1206 und der Hauptemitterschicht 1201 gehaltenen und auf der oberen Hauptoberfläche ringförmig freiliegenden Abschnitt der P-Basisschicht 1202 in innere und äußere Regionen teilt, ist durch Ausbilden dieser Region der P-Basisschicht 1202 so, daß sie seichter als die verbleibenden Regionen ist, ausgebildet. Aufgrund einer solchen Struktur fungiert die Isolationsregion 1212 als eine Barriere zum Unterdrücken oder Verhindern einer Trägerbewegung zwischen der inneren und äußeren Region. Die Breite der Isolationsregion 1212 ist auf einen Grad festgelegt, welcher zum widerstandsbehafteten Trennen der Hilfsemitterelektrode 1210a und der Gateelektrode 1211a voneinander ausreichend ist. Nachdem die Isolationsregion 1212 eine Region vom P-Typ ist, welche mit der P-Basisschicht 1202 integriert ist, ist es möglich, die Stehspannung im Vergleich mit dem Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform leichter sicherzustellen, während eine Toleranz für die Stehspannung hoch ist. Eine Störstellenkonzentration in der Isolationsregion 1212 ist vorzugsweise auf einen geringeren Wert als in den verbleibenden Regionen festgelegt.
Ein Licht empfangender Abschnitt 1209, eine Kathodenelektrode 1207, eine Anodenelektrode 1208, eine Hilfsemitterelektrode 1210, eine Kollektorelektrode 1221, eine Hilfsemitterelektrode 1211, eine Hilfsgateelektrode 1210a, eine Gateelektrode (Kollektorelektrode) 1211a, ein Isolierfilm 1213, ein Brückenabschnitt 1210b, ein Isolierfilm 1214 und ein Brückenabschnitt 1211b sind in ihrem Aufbau den entsprechenden Abschnitten des Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform identisch, und daher wird eine redundante Beschreibung weggelassen. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Elektroden ähnlich dem Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform nicht durch Verdrahtungsmaterialien miteinander verbunden, sondern durch die Brückenabschnitte, welche mit den zu verbindenden Elektroden integral ausgebildet sind, wodurch der Thyristor eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit ohne die Möglichkeit einer Trennung oder eines Kurzschlusses aufweist.
<12-2. Schritte zum Herstellen der Vorrichtung>
Ein Verfahren zum Herstellen dieses optischen Thyristors wird nun beschrieben. 58A und 58B zeigen Schritte dieses Herstellungsverfahrens. Um diesen optischen Thyristor herzustellen, werden zuerst die in 48A bis 50A in der ersten Ausführungsform gezeigten Schritte ausgeführt.
Dann wird, wie in 58A gezeigt, ein Fremdmaterial vom P-Typ wie etwa Bor bis zu einer geringen Tiefe in die gesamte obere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats oder selektiv in eine Region U₄₂ eingebracht, um einen Abschnitt in der Nähe einer oberen Hauptoberfläche der Isolationsregion 1212 in eine Halbleiterschicht vom P-Typ umzuwandeln. Diese Halbleiterschicht vom P-Typ ist so ausgebildet, daß sie seichter ist als die P-Basisschicht 1102. Ferner wird die Störstellenkonzentration in der Halbleiterschicht vom P-Typ so eingestellt, daß sie geringer ist als die in der P-Basisschicht 1102. Auch wenn das Fremdmaterial vom P-Typ in die gesamte obere Hauptoberfläche eingebracht wird, werden aufgrund seiner geringen Konzentration die Hauptemitterschicht 1201 und die Hilfsemitterschichten 1205 und 1206, in welche ein Fremdmaterial hoher Konzentration eingebracht ist, kaum beeinflußt.
Dann wird ein Fremdmaterial vom N-Typ wie etwa Phosphor selektiv in die ungeradzahligen Regionen U₁, U₃ und U₅ eingebracht, wie in 58B gezeigt, wodurch die Hilfsemitterschichten 1205 und 1206 sowie die Hauptemitterschicht 1201 auf einem oberen Hauptoberflächenabschnitt der P-Basisschicht 1202 selektiv ausgebildet werden. Zu dieser Zeit wird das Fremdmaterial selektiv in die Region U₅ eingebracht, während eine Mehrzahl von verstreuten kleinen Regionen ausgeschlossen wird. Somit werden unmittelbar unter den kleinen Regionen Kurzschlußabschnitte (in 58B durch gestrichelte Linien gezeigt) ausgebildet. Die nachfolgenden Schritte sind den 51A folgenden Schritten in der ersten Ausführungsform ähnlich, und daher wird eine redundante Beschreibung weggelassen.
Auch in diesem Herstellungsverfahren, wie es vorstehend beschrieben ist, sind die miteinander zu verbindenden Elektroden in ähnlicher Weise wie bei dem mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebenen Verfahren ohne Einsatz von Verdrahtungsmaterialien integral miteinander ausgebildet, wodurch die Verarbeitungsschritte in vorteilhafter Weise vereinfacht werden.
<12-3. Betrieb der Vorrichtung>
Der gewöhnliche Betrieb des optischen Thyristors gemäß dieser Ausführungsform ist dem des optischen Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich, und daher wird eine redundante Beschreibung weggelassen. Nun wird eine Beschreibung bezüglich eines Betriebs des optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt ist. Zu dieser Zeit werden durch Kapazitäten C₁₁₂, C₂₁₂ und C_m12 von Übergängen zwischen der Hilfsemitterschicht 1205 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 1202, zwischen der Hilfsemitterschicht 1206 des Hilfsthyristors ST₂ und der P-Basisschicht 1202 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 1201 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 1202 jeweils Verschiebungsströme I₁₁₂, I₂₁₂ und I_m2 erzeugt. Diese Verschiebungsströme I₁₁₂, I₂₁₂ und I_m12 fließen entlang Wegen, welche denen der in dem optischen Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform jeweils ausgebildeten Verschiebungsströme I₁₁₁, I₂₁₁ und I_m11 ähnlich sind.
Daher wird eine Schaltung dieses Thyristors, welcher sich auf ein Verhalten der Verschiebungsströme I₁₁₂, I₂₁₂ und I_m12 bezieht, in äquivalenter Weise durch ein in 59 gezeigtes Schaltbild ausgedrückt. Dioden D₁₁₂ und D₂₁₂ drücken jeweils in äquivalenter Weise die Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 1205 und 1206 des Hilfsthyristors ST₁ und ST₂ und der P-Basisschicht 1202 aus, während eine Diode D_m12 den Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 1202 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 1202 ausdrückt. Entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₁₂, I₂₁₂ und I_m12 liegen jeweils Widerstände R₁₁₂, R₂₁₂ und R_m12 vor. Nachdem ein Widerstand R₃₁₂ der Isolationsregion 1212 im Vergleich mit dem Widerstand R₂₁₂ auf einem hinreichend hohen Niveau festgelegt ist, wird nur eine kleine Komponentenmenge des Verschiebungsstroms I₂₁₂ in den Widerstand R₃₁₂ geteilt. D.h., der Verschiebungsstrom I₂₁₂ fließt verglichen mit dem Widerstand R₃₁₂ aufgrund der Isolationsregion 1212 vorzugsweise in den Widerstand R₂₁₂, D.h., die Schaltung dieses Thyristors weist einen Aufbau auf, welcher dem der Schaltung des Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich ist.
Daher wird eine anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ aufgrund des Verschiebungsstroms I₁₁₂ durch den Verschiebungsstrom I₂₁₂ unterdrückt. Eine anormale Zündung bezüglich des anfänglichen Hilfsthyristors ST₁, dessen anormale Zündung durch den Verschiebungsstrom am leichtesten hervorgerufen wird, kann unterdrückt werden, wodurch dieser Thyristor in ähnlicher Weise wie der Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform eine Verbesserung im dv/dt-Widerstand des Gesamtthyristors in hinreichender Weise erreichen kann.
Der Widerstand R₃₁₂ der Isolationsregion 1212 ist im Vergleich mit dem optischen Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform etwas hoch, und daher neigt ein Teil I₂₁₃ des Verschiebungsstroms I₂₁₂ dazu, über die Isolationsregion 1212 hinweg zu der Gateelektrode 1211a zu fließen. Im Ansprechen auf den Grad einer Teilung des Verschiebungsstroms I₂₁₂ in den Verschiebungsstrom I₃₁₂ wird auch der Grad eines Zuführens an den Hilfsthyristor ST₁ zum Abschwächen der Vorwärts-Vorspannung reduziert. Allerdings ist der Widerstand R₂₁₂ noch immer ausreichend geringer als der Widerstand R₃₁₂, und daher wird der Verschiebungsstrom I₂₁₂ in einem hinreichend geringen Grad in den Verschiebungsstrom I₃₁₂ geteilt.
