DE7103749U

DE7103749U - Halbleiterbauelement

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Publication number: DE7103749U
Application number: DE19717103749
Authority: DE
Original assignee: GEC
Current assignee: GEC
Priority date: 1970-02-02
Filing date: 1971-02-02
Publication date: 1971-10-28
Also published as: SE372847B; GB1349478A; DE2104726A1; IE34925B1; FR2079196A1; IE34925L

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Patentanwälte

I)r,Ing. Wilhelm Reiche

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' " Pcksiraßo 13

6662

GENiDRAL ELECTRIC COI-iPAXY, Schenectady, N.Y., VStA

Kalbleiterbauelement

Die Neuerung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement, welches in seinem leitenden Zustand große Leistungen aufnehmen kann, welches in seinen: Sperrzustand (selbst wenn es hohen Klemmenspannungen ausgesetzt wird) den durchfließenden Strom auf einen annehmbar niedrigen Leckstromwert begrenzt und welches gute Erholungseigenschaften mit kurzen Erholzeiten aufweist.

Ss ist gut bekannt, daß ein Halbleitergleichrichter einen durchfließenden Strom auf einen geringen Leckstromwerü begrenzen kann, wenn ein bestimmter Potentialunterschied einer bestimmten Polarität ah seine Klemmen angelegt wird, selbst wenn der Potentialunterschied große Amplitude aufweist. Wenn- jedoch die Polari"üä"c der den Anschlüssen zugeführten Spannung umgekehrt wird, dann kann das Bauelement ohne weiteres große Ströme führen, wobei nur ein geringer innerer Spannungsabfall auftritt. Y:snn die Polarität der den Anschlüssen zugeführten Sparinur.g umgekehrt wird, so daß das Bauelement von seinem in Vorv/ärwsrichturig vorgespannten oder leitenden Zustand in seinen

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in Rückwärtsrichtung vorgespannten oder Stromsperrzustand umgeschaltet wird, dann fällt der Strom nicht sofort auf den Leckstromwert ab. Stattdessen ist ein bestimmter Zeitabschnitt, der als Erholzelt bezeichnet ict, notwendig, um die Ladungsträger aus dem Halbleiterkörper des Bauelements austreten zu lassen. Wenn man das den Anschlüssen eines Halbleitergleichrichters zugeführte Potential innerhalb eines kurzen Zeitabschnitts häufig umschalten möchte, dann ist es notwendig, die Erholzeit zu reduzieren, damit der Gleichrichtungswirkungsgrnd des Bauelements verbessert wird. Dies wird gewöhnlich dadurch erreicht, daß Löcher in das Kristallgitter des Halbleiterkörpers eingeführt werden, die die Trägerlebensdauer .dem. Damit nun das Bauelement, wenn es sich in seinem tand befindet, größere Potentialunterschiede aushalten *. ., i.vt es notwendig, die Dicke des Halbleiterkörpers proportional zu erhöhen, da die Spannung, die von einem Haibiei-fceroauelement sicher gesperrt werden kann, direkt von der Dicke des Halblei-terkörpers abhängt, die zur Ausbreitung der Verarmungszone an dem in Sperrichtung vorgespannten Übergang verfügbar ist. Unglücklicherweise erhöht eine Vergrößerung der Dicke des Halbleiterkörpers die Zahl der Ladungsträger, die herauswandern nüssen und sie erhöht damit die Erholzeit.

Es hat sich herausgestellt, daß es schwierig ist, ein Halbleiterbauelement zur Verwendung als Gleichrichter aufzubauen, welches im Sperrzustand hohe den Anschlüssen zugeführte Spannungen aushalten kann und welches kurze Erholzeiten beim umschalten von dem leitenden Zustand in den Sperrzustand aufweist. Dies gilt sowohl für Gleichrichter mit einem Übergang als auch für Thyristor-Halbleiterkörper-Gleichrichter. Die Bauelemente, die sich zur Einhaltung der obigen Anforderungen als ausreichend erwiesen, zeigten jedoch ungewöhnlich hohe Vorwärtsspannungsabfälle. Der Nachteil dieses erhöhten inneren Widerstands ist natürlich ein geringer Wirkungsgrad bei geringen Strömen.,.und bei Bauelementen mit großen Leistungen die Schwierigkeit,die Wärme mit einer Geschwindigkeit abzuleiten, die ausreicht, daß das Bauelement nicht bei der Verwendung schädlich beeinflußt wird.

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Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Leictungo-Halbleiterbauelement zu schaffen, welches als Gleichrichter verwendet werden kann und v/elches eine kurze Srhoizeit auf v/eist, welches bei hohen Vierten der den Abschlüssen zu?efu?ir~cr. Spannung den Strom sperren kann, welches einen Strom bei geringem Vorwärtsspannungsabfall führen kann und v/elches die durch, innere Verluste erzeugte Wärme ableiten kann.