<Dritte Ausführungsform>
<13-1. Aufbau der Vorrichtung>
Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. 60 bis 62, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß dieser Ausführungsform veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, eine entlang der Linie A-A' in 60 genommene Schnittansicht sowie eine Draufsicht unter Weglassung von Elektroden.
Dieser optische Thyristor ist mit Ausnahme des Aufbaus einer Isolationsregion 1312 ebenfalls dem der ersten Ausführungsform identisch. D.h., Einheitsthyristoren dreier Stufen einschließlich eines Erststufen-Hilfsthyristors ST₁, eines Zweitstufen-Hilfsthyristors ST₂ und eines Hauptthyristors MT sind von der Mitte zum Rand konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig in dieser Reihenfolge entlang einer Hauptoberfläche eines im wesentlichen scheibenförmige Silizium-Halbleitersubstrats angeordnet. Eine P-Basisschicht 1302, eine N-Basisschicht 1303 und eine P-Emitterschicht 1304 sind auf dem Halbleitersubstrat nacheinander von dessen oberer Hauptoberflä che zu seiner unteren Hauptoberfläche schichtweise ausgebildet. Ferner sind Hilfsemitterschichten 1305 und 1306 vom N-Typ und eine Hauptemitterschicht 1301 vom N-Typ selektiv konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig in dieser Reihenfolge von der Mitte der oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 1202 aus so ausgebildet, daß sie voneinander getrennt sind.
Die ringförmige Isolationsregion 1312, welche einen zwischen der Hilfsemitterschicht 1306 und der Hauptemitterschicht 1301 gehaltenen und ringförmig auf der oberen Hauptoberfläche freiliegenden Abschnitt der P-Basisschicht 1302 in innere und äußere Regionen teilt, ist in die Form einer Rille gearbeitet, welche durch Entfernen eines Abschnitts der oberen Hauptoberflächen der P-Basisschicht 1202, welcher eine hohe Störstellenkonzentration und einen niedrigen Widerstand aufweist, definiert ist. Somit fungiert die Isolationsregion 1212 als eine Barriere zum Unterdrücken oder Verhindern einer Trägerbewegung zwischen der inneren und äußeren Region. D.h., ein Widerstand R₃₁₃ zwischen der Hilfsgateelektrode 1310a und der Gateelektrode 1311a des Hauptthyristors MT ist ausreichend hoch, um diese Elektroden widerstandsbehaftet voneinander zu trennen. Nachdem die P-Basisschicht 1302 in diesem optischen Thyristor eine gleichmäßige Diffusionstiefe aufweist, ist es möglich, die Stehspannung im Vergleich mit den optischen Thyristoren gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform leichter sicherzustellen.
Ein Licht empfangender Abschnitt 1309, eine Kathodenelektrode 1307, eine Anodenelektrode 1308, eine Hilfsemitterelektrode 1310, eine Kollektorelektrode 1321, eine Hilfsemitterelektrode 1311, eine Hilfsgateelektrode 1310a, eine Gateelektrode (Kollektorelekrode) 1311a, ein Isolierfilm 1313, ein Brückenabschnitt 1310b, ein Isolierfilm 1314 und ein Brückenabschnitt 1311b sind in ih rem Aufbau den entsprechenden Abschnitten des Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform identisch, und daher wird eine redundante Beschreibung weggelassen. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Elektroden ähnlich dem Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform nicht durch Verdrahtungsmaterialien miteinander verbunden, sondern durch die Brückenabschnitte, welche mit den miteinander zu verbindenden Elektroden integral ausgebildet sind, wodurch der Thyristor eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit ohne die Möglichkeit einer Trennung oder eines Kurzschlusses aufweist.
<13-2. Schritte zum Herstellen der Vorrichtung>
Ein Verfahren zum Herstellen dieses optischen Thyristors wird nun beschrieben. 63A, 63B, 64A und 64B veranschaulichen Schritte dieses Herstellungsverfahrens. Um diesen optischen Thyristor herzustellen, wird zuerst ein Silizium-Halbleitersubstrat 1350 vom N-Typ, welches eine im wesentlichen scheibenförmige Gestalt aufweist und ein Fremdmaterial vom N-Typ in vergleichsweise geringer Konzentration enthält, vorbereitet, wie in 63A gezeigt.
Dann wird ein Fremdmaterial vom P-Typ wie etwa Bor in das gesamte Halbleitersubstrat 1350 von oberen und unteren Hauptoberflächen hiervon aus eingebracht, wie in 63B gezeigt. Daher weist das Halbleitersubstrat 1350 einen Aufbau derart auf, daß die P-Basisschicht 1302 vom P-Typ, die N-Basisschicht 1303 vom N-Typ und die P-Emitterschicht 1304 vom P-Typ von der oberen Hauptoberfläche zu der unteren Hauptoberfläche aufeinanderfolgend auf der P-Emitterschicht 1304 vom P-Typ geschichtet sind.
Dann wird eine obere Hauptoberfläche der P-Basisschicht 1302 (obere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats 1350) gedanklich in fünf Regionen U1 bis U5 eingeteilt, wie in 49 in der ersten Ausführungsform gezeigt, während die Region U4 weiter gedanklich in drei Regionen U41, U42 und U43 eingeteilt wird.
Dann wird ein Fremdmaterial vom N-Typ wie etwa Phosphor selektiv in die ungeradzahligen Regionen U1, U3 und U5 eingebracht, wie in 64A gezeigt, wodurch die Hilfsemitterschichten 1305 und 1306 sowie die Hauptemitterschicht 1301 auf einem Abschnitt der oberen Hauptoberflächen der P-Basisschicht 1302 selektiv ausgebildet werden. Zu dieser Zeit wird das Fremdmaterial unter Ausschluß einer Mehrzahl von versprengten kleinen Regionen selektiv in die Region U₅ eingebracht. Somit werden Kurzschlußabschnitte (in 64A durch gestrichelte Linien gezeigt) unmittelbar unter den kleinen Regionen ausgebildet.
Dann werden der zentrale Abschnitt der oberen Oberfläche der Hilfsemitterschicht 1305 und die Region U₄₂ gleichzeitig oder unabhängig durch Ätzen oder dergleichen entfernt, um den Licht empfangenden Abschnitt 1309 und die rillenförmige Isolationsregion 1312 auszubilden, wie in 64B gezeigt. Die nachfolgenden Schritte sind den 51B folgenden Schritten in der ersten Ausführungsform ähnlich, und daher wird eine redundante Beschreibung weggelassen.
In diesem Herstellungsverfahren werden, wie zuvor beschrieben, die miteinander zu verbindenden Elektroden in ähnlicher Weise wie dem mit Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebene Verfahren ebenfalls ohne Einsatz von Verdrahtungsmaterialien integral miteinander ausge bildet, wodurch die Herstellungsschritte in vorteilhafter Weise vereinfacht sind.
<13-3. Betrieb der Vorrichtung>
Der gewöhnliche Betrieb des optischen Thyristors gemäß dieser Ausführungsform ist dem des optischen Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich, und daher wird eine redundante Beschreibung weggelassen. Nun wird eine Beschreibung bezüglich eines Betriebs des optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt ist. Zu dieser Zeit werden durch Kapazitäten C₁₁₃, C₂₁₃ und C_m13 von Übergängen zwischen der Hilfsemitterschicht 1305 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 1302, zwischen der Hilfsemitterschicht 1306 des Hilfsthyristors ST₂ und der P-Basisschicht 1302 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 1301 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 1302 jeweils Verschiebungsströme I₁₁₃, I₂₁₃ und I_m13 erzeugt. Diese Verschiebungsströme I₁₁₃, I₂₁₃ und I_m13 fließen entlang Wegen, welche denen der in dem optischen Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform erzeugten Verschiebungsströme I₁₁₁, I₂₁₁, bzw. I_m11 ähnlich sind.
Daher wird die Schaltung dieses Thyristors, welche sich auf ein Verhalten der Verschiebungsströme I₁₁₃, I₂₁₃ und I_m13 bezieht, in äquivalenter Weise durch ein in 65 gezeigtes Schaltbild ausgedrückt. Dioden D₁₁₃ und D₂₁₃ drücken in äquivalenter Weise die Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 1305 und 1306 der Hilfsthyristoren ST₁ bzw. ST₂ und der P-Basisschicht 1302 aus, während eine Diode D_m13 den Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 1302 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 1302 ausdrückt. Widerstände R₁₁₃, R₂₁₃ und R_m13 liegen jeweils entlang den Wegen der Verschiebungsströme I₁₁₃, I₂₁₃ und I_m13 vor. Nachdem ein Widerstand R₃₁₃ der Isolationsregion 1312 im Vergleich mit dem Widerstand R₂₁₃ auf einem ausreichend hohen Niveau festgelegt ist, wird nur eine kleine Komponentenmenge des Verschiebungsstroms I₂₁₃ in den Widerstand R₃₁₃ geteilt. D.h., der Verschiebungsstrom I₂₁₃ fließt im Vergleich mit dem Widerstand R₃₁₃ aufgrund der Isolationsregion 1312 vorzugsweise in den Widerstand R₂₁₃. D.h., die Schaltung dieses Thyristors weist einen Aufbau auf, welche der der Schaltung des Thyristors gemäß der ersten Ausführungsform ähnlich ist.
Daher wird eine durch den Verschiebungsstrom I₁₁₃ hervorgerufene anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ durch den Verschiebungsstrom I₂₁₃ unterdrückt. Eine anormale Zündung bezüglich des Eingangs-Hilfsthyristors ST₁, dessen anormale Zündung durch den Verschiebungsstrom am leichtesten hervorgerufen wird, kann unterdrückt werden, wodurch dieser Thyristor in ähnlicher Weise wie der Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform eine Verbesserung im dv/dt-Widerstand des gesamten Thyristors in hinreichender Weise erreichen kann.
Der Widerstand R₃₁₃ der Isolationsregion 1312 ist im Vergleich mit dem optischen Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform etwas hoch, und daher neigt ein Teil I₃₁₃ des Verschiebungsstroms I₂₁₃ dazu, über die Isolationsregion 1312 hinweg zu der Gateelektrode 1311a zu fließen. Im Ansprechen auf den Grad einer Teilung des Verschiebungsstroms I₂₁₃ in den Verschiebungsstrom I₃₁₃ ist auch der Grad einer Zuführung in den Hilfsthyristor ST₁ zum Abschwächen der Vorspannung in Durchlaßrichtung reduziert. Der Widerstand R₂₁₃ ist jedoch noch immer in hinreichender Weise geringer als der Widerstand R₃₁₃, und daher wird der Verschiebungsstrom I₂₁₃ zu einem hinreichend geringen Grad in den Verschiebungsstrom I₃₁₃ ge teilt. Somit wird eine hinreichende Wirkung zum Verbessern des dv/dt-Widerstands erreicht.
<Vierte Ausführungsform>
<14-1. Aufbau der Vorrichtung>
Eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun beschrieben. 66 bis 68, welche den Aufbau eines optischen Thyristors gemäß dieser Ausführungsform veranschaulichen, sind jeweils eine Draufsicht, eine vordere Schnittansicht sowie eine Draufsicht unter Weglassung von Elektroden.
Bei diesem Thyristor sind Einheitsthyristoren von vier Stufen einschließlich Erst- bis Drittstufen-Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ und eines Hauptthyristors MT konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig in dieser Reihenfolge entlang einer Hauptoberfläche eines im wesentlichen scheibenförmigen Silizium-Halbleitersubstrats von der Mitte zum Rand angeordnet. Eine P-Basisschicht 1402, eine N-Basisschicht 1403 und eine P-Emitterschicht 1404 sind auf dem Halbleitersubstrat in der Reihenfolge von dessen oberer Hauptoberfläche zu seiner unteren Hauptoberfläche schichtweise ausgebildet. Ferner sind Hilfsemitterschichten 1405, 1406 und 1407 vom N-Typ sowie eine Hauptemitterschicht 1401 vom N-Typ in dieser Reihenfolge auf einer oberen Hauptoberfläche der P-Basisschicht 1402 von der Mitte zum Rand konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig selektiv so ausgebildet, daß sie voneinander getrennt sind.
Die Hilfsemitterschicht 1405, welche in der Mitte der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet ist und kreisförmig auf dieser oberen Hauptoberfläche freiliegt, bildet mit der P-Basisschicht 1402, der N-Ba sisschicht 1403 und der P-Emitterschicht 1404 den Hilfsthyristor ST₁. Ferner bildet die Hilfsemitterschicht 1406 mit der P-Basisschicht 1402, der N-Basisschicht 1403 und der P-Emitterschicht 1404 den Hilfsthyristor ST₂. Zusätzlich bildet die Hilfsemitterschicht 1407 mit der P-Basisschicht 1402, der N-Basisschicht 1403 und der P-Emitterschicht 1404 den Hilfsthyristor ST₃. Ferner bildet die Hauptemitterschicht 1401 mit der P-Basisschicht 1402, der N-Basisschicht 1403 und der P-Emitterschicht 1404 den Hauptthyristor MT.
Ein Abschnitt der P-Basisschicht 1402, welcher zwischen den Hilfsemitterschichten 1406 und 1407 gehalten wird und ringförmig auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt, wird durch einen ringförmigen Abschnitt der N-Basisschicht 1403 in innere und äußere Regionen geteilt. Dieser ringförmige Abschnitt der P-Basisschicht 1403, d.h. eine Isolationsregion 1314, fungiert als eine Barriere zum Unterdrücken oder Verhindern einer Trägerbewegung zwischen den inneren und äußeren Regionen.
Ein Licht empfangender Abschnitt 1410 ist in der Mitte der Hilfsemitterschicht 1405 des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ vorgesehen. Eine Kathodenelektrode 1408 ist auf einer oberen Hauptoberfläche der Hauptemitterschicht 1401 ausgebildet. Eine Mehrzahl von Kurzschlußabschnitten (in 67 durch gestrichelte Linien gezeigt) ist in der Hauptemitterschicht 1401 in der Form von vertikal durch dieselbe hindurchtretenden kleinen Löchern ausgebildet, so daß die Kathodenelektrode 1408 durch die Kurzschlußabschnitte mit der P-Basisschicht 1402 kurzgeschlossen ist. Eine Anodenelektrode 1409 ist auf der unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 1404 ausgebildet.
Eine ringförmige Hilfsemitterelektrode 1411 ist auf der Hilfsemitterschicht 1405 ausgebildet. Ferner ist eine ringförmige Kollektorelektrode 1421, welche einen geteilten Abschnitt aufweist, auf einem zwischen den Hilfsemitterschichten 1405 und 1406 gehaltenen Abschnitt der P-Basisschicht 1402 ausgebildet. Zusätzlich ist eine ringförmige Hilfsemitterelektrode 1412, welche einen geteilten Abschnitt aufweist, auf der Hilfsemitterschicht 1406 ausgebildet. Ferner ist eine ringförmige Hilfsgateelektrode 1411a, welche einen geteilten Abschnitt aufweist, auf der inneren Region, welche an die äußere Seite der Hilfsemitterschicht 1406 angrenzt, ausgebildet. Eine ringförmige Kollektorelektrode 1422, welche einen geteilten Abschnitt aufweist, ist auf der äußeren Region, welche an die innere Seite der Hilfsemitterschicht 1407 angrenzt, ausgebildet. Ferner ist eine ringförmige Hilfsemitterelektrode 1413, welche einen geteilten Abschnitt aufweist, auf der Hilfsemitterschicht 1407 integral mit der Kollektorelektrode 1422 ausgebildet. Zusätzlich ist eine ringförmige Hilfsgateelektrode 1412a, welche einen geteilten Abschnitt aufweist, auf einer anderen inneren Region, welche an die äußere Seite der Hilfsemitterelektrode 1407 angrenzt, ausgebildet. Ferner ist eine ringförmige Gateelektrode (Kollektorelektrode) 1413a auf einer anderen äußeren Region, welche an die innere Seite der Hauptemitterschicht 1401 angrenzt, ausgebildet.
Zwischen der Hilfsemitterelektrode 1411 und der Hilfsgateelektrode 1411a ist ein Isolierfilm 1416 beispielsweise aus einem Oxid auf dem Halbleitersubstrat über die geteilten Abschnitte der Kollektorelektrode 1421 und der Hilfsemitterelektrode 1412 hinweg selektiv ausgebildet. Ein Leiter-Brückenabschnitt 1411b ist auf dem Isolierfilm 1416 integral mit der Hilfsemitterelektrode 1411 und der Hilfsgateelektrode 1411a ausgebildet, um diese Elektroden elektrisch miteinander zu verbinden.
Zwischen den Kollektorelektroden 1421 und 1422 ist ein Isolierfilm 1419 beispielsweise aus einem Oxid auf dem Halbleitersubstrat über die geteilten Abschnitte der Hilfsemitterelektrode 1412 und der Hilfsgateelektrode 1411a hinweg selektiv ausgebildet. Ein Leiter-Brückenabschnitt 1413d ist auf dem Isolierfilm 1419 integral mit den Kollektorelektroden 1421 und 1422 ausgebildet, um diese Elektroden miteinander zu verbinden.