Es ist ferner Ziel der Neuerung ein Halbleiterbauelement mit den obigen Eigenschaften vorzusehen, v/elches als eine Einheit aufgebaut ist.

Ein weiteres Ziel der Neuerung besteht darin, ein Halbleiterbauelement zu schaffen, v/elches mehrere Thyristor-Haibleiterkörper enthält, die wahl v/ei se mit Hilfe eines Steuersignals, v/elches dem einen Kalbleiterkörper zugeführt wird, von ihrem Sperrzustand in ihren leitenden Zustand umgeschaltet v/erden können.

Die der Neuerung zugrundeliegende Aufgabe wird dadurch gelost, ■daß zv/ei Laistungs-Kalbleiterkristalikörper vorgesehen sind, die einen gleichrichtenden 'übergang und ein wirksames mittleres Breiten zu Dicken Verhältnis von mindestens ?0 : ' aufweisen, daß zv/ei, eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisende Anschlußteile elektrisch vjid thermisch leitend auf einen flächenmäßig ausgedehnten Oberflächenteil jeweils eines der beiden Xristailhalbieiterkörper aufgesetzt sind, daß ein Wärmeaufnahmeteil, dessen V/ärmespeicherfähigkeit die der .Halbleiterkristallkcrper zur Aufnahme der durch Stromstöße erzeugten Wärme überschreitet, zwischen den Halbleiter— kristallkörpern angeordnet und mit diesen elektrisch in Heine geGcnc-Ltet xst, doß cas «varmGau.i-na.nmeteü.i. m^.t c.en ^tico^^xx fiächcnmäßig ausgedehnten Hauptfiächenteiien _wv -.c-i der beiden Xristallkörper elektrisch und thermisch leitenc verbunden ist. und daß eine Hüllanordnung hermetisch abgedichtet mit den beiden Anschlußteilen verbunden ist und die- Kaibieiterkristall-" körper zu ihrem Schutz an ihrem Umfang umgibt» wobei die An-

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schlußteile, die Xristallkcrper und die Hüllanordnung das Halbleiterbauelement bilden.

Eine Y.^re ix er bildung der neuer ungsgeinäß en Ar.0rdr.un5 ist dadurch gekennzeichnet, daß die Kaibieiterkristalli:örper Thyristoren sind, daß eines der Anschlußteile auf dem als Hauptflächcnteil ausgebildeten Katoden-Enitter-Oberfiächenzeii des einen Thyristors und das andere Anschlußteil auf dem als Hauptfiächen- ZBlI ausgebildeten Anoder.-Emitter-Oberxlächenteil des anderen Thyristors aufgesetzt ist, daß ein Teil elektrisch leitend an der. Anodenoberflächenteil des einen Thyristors und an dem Katodenoberflächenteil des anderen Thyristors angeordnet ist und daß eine Steueranschlußklense vorgesehen ist, die einen der Thyristoren von seinem Vorwär^ssperrzustand in seinen Vorvärtsdurchlaßzustand schaltet, in dein die Xleinaenspannung direkt an dem anderen Thyristor anliegt, der dann durch Lawinendurchbruch leitend wird.

Ausführungsformen der Neuerung v/erden nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß der Neuerung,

Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch ein anderes Halbleiterbauelement- gemäß der Neuerung,

Fig. 3 einen vergrößerten Schnitt durch einen Teil des Halbleiterbauelements nach Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt durch das Halbleiterbauelement nach Fig. 2, wobei der Schnitt senkrecht auf dem Schnitt nach Fig. 2 steht und

Fig. 5 eine Ansicht eines Teils des Halbleiterbauelements nach Fig. 2 von oben.

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Bei allen Figuren ist die Dicke der Halbleiterkörper zur einfacheren Darstellung übertrieben, und die Halbleiterkörper sind nicht geschnitten, damit die Zeichnungen nicht unübersichtlich v/erden. In den Figuren 2 und 4 ist die Lage der Übergänge nicht dargestellt, da die Übergänge in Fig. genau gezeigt sind.