Zwischen der Hilfsemitterelektrode 1412 und der Hilfsgateelektrode 1412a ist ein Isolierfilm 1417 beispielsweise aus einem Oxid auf dem Halbleitersubstrat über die geteilten Abschnitte der Hilfsgateelektrode 1411a und der integral ausgebildeten Kollektorelektrode 1422 und Hilfsemitterelektrode 1413 hinweg selektiv ausgebildet. Ein Leiter-Brückenabschnitt 1412b ist auf dem Isolierfilm 1417 integral mit der Hilfsemitterelektrode 1412 und der Hilfsgateelektrode 1412a ausgebildet, um diese Elektroden elektrisch miteinander zu verbinden.
Zwischen der Hilfsemitterelektrode 1413 und der Gateelektrode 1413a ist ferner ein Isolierfilm 1418 beispielsweise aus einem Oxid auf dem Halbleitersubstrat über den geteilten Abschnitt der Hilfsgateelektrode 1412a hinweg selektiv ausgebildet. Ein Leiter-Brückenabschnitt 1413c ist auf dem Isolierfilm 1418 integral mit der Hilfsemitterelektrode 1413 und der Gateelektrode 1413a ausgebildet, um diese Elektroden elektrisch miteinander zu verbinden. Die Isolierfilme 1416, 1417, 1418 und 1419 gewährleisten eine elektrische Isolierung zwischen den Brückenabschnitten 1411b, 1412b, 1413c und 1413d, welche hierauf ausgebildet sind, und dem Halbleitersubstrat.
Bei diesem optischen Thyristor sind, wie zuvor beschrieben, die Elektroden nicht durch Verdrahtungsmate rialien, sondern durch die Brückenabschnitte, welche integral mit den miteinander zu verbindenden Elektroden ausgebildet sind, miteinander verbunden, wodurch der Thyristor eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit ohne die Möglichkeit einer Trennung oder eines Kurzschlusses aufweist.
<14-2. Schritte zum Herstellen der Vorrichtung>
Ein Verfahren zum Herstellen dieses optischen Thyristors wird nun beschrieben. 69 bis 73 zeigen beispielhafte Schritte des Herstellungsverfahrens. Um diesen optischen Thyristor herzustellen, werden zuerst die in 48A und 48B gezeigten Schritte der ersten Ausführungsform ausgeführt. Somit wird ein Halbleitersubstrat mit einem derartigen Aufbau, daß die N-Basisschicht 1403 vom N-Typ auf der P-Emitterschicht 1404 geschichtet ist, erhalten.
Dann wird die obere Hauptoberfläche der N-Basisschicht 1403 gedanklich in sieben Regionen einschließlich einer kreisförmigen Region U₁, welche in der Mitte angeordnet ist, und konzentrisch-ringförmigen Regionen U₂ bis U₇ in dieser Reihenfolge von der Mitte zum Rand eingeteilt, wie in 69 gezeigt. Ferner wird die Region U₄ gedanklich in drei konzentrisch-ringförmige Regionen U₄₁, U₄₂ und U₄₃ in dieser Reihenfolge von der Innenseite zu der Außenseite eingeteilt. In ähnlicher Weise wird die Region U₆ gedanklich in drei konzentrisch-ringförmige Regionen U₆₁, U₆₂ und U₆₃ in dieser Reihenfolge von der inneren Seite zu der äußeren Seite eingeteilt.
Dann wird ein Fremdmaterial vom P-Typ wie etwa Bor selektiv in die obere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats mit Ausnahme der Regionen U₄₂ und U₆₂ eingebracht, wodurch die P-Basisschicht 1402 vom P-Typ auf einem Ab schnitt der oberen Hauptoberflächen der N-Basisschicht 1403 selektiv ausgebildet wird, wie in 70 gezeigt. Zu dieser Zeit werden die vorgenannten Isolationsregionen 1414 und 1415 gleichzeitig ausgebildet.
Dann wird ein Fremdmaterial vom N-Typ wie etwa Phosphor in die ungeradzahligen Regionen U₁, U₃, U₅ und U₇ selektiv eingebracht, wodurch die Hilfsemitterschichten 1405, 1406 und 1407 sowie die Hauptemitterschicht 1401 auf dem oberen Hauptoberflächenabschnitt der P-Basisschicht 1402 selektiv ausgebildet werden. Zu dieser Zeit wird das Fremdmaterial selektiv in die Region U₇ eingebracht, wobei eine Mehrzahl von versprengten kleinen Regionen ausgeschlossen werden. Damit werden unmittelbar unter den kleinen Regionen die vorgenannten Kurzschlußabschnitte (in 71 durch gestrichelte Linien gezeigt) ausgebildet.
Dann wird auf der Mitte der oberen Oberfläche der Hilfsemitterschicht 1405 der Licht empfangende Abschnitt 1409 ausgebildet, wie in 72 und 73 gezeigt. 72 und 73 sind Schnittansichten, welche unterschiedliche Abschnitte des Halbleitersubstrats zeigen. Dann wird der Isolationsfilm 1416 wie etwa beispielsweise ein Oxidfilm auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats entlang eines Wegs, welcher die Regionen U₁ und U₄₁ miteinander verbindet, selektiv ausgebildet, wie in 72 gezeigt. Zur gleichen Zeit wird der Isolationsfilm 1417 wie etwa beispielsweise ein Oxidfilm auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats entlang eines Wegs, welcher die Regionen U₃ und U₆₁ miteinander verbindet, selektiv ausgebildet.
Zur selben Zeit wird ferner der Isolationsfilm 1419 wie etwa beispielsweise ein Oxidfilm auf der oben Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats entlang eines Wegs, welcher die Regionen U₂ und U₄₃ miteinander verbindet, selektiv ausgebildet, wie in 73 gezeigt. Zur gleichen Zeit wird zusätzlich der Isolationsfilm 1418 wie etwa beispielsweise ein Oxidfilm auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats entlang einem Weg, welcher die Regionen U₅ und U₆₃ miteinander verbindet, selektiv ausgebildet.
Dann wird ein Schritt ausgeführt, welcher dem in 52 gezeigten der ersten Ausführungsform ähnlich ist. D.h., ein als die Anodenelektrode 1409 als solcher dienender Metallfilm wird auf der gesamten unteren Hauptoberfläche der P-Emitterschicht 1404 ausgebildet. Zur gleichen oder in etwa gleichen Zeit wird ein Metallfilm so ausgebildet, daß er die obere Hauptoberfläche und die gesamten Isolationsfilme 1416 bis 1419 bedeckt.
Mit Bezug wiederum auf 66 und 67 wird der die obere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats bedeckende Metallfilm beispielsweise durch Ätzen selektiv entfernt, wodurch die vorgenannten jeweiligen Elektroden und Brückenabschnitte ausgebildet werden. Formen und Anordnung der Elektroden und Brückenabschnitte sind bereits beschrieben worden, und daher wird eine Beschreibung hiervon weggelassen.
Gemäß diesem Herstellungsverfahren werden, wie zuvor beschrieben, die jeweiligen miteinander zu verbindenden Elektroden ohne Einsatz von Verdrahtungsmaterialien integral miteinander ausgebildet, wodurch die Herstellungsschritte in vorteilhafter Weise vereinfacht sind.
<14-3. Gewöhnlicher Betrieb der Vorrichtung>
Der gewöhnliche Betrieb dieses optischen Thyristors wird nun mit Bezug auf 67 beschrieben. Um diesen op tischen Thyristor zu verwenden, wird eine externe Energiequelle an die Anodenelektrode 1409 und die Kathodenelektrode 1408 dieser Vorrichtung angeschlossen, wodurch über diese Elektroden eine positive Spannung angelegt wird. Wenn der Licht empfangende Abschnitt 1410 unter Anlegen einer solchen positiven Spannung mit einem optischen Triggersignal bestrahlt wird, wird in auf beiden Seiten eines zwischen der N-Basisschicht 1403 des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 1402 ausgebildeten P/N-Übergangs vorgesehenen Verarmungsschichtregionen ein Fotostrom erzeugt, um in die P-Basisschicht 1402 zu fließen. Dieser Fotostrom fließt in Querrichtung durch die P-Basisschicht 1402 und fließt hiernach in die Kollektorelektrode 1421. Der Fotostrom fließt durch den gleichen Weg wie ein Verschiebungsstrom I₁₁₄, welcher später beschrieben wird. Der in die Kollektorelektrode 1421 fließende Fotostrom erreicht die Gateelektrode 1413b durch die Brückenabschnitte 1413d und 1413c. Der Fotostrom fließt weiter von der Gateelektrode 1413b aus zu der äußeren Region, welche an die äußere Seite der Isolationsregion 1415 angrenzt, fließt in Querrichtung durch die P-Basisschicht 1402 und fließt hiernach durch die Kurzschlußabschnitte in die Kathodenelektrode 1408 entlang einem Weg eines Verschiebungsstroms I_m14, welcher später beschrieben wird.
Infolgedessen entwickelt der Fotostrom in einem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 1405 des Hilfsthyristors ST₁ gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 1402 eine Potentialdifferenz in Querrichtung, wodurch ein zwischen der Hilfsemitterschicht 1405 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 1402 ausgebildeter P/N-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Wenn das optische Signal so stark ist, daß sich die Vorwärts-Vorspannung dem Wert für ein Diffusionspotential, welches dem P/N-Übergang eigentümlich ist, annähert, wird eine Elektroneninjektion von der Hilfsemitterschicht 1405 in die P-Basisschicht 1402 abrupt erhöht, um den Hilfsthyristor ST₁ durchzuschalten. Dieser Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₁ fließt von der Hilfsemitterelektrode 1411 durch den Brückenabschnitt 1411b zu der Hilfsgateelektrode 1411a, wodurch er der inneren Region, welche an die innere Seite der Isolationsregion 1414 angrenzt, zugeführt wird. Der der inneren Region zugeführte Durchschaltstrom fungiert als ein Gatestrom für den Hilfsthyristor ST₂.
Aufgrund einer Sperrwirkung durch die Isolationsregion 1414 fließt dieser Gatestrom nicht in die Kollektorelektrode 1422, sondern in Querrichtung durch einen unmittelbar unter der ringförmigen Hilfsemitterschicht 1406 gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 1402 entlang dem gleichen Weg wie ein Verschiebungsstrom I₂₁₄, welcher später beschrieben wird, in die Kollektorelektrode 1421. Der in die Kollektorelektrode 1421 fließende Gatestrom fließt durch einen Weg, welcher dem des Fotostroms ähnlich ist, in die Kathodenelektrode 1408. Dieser Gatestrom ist bei weitem größer als der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Fotostrom, wodurch entlang dem Weg des Gatestroms eine hohe Spannung erzeugt wird. Infolgedessen wird an einen P/N-Übergang zwischen der Hilfsemitterschicht 1406 und der P-Basisschicht 1402 eine ausreichend hohe Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt, wodurch der Hilfsthyristor ST₂ durchgeschaltet wird. Dieser Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₂ fließt von der Hilfsemitterelektrode 1412 durch den Brückenabschnitt 1412b zu der Gateelektrode 1412a, wodurch er der inneren Region, welche an die innere Seite der Isolationsregion 1415 angrenzt, zugeführt wird. Der der inneren Region zugeführte Durchschaltstrom fungiert als ein Gatestrom für den Hilfsthyristor ST₃.
Aufgrund einer Sperrwirkung durch die Isolationsregion 1415 fließt dieser Gatestrom nicht zu der Gateelektrode 1413b, sondern in Querrichtung durch einen unmittelbar unter der ringförmigen Hilfsemitterschicht 1407 gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 1402 entlang dem gleichen Weg wie ein Verschiebungsstrom I₄₁₄, welcher später beschrieben wird, in die Kollektorelektrode 1422. Der in die Kollektorelektrode 1422 fließende Gatestrom fließt durch einen Weg, welcher dem des Fotostroms ähnlich ist, zu der Kathodenelektrode 1408. Dieser Gatestrom ist bei weitem größer als der in dem Hilfsthyristor ST₂ erzeugte Fotostrom, wodurch entlang dem Weg hiervon eine hohe Spannung erzeugt wird. Infolgedessen wird an einen P/N-Übergang zwischen der Hilfsemitterschicht 1407 und der P-Basisschicht 1402 eine hinreichend hohe Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt, wodurch der Hilfsthyristor ST₃ durchgeschaltet wird. Dieser Durchschaltstrom für den Hilfsthyristor ST₃ fließt von der Hilfsemitterelektrode 1413 durch den Brückenabschnitt 1413c zu der Gateelektrode 1415b, wodurch er der äußeren Region, welche an die äußere Seite der Isolationsregion 1415 angrenzt, zugeführt wird. Der der äußeren Region zugeführte Durchschaltstrom fungiert als ein Gatestrom für den Hauptthyristor MT.
In ähnlicher Weise wie der Fotostrom fließt der Gatestrom, welcher der äußeren Region zugeführt wird, in Querrichtung durch die P-Basisschicht 1402 und fließt hiernach in die Kathodenelektrode 1408, indem er durch die Kurzschlußabschnitte hindurchtritt. Nachdem dieser Gatestrom durch Verstärken des in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugten Fotostroms nach und nach über drei Stufen erhalten wird, wird entlang dem Weg des Gatestroms eine hohe Spannung erzeugt. Infolgedessen wird eine Vorwärts-Vorspannung eines hinreichenden Werts an den P/N-Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 1401 und der P-Basis schicht 1402 angelegt, wodurch der Hauptthyristor MT durchgeschaltet wird. Somit fließt ein Hauptstrom von der Anodenelektrode 1409 zu der Kathodenelektrode 1408. D.h., der Thyristor leitet.
Auch in diesem Thyristor kann der Querwiderstand des Abschnitts der P-Basisschicht 1402, welcher sich unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 1405 des Hilfsthyristors ST₁, der zuerst durchgeschaltet wird, befindet, erhöht werden, um die Lichtempfindlichkeit zu verbessern. Damit wird die entlang dem Weg des Fotostroms erzeugte Spannung erhöht, wodurch der Hilfsthyristor ST₁ leicht durchgeschaltet wird. D.h., die Lichtempfindlichkeit des Thyristors wird verbessert. Andererseits ist es vorzuziehen, den Querwiderstand des unmittelbar unter der Hilfsemitterregion 1406 des zweiten Hilfsthyristors ST₂ gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 1402 auf einen kleinen Wert festzulegen. Ferner ist es vorzuziehen, den Querwiderstand des unmittelbar unter der Hilfsemitterregion 1407 des dritten Hilfsthyristors ST₃ gelegenen Abschnitts der P-Basisschicht 1402 auf einen kleineren Wert festzulegen.
<14-4. Charakteristischer Betrieb der Vorrichtung>
Nun wird eine Beschreibung bezüglich eines Betriebs dieses optischen Thyristors vorgenommen, an welchen ein Spannungsrauschen mit einem hohen dv/dt-Wert angelegt ist. Zu dieser Zeit werden durch Kapazitäten C₁₁₄, C₂₁₄, C₃₁₄ und C_m14 von Übergängen zwischen der Hilfsemitterschicht 1405 des Hilfsthyristors ST₁ und der P-Basisschicht 1402, zwischen der Hilfsemitterschicht 1406 des Hilfsthyristors ST₂ und der P-Basisschicht 1402, zwischen der Hilfsemitterschicht 1407 des Hilfsthyristors ST₃ und der P-Basisschicht 1402 sowie zwischen der Hauptemitterschicht 1401 des Hauptthyristors MT und der P-Basis schicht 1402 jeweils Verschiebungsströme I₁₁₄, I₂₁₄, I₃₁₄ und I_m14 erzeugt.
Der in dem Hilfsthyristor ST₁ erzeugte Verschiebungsstrom I₁₁₄ fließt in der P-Basisschicht 1402 durch den gleichen Weg wie der Fotostrom in die Kollektorelektrode 1421 und fließt hiernach durch die Brückenabschnitte 1413d und 1413c zu der Gateelektrode 1413b. Aufgrund eines in diesem Weg vorgesehenen Widerstands R₁₁₄ entwickelt der Verschiebungsstrom I₁₁₄ hauptsächlich in einem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 1405 gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 1402 eine Potentialdifferenz in Querrichtung.
In ähnlicher Weise fließt der in dem Hilfsthyristor ST₂ erzeugte Verschiebungsstrom I₂₁₄ in der P-Basisschicht 1402 durch den gleichen Weg wie der Fotostrom in die Kollektorelektrode 1421 und fließt hiernach durch die Brückenabschnitte 1413d und 1413c zu der Gateelektrode 1413b. Aufgrund eines Widerstands R₂₁₄ in der P-Basisschicht 1402 des Hilfsthyristors ST₂ entwickelt der Verschiebungsstrom I₂₁₄ in einem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 1406 gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 1402 eine Potentialdifferenz in Querrichtung.