In Fig. 1 ist ein Halbleiterbauelement 100 dargestellt, welches zwei Halbleiterkörper 102 und 104 ^enthält, die genau gleich ausgebildet sein können. Jeder der Halbleiterkörper weist eine obere Zone oder Schicht 106 eines ersten Leitfähigkeitstyps und eine untere Zone oder Schicht 108 von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp auf, zwischen.denen sich ein gleichrichtender Übergang 110 befindet. Jeder der Halbleiterkörper ist mit einem planaren oberen Oberflächenteil 112 und einem im wesentlichen parallel dazu verlaufenden planaren unteren Oberflächenteil 114 versehen. Jeder Halbleiterkörper weist eine ringförmige Umfangsflache 116 auf, die die gegenüberliegenden planaren HauptfDä'hen miteinander verbindet. Die Umfangsfläche kann, wie es &ch dem Stand der Technik gut bekannt ist, entweder positiv oder negativ abgeschrägt sein, damit der Oberflächenfeldgradient an dem Übergang ausgebreitet wird. Dazu sei Bezug genommen auf den Aufsatz:" Control of Electric Field at the Surface of P-N Junctions"von Davies und Gentry in IEEE Transactions on Electron Devices, July 1946, p.3 Die Halbleiterkörper können auü irgendeinem bekannten mono . xstallinen Halbleiterwerkstoff hergestellt sein,* jedoch sind die Halbleiterkörper für die meisten Anwendungen aus Silicium hergestellt, weil- es eine überragende thermische Stabilität aufweist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Dicke des Halbleiterkörpers zwischen den gegenüberliegenden Hauptflächen gegenüber seiner Breite parallel zu den Hauptflächen stark übertrieben. Die Halbleiterkörper haben für die meisten Anwendungen mit großer Leistung ein Breiten zu Dicken Verhältnis von mindestens 50 : 1. Venn beispielsweisie bei typischen Leistungsgleichrichtern die Dicke des

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Halbleiterkörpers nicht mehr ist als 0,5 mm und gewöhnlich geringer ist als 0,25 mm, dann liegt die Breite der Halbleiterkörper in einem Bereich von 12 mm bis 50 mm oder mehr. Die Halbier -^körper sind zwar der Einfachheit halber so dargestellt, i.Z-s ob sie einen einzigen gleichrichtenden Übergang aufweisen, sie können jedoch auch so ausgebildet sein, daß sie mehrere Übergänge aufweisen. Beispielsweise können die Halbleiterkörper 102 und 104 als 4- oder 5-Schichten-Thyristoren ausgebildet sein, die mit Lawinendurchbruch schalten. Es ist nicht notwendig, daß die Halbleiterkörper, so wie es dargestellt ist, gleich ausgebildet sind.

Die Halbleiterkörper sind durch einen Wärmeaufnahmeteil oder Wär meableiter 118,der zwischen dem Hauptflächenteil 114 des Halbleiterkörpers 102 und dem Hauptflächenteil 112 des Halbleiterkörpers 104 angeordnet ist,elektrisch in Reihe zueinander angeordnet.Der Wärmeableiter weist eine Metallscheibe 120 auf, die mit den danebenliegenden Oberflächenteilen der Halbleiterkörper durch Kontaktscheiben 122 thermisch und elektrisch in gutem Kontakt sind. Damit ein guter elektrischer Leitungsweg mit geringer Impedanz und auch ein guter thermischer Leitungsweg zwischen dem Hauptflächenteil 112 des Halbleiterkörpers 102 und dem Hauptflächenteil 114 des Halbleiterkörpers 104 und den Anschlußteilen ^ 24 bzw. 126 entsteht, sind Kontaktscheiben 128 zwischen diesen Hauptflächenteilen und den Anschlußteilen vorgesehen. Die Metallscheibe ist so bemessen, daß ihre Wärmeaufnahmefähigkeit die der Halbleiterkörper übersteigt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Metallscheibe aus einem hitzebeständigen Metall, beispielsweise Wolfram oder Molybdän, hergestellt, so daß sie nur geringste thermisch hervorgerufene Beanspruchungen für die Halbleiterkörper als Folge unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zwischen der Scheibe und den Halbleiterkörpern verursacht. Die Kontaktscheiben 122 und 128 sind zwar als Einheitsmetallschichten dargestellt, sie können jedoch aus einer oder mehreren Schichten bestehen und irgendeinen bekannten Aufbau aufweisen. Die Wahl besonderer

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Kontaktcchciben bildet nicht Teil der Neuerun_o. Wenn die Anschlußteile und/oder Metallscheiben aus einem Metall, beispielsweise Kupfer, Messing oder Aluminium, gebildet sind, dann können die Kontaktscheiben 128 und/oder 122 Stützscheiben aufweisen, die auc einem hitzebeständigen Metall,ähnlich wie bei der bevorzugten Ausführungsform die Metallscheib , gebildet sind, um die in den Halbleiterkörpern auftretenden thermischen Beanspruchungen möglichst gering zu halten.

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Die Anschlußteile weisen neben den zugehörigen Kontaktscheiben 128 einen Fuß 130 auf. Die Kontaktscheiben, die Füße und der Wärmeableiter sind vertikal neben einer bestimmten Fläche angeordnet, die neben einem großen Anteil (oder den ganzen) der Kauptoberflächenteile 112 und 114 der Halbleiterkörper angeordnet ist. Die Anschlußteile weisen äußere Oberflächenteile 132 mit vergrößerter Fläche auf, die zu der Fläche des Fußes, die mit der Kontaktscheibe in Berührung ist, parallel verläuft und deren Oberfläche, v/ie bereits gesagt, etwas größer ist. Die äußere Oberfläche jedes Anschlußteils ist mit einer Aussparung 134 zum Ausrichten versehen.

Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Ränder der Halbleiterkörper, die seitlich über die Kontaktscheiben, hinrausragen, die Füße und die Metallscheibe von einem ringförmigen Teil 136 umschlossen. Das ringförmige Teil ist aus einem einen übergang passivieren _₄ Werkstoff hergestellt, der einen relativ hohen Isolierwiderstand und eine relativ hohe Durchschlagfestigkeit aufweist und der für Übergangsverunreinigungen im wesentlichen undurchdringlich Ist. Es ist jedoch vorzuziehen, Passivierungsmittel zu verwenden, deren Durchschlagsfestigkeit mindestens 40 χ 10 V/cm und deren Isolierwiderstand mindestens

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10 0hm χ cm beträgt. Zahlreiche im Handel erhältliche Arten von Silicongummi entsprechen diesen elektrischen Anforderungen. Die Verwendung von nachgiebigen Passivierungswerkstoffen zur Herstellung des ringförmigen Teils ist, wie es weiter unten noch beschrieben wird, besonders vorteilhaft, jedoch .icann auch

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irgendein bekannter Passivierungswerkstoff an den Umfangsflächen 116 der Halbleiterkörper verwendet werden. Beispfelsweise kann ein Glaspassivierungsmittel an den Umfangsflächen verwendet werden und es kann Silicongummi darüber geschmolzen werden, so daß eö als zusätzliches PacciviGrungsinittel dient. Es läßt sich auch eine etwas abgewandelte Ausführungsform des ringförmigen Teiles zum Abdichten der Anschlußteile ausbilden, so daß kein weiteres Gehäuse für ein vollständiges Bauelement erforderlich ist. Bei einer anderen·. Aus führung cform, bei der eine hermetisch abdichtende Anordnung mit den Anschlußteilen zusammenwirkt, kann der Passivierungswerkstoff vollständig weggelassen werden.

Das Anschlußteil 124 ist mit einem ringförmigen Flansch 138 mit einem Umfangsring 14O abgedichtet verbunden, so daß ein oberer Gehäuseteil entsteht. Das Anschlußteil 126 ist mit einem ringförmigen Flansch 142 abgedichtet verbunden, der wiederum an seinem äußeren Umfang mit einem Ende eines Isolierrings 144 verbunden ist. Der Isolierring ist mit ringförmigen VorSprüngen 146 versehen, durch die die äußere Oberflächenstrecke zwischen seinen gegenüberliegenden Enden vergrößert wird. Ein mit einem Rand versehener Flansch 148 ist mit dem anderen Ende des Isolierrings abgedichtet verbunden. Das Abschlußteil 126, der ringförmige Flansch, der Isolirring und der mit einen* κ .-ersehene Flansch bilden zusammen ein unteres Gehäuseteil des Halbleiterbauelements. Die Gehäuseteile bilden zusammen eine Anordnung, die die Halbleiterkörper umgibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform schließt.die Anordnung die Halbleiterbauelemente hermetisch ein. Wie man sieht, greift das ringförmige Teil in die Innenfläche des Isolierrings ein, wodurch die Halbleiterkörper gegenüber den Füßen der Anschlußteile ausgerichtet werden. Wenn das ringförmige Teil wie bei der einen Ausführungsform nachgiebig ist, dann schützt es die Halbleiterkörper vor seitlichen mechanischen Stoßen. Die Nachgiebigkeit bringt auch den Vorteil mit sich, daß genaue Toleranzen zwischen dem Fuß und der Innen-

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fläche des Isolierrings nicht eingehalten werden müssen. Der untere und der obere Gehäuseteil sind so ausgebildet, daß beim Zusammenschweißen des mit einem Rand versehenen Flansches 148 und des Umfangsrings 140 zu einer Halbleiterbauelementanordnung die Anschlußteile eine leichte Druckkraft auf die Halbleiterkörper ausüben.

Bei Anwendung des Halbleiterbauelements wird ein äußerer Wärmeableiter an den äußeren Oberflächenteijten der Anschlußteile 124 und 126 angeordnet. Über die Wärmeableiter wird auf die Anschlußteile ein weiterer Druck ausgeübt, wodurch die termische Impedanz zwischen dem jeweiligen Halbleiterkörper und dem zugehörigen Anschlußteil vermindert wird. Die äußeren Wärmeableiter/greifen normalerweise in die gesamten äußeren Oberflächenteile 132 der Anschlußteile ein, wohingegen die Kontaktschoiben 128 in die gesamten Oberflächen der Füße 130 der Anschlußteile eingreifen. Jede Kontaktscheibe 128 sitzt ferner auf fast dem ganzen Hauptflächenteil des danebenliegenden Halbleiterkörpers auf. Die Folge davon ist, daß von jedem der Halbleiterkörper zu dem danebenliegenden äußeren Wärmeableiter ein Wärmeleitweg mit geringer Impedanz vorgesehen ist. Das Kühlen der Halbleiterkörper über eine große Fläche ist wichtig, weil bei Ausführungsformen für große Leistungen, bei denen das Breiten zu Dickenverhältnis recht hoch - d.h. über 50 : 1 ist, die Umfangsflachen 116 verglichen mit den Hauptflächen so klein sind, daß sie keinen beträchtlichen Teil der durch Stromleitung in den Halbleiterkörpern erzeugten Wärme abführen können. Bisher wurde es nicht als möglich erachtet,zwei Hochleistungshalbleiterkörper in einem einzigen Halbleiterbauelement vorzusehen. Dies wird dadurch möglich, daß für jeden Halbleiterkörper ein Pfad zur Wärmeableitung mit geringer Impedanz vorgesehen wird.