In ähnlicher Weise fließt der in dem Hilfsthyristor ST₃ erzeugte Verschiebungsstrom I₂₁₄ in der P-Basisschicht 1402 durch den gleichen Weg wie der Gatestrom für den Hilfsthyristor ST₃ in die Kollektorelektrode 1422 und fließt hiernach durch den Brückenabschnitt 1413c zu der Gateelektrode 1413b. Aufgrund eines Widerstands R₃₁₄ in der P-Basisschicht 1402 des Hilfsthyristors ST₃ entwikkelt der Verschiebungsstrom I₃₁₄ in einem unmittelbar unter der Hilfsemitterschicht 1407 gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 1402 eine Potentialdifferenz in Querrichtung.
Ferner vereinigt sich der in dem Hauptthyristor MT erzeugte Verschiebungsstrom I_m14 mit den von der Gateelektrode 1413b her zugeführten Verschiebungsströmen I₁₁₄ I₂₁₄ und I₃₁₄ und fließt durch den gleichen Weg wie der Gatestrom für den Hauptthyristor MT in die Kathodenelektrode 1408. Aufgrund eines in dem Weg vorgesehenen Widerstands R_m14 entwickeln die Verschiebungsströme I₁₁₄ I₂₁₄ I₃₁₄ und I_m14 hauptsächlich in einem unmittelbar unter der Hauptemitterschicht 1401 des Hauptthyristors MT gelegenen Abschnitt der P-Basisschicht 1402 eine Potentialdifferenz in Querrichtung. Wie aus 67 verstanden wird, sind die Wege der in den drei Hilfsthyristoren ST₁ bis ST₃ erzeugten Verschiebungsströme I₁₁₄, I₂₁₄ und I₃₁₄ voneinander getrennt.
74 ist ein Ersatzschaltbild, welches auf ein Verhalten der Verschiebungsströme I₁₁₄, I₂₁₄, I₃₁₄ und I_m14 bezogen ist. Dioden D₁₁₄, D₂₁₄ und D₃₁₄ drücken jeweils in äquivalenter Weise die Übergänge zwischen den Hilfsemitterschichten 1405, 1406 und 1407 der Hilfsthyristoren ST₁, ST₂ und ST₃ und der P-Basisschicht 1402 aus, während eine Diode D_m14 den Übergang zwischen der Hauptemitterschicht 1401 des Hauptthyristors MT und der P-Basisschicht 1402 ausdrückt. Ein Ende nur des Widerstands R_m14 ist mit der Kathodenelektrode 1407 (K) kurzgeschlossen.
Ein Widerstand R₃₁₄ der Isolationsregion 1414 ist im Vergleich mit dem Widerstand R₂₁₄ auf einen hinreichend hohen Wert festgelegt, und daher wird nur ein kleiner Komponentenbetrag I₃₁₄ des Verschiebungsstroms I₂₁₄ in den Widerstand R₃₁₄ geteilt. D.h., der Verschiebungsstrom I₂₁₄ fließt im Vergleich mit dem Widerstand R₃₁₄ aufgrund der Isolationsregion 1414 vorzugsweise durch den Widerstand R₂₁₄. In ähnlicher Weise ist ein Widerstand R₅₁₄ der Isolationsregion 1415 im Vergleich mit dem Widerstand R₄₁₄ auf einen hinreichend hohen Wert festgelegt, und daher wird nur eine kleine Komponentenmenge I₅₁₄ des Verschiebungsstroms I₅₁₄ in den Widerstand R₅₁₄ geteilt. D.h., der Verschiebungsstrom I₄₁₄ fließt im Vergleich mit dem Widerstand R₅₁₄ aufgrund der Isolationsregion 1415 vorzugsweise durch den Widerstand R₄₁₄.
Wie aus 74 verstanden wird, ist über eine Anode und eine Kathode der Diode D₁₁₄ eine Vorspannung in Durchlaßrichtung, welche durch I₁₁₄ × R₁₁₄ – I₂₁₄ × R₂₁₄ gegeben ist, angelegt. D.h., eine ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₁₁₄ hervorgebrachte Vorwärts-Vorspannung für den Hilfsthyristor ST₁ wird durch den Verschiebungsstrom I₂₁₄ der nächsten Stufe abgeschwächt. Daher wird eine durch den Verschiebungsstrom I₁₁₄ ausgelöste anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₁ unterdrückt. Ferner wird über eine Anode und eine Kathode der Diode D₂₁₄ eine Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt, welche durch I₂₁₄ × R₂₁₄ – I₄₁₄ × R₄₁₄ gegeben ist. D.h., eine ursprünglich durch den Verschiebungsstrom I₂₁₄ hervorgebrachte Vorwärts-Vorspannung des Hilfsthyristor ST₂ wird durch den Verschiebungsstrom I₄₁₄ der nächsten Stufe abgeschwächt. Daher wird eine durch den Verschiebungsstrom I₂₁₄ ausgelöste anormale Zündung des Hilfsthyristors ST₂ unterdrückt. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Wege der Verschiebungsströme I₁₁₄, I₂₁₄ und I₃₁₄ voneinander getrennt sind.
Andererseits wird eine Vorwärts-Vorspannung entsprechend einer Spannung (I₄₁₄ × R₄₁₄), welche durch den Verschiebungsstrom I₄₁₄ hervorgebracht wird, über eine Anode und eine Kathode der Diode D₃₁₄ angelegt. Daher erscheint in diesem Thyristor keine Wirkung eines Unterdrückens einer anormalen Zündung bezüglich des Drittstufen(Endstufen)-Hilfsthyristors ST₃.
Bei diesem optischen Thyristor ist es jedoch möglich, eine anormale Zündung bezüglich des Erststufen-Hilfsthyristors ST₁, dessen anormale Zündung durch den Verschiebungsstrom am leichtesten ausgelöst wird, zu unterdrücken, während eine anormale Zündung bezüglich des Zweitstufen-Hilfsthyristors ST₂ ebenfalls unterdrückt werden kann. Daher kann der dv/dt-Widerstand des Gesamtthyristors in diesem optischen Thyristor in vorteilhafter Weise verbessert werden. Ferner ist es durch Einstellen der Widerstände R₁₁₄, R₂₁₄ und R₄₁₄ oder der vorgenannten Querwiderstände, welche Hauptteile hiervon ausbilden, möglich, die an die Übergänge der Hilfsthyristoren ST₁ und ST₂ angelegten Vorspannungen in Durchlaßrichtung auszulöschen.
Ferner ist es möglich, Lichtempfindlichkeit und dv/dt-Widerstand durch Einstellen der Widerstände R₁₁₄, R₂₁₄ und R₄₁₄ unabhängig voneinander zu entscheiden, wodurch die Lichtempfindlichkeit und der dv/dt-Widerstand unabhängig voneinander entschieden werden können. Somit ist es möglich, die Lichtempfindlichkeit und den dv/dt-Widerstand in verträglicher Weise zu verbessern.
Bei dem optischen Thyristor gemäß dieser Ausführungsform sind ferner die Hilfsemitterschichten 1405 und 1406 konzentrisch oder konzentrisch-ringförmig ausgebildet, wodurch ähnlich dem optischen Thyristor gemäß der ersten Ausführungsform es möglich ist, eine Stromkonzentration zu verhindern, ein Ausbrennen der Brückenabschnitte 1411b, 1413d, 1413c und 1412b zu reduzieren und die Lichtempfindlichkeit zu verbessern.
Während beide Isolationsregionen 1414 und 1415 in ihrem Aufbau der Isolationsregion 1112 in der ersten Ausführungsform identisch sind, können dieselben er satzweise in ihrem Aufbau der Isolationsregion 1212 oder 1312 gemäß der zweiten und dritten Ausführungsform identisch sein. Ferner kann einer nächsten Stufe des dritten Hilfsthyristors ST₃ ein oder eine Mehrzahl von Hilfsthyristoren hinzugefügt sein. Auch in diesem Fall ist es möglich, eine anormale Zündung durch Verschiebungsströme bezüglich aller Hilfsthyristoren mit Ausnahme dessen der letzten Stufe zu unterdrücken, wodurch eine Wirkung eines Verbesserns des dv/dt-Widerstands des Gesamtthyristors erzielt werden kann.