Das Halbleiterbauelement ist auch äußerst gut gegen Stromstöße über dem maximal zulässigen stetigen Strom dadurch geschützt,

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daß die Metallscheibe, die an den HauptflächenteiLen der Halbleiterkörper gegenüber den Anschlußteilen sitzt, eine große Wärmespeicherfähigkeit aufweist. Ohne diesen inneren Wärmeableiter könnten die Hauptflächenteile der Halbleiterkörper, die nicht neben den Anschlußteilen liegen, durch Stromstöße ohne weiteres überhitzt v/erden, da die Wärme nicJrt durch die gesamte Dicke dar Halbleiterkörper mit der erforderlichen Geschwindigkeit transportiert werden könnte. Mit Hilfe der inneren Wärmeableiter kann überschüssige Wärme von diesen Oberflächenteilen abgeleitet werden und in dem Wärmeableiter gespeichert werden. Wenn der Stromstoß nachläßt, dann kann die in der Metallscheibe gespeicherte Wärme langsam durch die Halbleiterkörper zu den äußeren Wärmeableitern abfli-ßen, bis riis Metallscheibe eine Temperatur erreicht, die etwa de/ '""ebenliegenden Oberfläche der Halbleiterkörper entsprit *lich tritt bei normalen Betriebszuständen kein nennenswei ν rftrmsstrom zu dem inneren Wärmeableiter auf. Es geht im wesentlichen die gesamte von dem Halbleiterbauelement erzeugte Wärme durch die Anschlußteile hindurch und wird von den äußeren Wärmeableitern gesammelt. Nur wenn ein Stromstoß die Temperatur der Halbleiterkörper augenblicklich nahe dem inneren Wärmeableiter erhöht, wird dieser innere Wärmeableiter eine wirksame Wärmespeicherstelle. Ein Stromstoß erhöht nicht die Temperatur des inner an Wärmeableiters im gleichen Verhältnis wie die der Halbleiterkörper, wenn er auch den gleichen Strom führt, da der Widerstand des inneren Wärmeableiters erheblich niedriger ist als der der Halbleiterkörper. Bei Schaltungsanwendungen, bei denen andere Schutzmaßnahmen gegen Stromstöße vorgesehen sein müssen, kann der innere Wärmeableiter weggelassen werden, wenn es auch immer noch notwendig ist, einen Kontakt mit geringer thermischer und elektrischer Impedanz zwischen den Halbleiterkörpern vorzusehen.

Wenn man drei dynamische Betriebskenndaten-geringen Vorwärtsspannungsabfall, die Fähigkeit große. Rückwärtsspannungen auszuhalten und eine kurze Erholzeit - beobachtet, dann ergibt sich, daß das Halbleiterbauelement überragende dynamische Kenn-

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daten verglichen mit vergleichbaren Halbleiterbauelementen auf v/eist, die einen einzigen Halbleiterkörper enthalten. Mit anderen V/orten, wenn ein monokristallines Halbleiterbauelement bekannter Ausführung zwei der oben erwähnten drei dynamischen Kenndaten enthält, die denen des beschriebenen Halbleiterbauc.i.enicn*ös enosprcCiien, cLami v/oö.s"d o.a.s üescxü'icucxic ri<ä_Lü.ik;xLu;i'— bauelement einen deutlichen Vorteil hinsichtlich der verbleibenden Kenndaten auf. Dies v/ird als ein neues und unerwartetes Merkmal angesehen. Es gibt ferner keine^ den Betrieb verändernde Nachteile. Das neuerungsgemäße Halbleiterbauelement stellt ein überlegenes Halbleitergleichrichterbauelement dar.

Es hat sich auch ganz unerwartet herausgestellt, daß das Halbleiterbauelement auch als gesteuerter Thyristor verv/endet v/erden kann. Figuren 2 bis 5 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform eines gesteuerten Thyristor-Halbleitorbauelernents 200 gemäß der Erfindung. Da alle Be'criebsvorteile, die an Hand des ·

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Thyristor-Halbleiterbauelement 200 erreicht v/erden können, müssen nur die zusätzlichen 2^:Ierkmale des Thyristor-Halbleixerbauelements in Einzelheiten beschrieben werden.

Das Halbleiterbauelement 200 enthält Thyristor-Halbleiterkörper 300 und 400. Gemäß Fig. 3 ist der Halbleiterkörper 300 mit einem ersten Hauptflächenteil 302 und einem zweiten im wesentlichen dazu parallelen Hauptflächenteil 304 versehen. Der Halbleiterkörper 300 besteht aus vier aufeinanderfolgend angeordneten Zonen oder Schichten sich ändernden Leixfähigkeitstyps, die, eine PNPJi-FoIge von Zonen oder Schichten bilden. Bei dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die erste Zone 3Co in einen ringförmigen Hiifsabschnitx 30oA und einen im wesentlichen konzenürisehen ringförmigen Hauptabschnitt 306B, der in einem gewissen Abstand nach außen von deja ersten Abschnitt angeordnet ist, unterteilt. Eine zweite Zone 308 trennt die erste.Zone von einer dritten Zone 310 und sie

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enthält einen mittleren Teil JOoA., 4er sich innerhalb des Hilfsabschnitts der ersten Zone bef_ndet, einen Hilfsteil 308B, der unter dem Hilfsabschnitt der ersten Zone liegt, einen Abstandsteil 308C, der seitlich zwischen dem Hauptabschnitt und \ dem Hilfsabschnitt der ersten Zone liegt, einen Hauptteil 308D, der unter dem Hauptabschnitt der ersten Zone liegt und einen Umfangsteil 308E, der seitlich weiter außen als die erste Zone liegt. Eine vierte Zone 312 liegt zwischen der dritten Zone und dem zweiten Hauptflächenteil. Die erste Zone bildet mit der zweiten Zone neben dem Hilfsabschnitt der ersten Zone einen Hilfsemitterübergang 314 und neben dem Hauptabschnitt der ersten Zone einen Hauptemitterübergang 316. Zwischen der dritten und der vierten Zone ist ein zweiter Hauptemitterübergang 318 gebildet. Zwischen der zweiten und der dritten Zone ist ein Kollektorubergang 320 gebildet. Es ist eine flach abgeschrägte Umfangsflache 322 vorgesehen, die den Umfangsrand des Kollektorübergangs schneidet und den Oberflächenfeldgradienten ausbreitet, der bei Vorspannung des Übergangs in Rückwärtsrichtung (und zwar dann, wenn der Halbleiterkörper 300 in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist) auftritt. Es ist eine zweite geneigte Umfangsflache 324 vorgesehen, die den Randumfang des zwei- I ten Emitterübergangs schneidet, so daß der an diesem Übergang .! auftretende Oberflächenfeldgradient in ähnlicher V/eise ausgebreitet wird. Natürlich kann auch eine einzige abgeschrägte Fläche vorgesehen sein, die, wenn man es wünscht, beide Über- j gänge schneidet. Die Verwendung von zwei Umfangsflachen hat j sich deshalb als vorteilhaft erwiesen, weil die Rückwärts- j Vorspannungs-Durchschlagfestigkeit der zweiten Emitter- und [ Kollektor-Übergänge verbessert· wird, während nur eine minima- j le seitliche Fläche des Halbleiterkörpers für die Abschrägung i verwendet wird. ;

Der Thyristor-Halbleiterkörper 400 ist mit einem ersten Haupt- ' Oberflächenteil 402 und einem zweiten im wesentlichen dazu "..

parallelen Hauptoberflächenteil 404 versehen. Der Halbleiter- ; körper 400 weist vier aufeinanderfolgend angeordnete Zonen : sich ändernden Leitfähigkeitstyps auf, die eine PNPN-Folge von

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leitenden Zonen oder Schichten bilden. Die vier Zonen bestehen aus einer ersten Emitterzone 406 neben dem ersten Hauptoberflächenteil, einer zweiten Zone 408, einer dritten Zone 410 und einer vierten Zone 412 neben dem zweiten Kauptoberflächenteil. Zwischen der ersten und der zwieten Zone ist ein erster Etnitterübergang 414 gebildet, zwischen der zweiten und der dritten Zone ist ein Kollektorübergang 416 gebildet und zwischen der dritten und der vierten Zone ist ein zweiter Emitterübergang 418 gebildet. Der erste Emijfcterübergang und der Kollektorübergang werden von einer ersten abgeschrägten Umfangsfläche 420 geschnitten,und der zweite Emitterübergang wird von einer zweiten abgeschrägten Umfangsfläche 422 geschnitten. Die abgeschrägten Umfangsflachen breiten den Oberflächenfeldgradienten aus, der dann entsteht, wenn die Übergänge in Rückwärtsrichtung vorgespannt werden. Es kann auch anstelle der beiden abgeschrägten Umfangsflachen, die dargestellt sind, eine einzige abgeschrägte Umfangsfläche vorge-• sehen sein. Ferner können di ·. voneinander getrennte abgeschrägte Umfangsflächen vorgesehen sein, von denen je eine jeweils einen der drei Übergänge schneidet.