<Fünfte mögliche Ausführungsform>
Während die vorgenannten Ausführungsformen und Beispiele mit Bezug auf einen optischen Thyristor beschrieben worden sind, ist die vorliegende Erfindung gleichermaßen auf einen elektrischen Triggerthyristor anwendbar, was eine Selbstverständlichkeit ist. Wenn in dem elektrischen Triggerthyristor eine P-Basisregion auf einer mit einer N-Emitterregion umgebenen oberen Hauptoberfläche in einem Erststufen-Hilfsthyristor freiliegt und eine Erststufen-Gateelektrode mit einer oberen Oberfläche der P-Basisregion verbunden ist, wird der erste Hilfsthyristor wirksam durchgeschaltet. Allerdings ist ein optisches Triggersignal, welches derzeit verfügbar ist, im Vergleich mit einem elektrischen Triggersignal energieschwach, und daher erzielt die vorliegende Erfindung in einem optischen Thyristor eine besonders große Wirkung.

Claims

Thyristor einer mehrstufigen Struktur mit Einheitsthyristoren wenigstens dreier Stufen, beinhaltend einen Erststufenthyristor, welcher durch ein extern eingegebenes Triggersignal gezündet wird, und einen Endstufenthyristor, in welchen ein Hauptstrom eingespeist wird, wobei die Einheitsthyristoren parallel zueinander entlang einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind, wobei: jeder der Einheitsthyristoren vier Halbleiterschichten, beinhaltend eine erste Emitterschicht (1104; 1204; 1304; 1404), eine erste Basisschicht (1103; 1203; 1303; 1403), eine zweite Basisschicht (1102; 1202; 1302; 1402) und eine zweite Emitterschicht (1101, 1105, 1106; 1201, 1205, 1206; 1301, 1305, 1306; 1401, 1405, 1406, 1407), welche aufeinanderfolgend auf dem Halbleitersubstrat mit sich wechselweise voneinander unterscheidenden Leitfähigkeitstypen (p, n) gestapelt sind, aufweist, die ersten Emitterschichten auf einer unteren Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, die zweiten Basisschichten auf einer oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegen, und die zweiten Emitterschichten selektiv auf Abschnitten der oberen Hauptoberfläche der zweiten Basisschichten vorgesehen sind und auf der oberen Hauptoberfläche freiliegen, die jeweiligen Schichten mit Ausnahme der zweiten Emitterschichten zwischen jeweiligen Einheitsthyristoren zusammenhängend sind, die zweiten Emitterschichten der Einheitsthyristoren der zweiten und nachfolgenden Stufen ringförmig so ausgebildet sind, daß sie die zweiten Emitterschichten der vorangehenden Einheitsthyristoren durch Abschnitte der zweiten Basisschichten, die ringförmig auf der oberen Hauptoberfläche freiliegen, umgeben, eine ringförmige Isolationsregion (1112; 1212; 1312; 1414, 1415; U₄₂; U₄₂; U₆₂) zum ringförmigen Teilen des Abschnitts der zweiten Basisschicht, der an die äußere Seite der zweiten Emitterschicht der Einheitsthyristoren sowohl der zweiten als auch der nachfolgenden Stufen angrenzt, in Innen- und Außenregionen und Hemmen einer Trägerbewegung zwischen den Regionen vorgesehen ist; eine Emitterelektrode (1110; 1210; 1310; 1411; E1) des Einheitsthyristors der ersten Stufe auf einer oberen Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors ringförmig so ausgebildet ist, daß sie einen Eingabeabschnitt für das Triggersignal umgibt, eine Emitterelektrode (1111; 1211; 1311; 1412, 1413; E₂; E₂, E₃) des Einheitsthyristors jeder Stufe mit Ausnahme der ersten und letzten auf einer ringförmigen oberen Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors ringförmig ausgebildet ist, eine Gateelektrode (1110a; 1210a; 1310a; 1411a, 1412a; G₂; G₂, G₃) des Einheitsthyristors jeder Stufe mit Ausnahme der ersten und letzten auf einer oberen Hauptoberfläche der Innenregion, die an die äußere Seite der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors angrenzt, ringförmig so ausgebildet ist, daß sie eine obere Hauptoberfläche der zweiten Emitterschicht umgibt, eine Kollektorelektrode (1121; 1221; 1321; 1421; 5d) des Einheitsthyristors der zweiten Stufe auf einer oberen Oberfläche der zweiten Basisschicht, die an die innere Seite der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors angrenzt, ringförmig so ausgebildet ist, daß sie die zweite Emitterschicht des Einheitsthyristors der ersten Stufe umgibt, eine Kollektorelektrode (1111a; 1211a; 1311a; 1422, 1413b; G; Sd, G) des Einheitsthyristors jeder Stufe mit Ausnahme der ersten und zweiten auf einer oberen Hauptoberfläche der Außenregion, die an die innere Seite der zweiten Emitterschicht des Einheitsthyristors angrenzt, ringförmig so ausgebildet ist, daß sie die Isolationsregion umgibt, jede der ringförmigen Emitterelektrode, der Gateelektrode und der Kollektorelektrode jedes Einheitsthyristors mit Ausnahme derjenigen der ersten und letzten Stufe eine Teilungsregion aufweist, an welcher eine ringförmige Gestalt der ringförmigen Emitterelektrode, der Gateelektrode und der Kollektorelektrode geteilt ist, die Emitterelektrode (1110, 1111; 1210, 1211; 1310, 1311; 1411, 1412, 1413; E₁, E₂; E₁, E₂, E₃) jedes Einheitsthyristors mit Ausnahme desjenigen der letzten Stufe und die Gateelektrode (1110a, 1111a; 1210a, 1211a; 1310a, 1311a; 1411a, 1412a, 1413b; G₂, G; G₂, G₃, G) des Einheitsthyristors der nächsten Stufe durch einen Brückenabschnitt (1110a, 1111b; 1210a, 1211b; 1310a, 1311b; 1411b, 1412b, 1413c) eines auf einem Isolationsfilm (1113, 1114; 1213, 1214; 1313, 1314; 1416, 1417, 1418), der auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats so ausgebildet ist, daß er die Teilungsabschnitte anderer der zwischen den Elektroden angeordneten Elektroden kreuzt, ausgebildeten Leiters miteinander verbunden sind, wobei der Brückenabschnitt mit den Elektroden einstückig so ausgebildet ist, daß sie miteinander verbunden sind, und die Kollektorelektrode (1121; 1221; 1321; 1421, 1422; Sd) jedes Einheitsthyristors mit Ausnahme desjenigen der ersten Stufe und die Gateelektrode (1111a; 1211a; 1311a; 1413b; G) des Einheitsthyristors der letzten Stufe durch einen Brückenabschnitt (1111b; 1211b; 1311b; 1413d, 1413c) eines auf dem Isolationsfilm (1114; 1214; 1314; 1419, 1418), der auf der oberen Oberfläche des Halbleitersubstrats so ausgebildet ist, daß er die Teilungsabschnitte anderer der zwischen den Elektroden angeordneten Elektroden kreuzt, ausgebildeten Leiters miteinander verbunden sind, wobei der Brückenabschnitt mit den Elektroden einstückig so ausgebildet ist, daß sie miteinander verbunden sind.
Thyristor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsregion (1112; 1414, 1415) dadurch definiert ist, daß die erste Basisschicht (1103; 1403) auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats freiliegt.
Thyristor gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Isolationsregion nicht mehr als 60 μm beträgt.
Thyristor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsregion (1212) durch eine Region der zweiten Basisschicht (1202) definiert ist, die eine kleinere Tiefe von der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats aus als andere Abschnitte der zweiten Basisschicht aufweist.
Thyristor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolationsregion (1312) durch eine Rille definiert ist, die in dem Halbleitersubstrat von der oberen Hauptoberfläche aus in Richtung eines tiefen Abschnitts ausgebildet ist.
Thyristor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Emitterelektroden, der Gateelektroden und der Kollektorelektroden, die mit dem Brückenabschnitt verbunden sind, wenigstens das Fünffache derjenigen des unmittelbar unter dem Brückenabschnitt angeordneten Isolationsfilms beträgt.
Thyristor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstufe aus wenigstens vier Stufen besteht, wobei die Emitterelektrode (1413, E₃) des demjenigen der Endstufe vorangehenden Einheitsthyristors und die Kollektorelektrode (1422, Sd) ohne einen Brückenabschnitt einstückig ausgebildet sind.
Thyristor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Triggersignal ein optisches Signal ist.