Die Halbleiterkörper sind elektrisch mit einem Wärmeableiter 202 in Reihe geschaltet, der zwischen den Hauptoberflächen- . t^ ⁿen 304 und 402 des Halbleiterkörpers 300 bzw. des HaIb-1. -rkörpers 400 angeordnet ist. Der Wärmeableiter 202 kann in gleicher Weise ausgebildet sein wie d6r Wärmeableiter 118 und er führt im wesentlichen.die gleiche Funktion aus. Mit dem Hauptoberflächenteil 404 des Halbleiterkörpers 400 ist über eine dazwischenliegende/ Kontaktscheibe 206 eine Stützplatte 204 verbunden. Eine zweite Kontaktscheibe 208 ist auf die untere Hauptfläche der Stützplatte aufgesetzt. Auf den Hauptoberflächenteil 302 des Halbleiterkörpers 300 ist ein Hauptemicterkontakt 210 aufgesetzt, der über dem Hauptemitterabschnitt 306B der ersten Emitterzone liegt und der seitlich nach außen über die erste Emitterzone hinausragt, so daß er den Umfangsteil 308E der zweiten Zone 308 berührt und den

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äußeren Rand des Hauptemitterübergangs 316 kurzschließt. Über dem " ^:Ifsabschnitt 306A der ersten Emitterzone ist ein Hilfskom,L -1-- 212 angeordnet, der seitlich derart nach außen ragt, daß er auch über dem Abstandsteil 308C der zweiten Zone angeordnet ist. Der Kontakt 212 schließt den äußeren Rand des Hilfsemitterübergangs 314 kurz, er ist jedoch mit einem Abstand von dem inneren Rand des Hauptemitterübergangs 3ΐό angeordnet. Eine ringförmige Stützplatte 214 ist über dem Kontakt 210 angeordnet,und über der ringförmigen Stützplatte . .,b wiederum ein Kontakt 216 angeordnet. Die Stützplatten bestehen vorzugsweise aus einem hitzebeständigen Metall, beispielsweise Wolfram oder Molybdän. Die Kontakte 206, 208, 210, 212, 214 und 216 können in bekannter Weise ausgeführt sein, und sie können als eine von vielen Schichten gebildet werden.

Wie man am besten in Fig. 2 erkennt, werden der Wärmeableiter 202 und die Thyristor-Halbleiterkörper durch ein Anschlußteil 218 gehaltert, welches einen ringförmigen Fuß 220 aufweist, der mit einer Stützscheibe 204 über eine Kontaktscheibe 208 verbunden ist. Das Anschlußteil 218 ist abgedichtet mit einem ringförmigen Flansch 222 verbunden, der wiederum an seinem Außenumfang mit dem einen Ende eines Isolierrings 224 verbunden ist. Der Isolierring weist ringförmige Vorsprünge 226 auf, durch die die äußere Oberflächenlänge zwischen seinen gegenüberliegenden Enden vergrößert wird. Ein mit einem Rand versehener Flansch 228 ist mit dem anderen Ende des Isolierrings abgedichtet verbunden. Der Isolierring ist mit einer Steueranschlußklemme 230 versehen, die in ihn abgedichtet eingepaßt ist. Die Steueranschlußklemme.weist eine an ihrer einen Seite abgeschlossene Aussparung 232 auf, die zum Innern des Isolierrings hin geöffnet ist. Das Anschlußteil 218, der ringförmige Flansch 222, der Isolierring 224 und der mit einem Rand versehene Flansch 228 bilden zusammen den unteren Gehäuseteil des Halbleiterbauelements.

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Eine nachgiebige Feder 234 bildet zwischen dem mittleren Teil der zweiten Zone des Halbleiter'Korpers 300 der Steueranschlußklemme eine elektrische Verbindung geringer Impedanz. Die Feder hat ein erstes Teilstück 236, welches von dem mittleren Teil nach oben ragt und raxc seinem unteren äußersten Ende an dem mittleren Teil der zweiten Zone aufliegt. Ein zweites Te. "L-stück 238 der Feder ragt seitlich von dem ersten Teilstücc weg zu der Steueranschlußklemme. Ein drittes Teilstück 240 ragt von dem zweiten Teilstück bis zu eier Höhe der Aussparung und ein viertes Teilstück 242 ist in die Aussparung eingepaßt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind das erste, das zweite, das dritte und das vierte Teilstück der Feder dadurch gebildet, daß ein durchgehender Streifen aus nachgiebigem Metall gebogen ist. Das vierte Teilstück der Feder ist zwar so dargestellt, als ob es nahezu parallel zu döiü zweiten Teilstück verläuft, jedoch bildet es, wenn oxe Feder aus der Aussparung herausgenommen wird, mit dein zweiten Teilstück einen spitzen Winkel, der insbesondere zwischen 15 und 45° liegt. Wenn die Feder in ihre Arbeitsstellung gebracht wird, dann drückt die untere Oberfläche der Aussparung gegen das äuerste Ende der Feder, während die obere Oberfläche der Aussparung gegen einen weiter innen liegenden Teil des vierten Teilstücks nach unten drückt. Weiterhin werden bein* Einsatzen der Feder in ihre Be⁺- ebsstellung das erste, zweite und dritte-Teilstück gegenüber dem vierten Teilstück verbogen, so daß das unterste Ende des ersten Teilstücks stetig nach unten auf die Oberfläche des mittleren Teils der zweiten Zone drückt und eine Verbindung mit geringer Impedanz bildet. Der Betrag der Druckkraft, mit der die Feder den mittleren Teil berührt, ist durch die Feder allein bestimmt.