Verfahren zum Herstellen eines Thyristors mit Einheitsthyristoren wenigstens dreier Stufen, beinhal tend einen Erststufenthyristor, welcher durch ein extern eingegebenes Triggersignal gezündet wird, und einen Endstufenthyristor, in welchen ein Hauptstrom eingespeist wird, und einer Kollektorelektrode, wobei das Verfahren aufweist: (a) einen Schritt eines Vorbereitens eines Halbleitersubstrats (1150; 1350) eines ersten Leitfähigkeitstyps, welches eine obere und eine untere Hauptoberfläche aufweist; (b) einen Schritt eines Einbringens eines Fremdmaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps in die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch das Halbleitersubstrat in eine Struktur umgewandelt wird, welche aufweist: eine erste Basisschicht (1103; 1203; 1403) des ersten Leitfähigkeitstyps, welche auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt, und eine erste Emitterschicht (1104; 1204; 1404) des zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf der unteren Hauptoberfläche freiliegt; (c) einen Schritt eines Definierens einer ersten Region (U₁) bis zu einer fünften oder höher ungeradzahligen Region (U₅; U₇) auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats so, daß alle Regionen mit Ausnahme der ersten ringförmig sind und jede Region an die äußere Seite der dieser vorangehenden Region angrenzt, während sie die dieser vorangehende Region umgibt; (d) einen Schritt eines Definierens einer ringförmigen Innen- (U₄₁; U₄₁, U₆₁), Zwischen- (U₄₂; U₄₂, U₆₂) und Außenregion (U₄₃; U₄₃; U₆₃), welche alle geradzahligen Regionen mit Ausnahme der zweiten Region (U₂) von dem inneren Umfang zu dem äußeren Umfang in drei teilt; (e) einen Schritt eines selektiven Einbringens eines Fremdmaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps in eine obere Hauptoberfläche der ersten Basisschicht, wodurch eine zweite Basisschicht (1102; 1202; 1402) des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf der oberen Hauptoberfläche mit Ausnahme der Zwischenregion (U₄₂; U₄₂, U₆₂) in der ersten Basisschicht freiliegt; (f) einen Schritt eines selektiven Einbringens eines Fremdmaterials des ersten Leitfähigkeitstyps in eine obere Hauptoberfläche der zweiten Basisschicht, wodurch eine zweite Emitterschicht (1101, 1105, 1106; 1201, 1205, 1206; 1401, 1405, 1406, 1407) des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf jeder ungeradzahligen Region in der zweiten Basisschicht freiliegt, (g) einen Schritt eines Definierens eines Weges, welcher jeweils die Innenregion jeder geradzahligen Region mit Ausnahme der zweiten Region und jeder ungeradzahligen Region, welche um 3 jünger als die geradzahlige Region ist, verbindet, auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und Ausbildens einer Isolationsschicht (1114; 1418, 1419) auf jedem dem der Wege; (h) einen Schritt eines Definierens eines Weges, welcher die Innenregion jeder geradzahligen Region mit Ausnahme der zweiten Region und jede zweite Region miteinander verbindet, auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und Ausbildens einer Isolationsschicht (1113; 1416; 1417) auf dem Weg; (i) einen Schritt eines Ausbildens einer ersten Leiterschicht (1108) auf einer unteren Hauptoberfläche der ersten Emitterschicht; (j) einen Schritt eines Ausbildens einer zweiten Leiterschicht (1151) auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und auf der Isolationsschicht; und (k) einen Schritt eines selektiven Entfernens der zweiten Leiterschicht, wodurch eine ringförmige Elektrode, welche durch die Isolationsschicht in einen Abschnitt geteilt ist, jeweils auf der zweiten Region, jeder ungeradzahligen Region mit Ausnahme der ersten und letzten Region, wenigstens der Innen- und Außenregionen der vierten Region und der Innenregion der der letzten Region vorangehenden Region ausgebildet wird, während eine ringförmige Elektrode jeweils auf der ersten Region, der letzten Region und der Außenregion der der letzten Region vorangehenden Region ausgebildet wird, und ferner ein Brückenabschnitt eines Leiters zum einstückigen Verbinden der auf dem durch den Weg miteinander verbundenen Regionen ausgebildeten Elektroden auf der Isolationsschicht ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Thyristors gemäß Anspruch 9, weiter gekennzeichnet durch: (l) einen Schritt vor dem Schritt (g) eines Einbringens eines Fremdmaterials des zweiten Leitfähigkeitstyps in die Zwischenregion, wodurch eine Halbleiterschicht (1212) des zweiten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf der Zwischenregion freiliegt, wobei die Halbleiterschicht des zweiten Leitfähigkeitstyps seichter als die zweite Emitterschicht ist.
Verfahren zum Herstellen eines Thyristors mit Einheitsthyristoren wenigstens dreier Stufen, beinhaltend einen Erststufenthyristor, welcher durch ein extern eingegebenes Triggersignal gezündet wird, und einen Endstufenthyristor, in welchen ein Hauptstrom eingespeist wird, und einer Kollektorelektrode, wobei das Verfahren aufweist: (a) einen Schritt eines Vorbereitens eines Halbleitersubstrats (1350) eines ersten Leitfähigkeitstyps, welches eine obere und eine untere Hauptoberfläche aufweist; (b) einen Schritt eines Einbringens eines Fremdmaterials eines zweiten Leitfähigkeitstyps in die obere und die untere Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats, wodurch das Halbleitersubstrat in eine Struktur umgewandelt wird, welche aufweist: eine erste Emitterschicht (1304) des zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf der unteren Hauptoberfläche freiliegt, eine erste Basisschicht (1303) des ersten Leitfähigkeitstyps, welche auf der ersten Emitterschicht ausgebildet ist, und eine zweite Basisschicht (1302) des zweiten Leitfähigkeitstyps, welche auf der oberen Hauptoberfläche freiliegt; (c) einen Schritt eines Definierens einer ersten Region (U₁) bis zu einer fünften oder höher ungeradzahligen Region (U₅) auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats so, daß alle Regionen mit Ausnahme der ersten ringförmig sind und jede Region an die äußere Seite der dieser vorangehenden Region angrenzt, während sie die dieser vorangehende Region umgibt; (d) einen Schritt eines Definierens einer ringförmigen Innen- (U₄₁), Zwischen- (U₄₂) und Außenregion (U₄₃), welche alle geradzahligen Regionen mit Ausnahme der zweiten Region von dem inneren Umfang zu dem äußeren Umfang in drei teilt; (e) einen Schritt eines selektiven Einbringens eines Fremdmaterials des ersten Leitfähigkeitstyps in eine obere Hauptoberfläche der zweiten Basisschicht, wodurch eine zweite Emitterschicht (1301) des ersten Leitfähigkeitstyps ausgebildet wird, welche auf den ungeradzahligen Regionen in der zweiten Basisschicht freiliegt, (f) einen Schritt eines Ausbildens einer Rille (1312), die seichter als eine obere Oberfläche der ersten Basisschicht ist, entlang der Zwischenregion, (g) einen Schritt eines Definierens eines Weges, welcher jeweils die Innenregion jeder geradzahligen Region mit Ausnahme der zweiten Region und jeder ungeradzahligen Region, welche um 3 jünger als die geradzahlige Region ist, verbindet, auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und Ausbildens einer Isolationsschicht (1114; 1418, 1419) auf jedem dem der Wege; (h) einen Schritt eines Definierens eines Weges, welcher die Innenregion jeder geradzahligen Region mit Ausnahme der zweiten Region und jede zweite Region miteinander verbindet, auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und Ausbildens einer Isolationsschicht (1113; 1416; 1417) auf dem Weg; (i) einen Schritt eines Ausbildens einer ersten Leiterschicht (1108) auf einer unteren Hauptoberfläche der ersten Emitterschicht; (j) einen Schritt eines Ausbildens einer zweiten Leiterschicht (1151) auf der oberen Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats und auf der Isolationsschicht; und (k) einen Schritt eines selektiven Entfernens der zweiten Leiterschicht, wodurch eine ringförmige Elektrode, welche durch die Isolationsschicht in einen Abschnitt geteilt ist, jeweils auf der zweiten Region, jeder ungeradzahligen Region mit Ausnahme der erste und letzten Region, wenigstens der Innen- und Außenregionen der vierten Region und der Innenregion der der letzten Region vorangehenden Region ausgebildet wird, während eine ringförmige Elektrode jeweils auf der ersten Region, der letzten Region und der Außenregion der der letzten Region vorangehenden Region ausgebildet wird, und ferner ein Brückenabschnitt eines Leiters zum einstückigen Verbinden der auf dem durch den Weg miteinander verbundenen Regionen ausgebildet Elektroden auf der Isolationsschicht ausgebildet wird.
Verfahren zum Herstellen eines Thyristors gemäß Anspruch 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt (k) einen Schritt zum Ausbilden der ringförmigen Elektrode einschließt, die auf jeder der Innen- und Außenregionen der geradzahligen Regionen mit Ausnahme der zweiten Region und der der letzten Region vorangehenden Region geteilt ist.