Bei einer besonderen Ausführungsform des Halbleiterbauelements 200 ist die Stützscheibe 214 nicht direkt mit dem Hauptoberflächenteil 302 des Halbleiterkörpers 300 verbunden. Um die ringförmige Stützscheibe gegenüber dem ersten Teilstück der Feder konzentrisch anzuordnen, ist eine Zentrierscheibe 244

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vorgesehen, die eine Öffnung 246 aufweist. Das erste Teilstück der Feder paßt in die Öffnung, während der äußere Rand der Zentrierscheibe mit dem Innenrand der ringförmigen Stützscheibe abschließt. Um de Ränder der Halbleiterkörper zu passivieren und um diese Halbleiterkörper seitlich gegenüber dem Anschlußteil 218 auszurichten, wobei die Stützscheibe 204 nicht mit diesem Anschlußteil und/oder dem Halbleiterkörper 400 verbunden ist, ist ein ringförmiges Teil 248 vorgesehen, welches in ähnlicher Weise wie das ringförmige Veil 136 aus einem Passivierungsmittel besteht. Das ringförmige Teil 248 ähnelt in seinem Aufbau und seiner Wirkungsweise dem ringförmigen Teil 136 mit der Ausnahme, daß das ringförmige Teil 248 die Halbleiterkörper gegenüber dem Anschlußteil 218 und nicht gegenüber dem Isolierring zentriert. Damit ist es nicht mehr notwendig irgendwelche Toleranzen zwischen dem Isolierring und dem Anschlußteil 218 einzuhalten.

Ein zweites Anschlußteil 250 ist mit einem Fuß 252 versehen, der eine verhältnismäßig große Oberfläche hat, die über eine Kontaktscheibe 210 mit der ringförmigen Stützscheibe verbunden ist und mit dieser zusammenwirkt. Damit die Feder mit dem mittleren Tei *°r> Halbleiterkörpers 300 verbunden werden kann, ist das zweite «nschlußteil mit einem Schlitz 254 versehen, in den eine isolierende Auskleidung 256 eingepaßt ist, damit ein elektrischer Kontakt zwischen der Feder und dem Anschlußteil verhindert wird. Das zweite Anschlußteil ist abgedichtet mit einem ringförmigen Flansch 258 verbunden, der einen Umfangsring 260 aufweist. Das zweite Anschlußteil und der ringförmige Flansch bilden zusammen den oberen Gehäuseteil. Der obere Gehäuseteil und der untere Gehäuseteil bilden zusammen ein Gehäuse, welches die Halbleiterkörper umgibt und welches mit Ausnahme der Steueranschlußklemme 230 dem Gehäuse des Halbleiterbauelements 100 ganz ähnlich ist.

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Es hat sich herausgestellt, daß ein Thyristorbaueleivient, beispielsweise das Kalbleiterbauelement 200, welches gemäß der

Neuerung aufgebaut ist, die dynamischen Vorteile, die im Zusammenhang mit dem Halbleiterbauelement 100 erwähnt wurden, mit den einfachen Gate-Zündeigenschaften eines Thyristors mit einem einzigen Kalbleiterkörper verbindet. Wenn beispielsweise das Thyristor-Halbleiterbauelement 200 zwischen zwei äußeren, gegeneinander drückenden Wärmeableiter^262 und 264 angeordnet wird, wie es in Fig. 2 scheraatisch dargestellt ist, dann kann

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das Anschlußteil 218 als Anode und das Anschlußteil 250 als Katode dienen, wenn die Zonen 306, 310, 406 und 410 N-leitend sind und die übrigen Zonen P-leitend sind. Wenn an der Steuerelektrode kein Steuersignal anliegt, dann kann das Thyristor-, bauelement Strom in beiden Richtungen bis zu einer Spannung sperren, die der Sumse der- maximalen Vorwärts Sperrspannungen oder der Summe der Spitzensperrspannungen der Halbleiterkörper 300 und 400 entspricht. Wenn das Anschlußteil 218 gegenüber dem Anschlußteil 250 positiv vorgespannt ist - d.h. wenn das Bauelement in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist - und wenn die Steueranschlußklemme 230 positiv gegenüber dem Anschlußteil 250 vorgespannt wird, dann kann das Thyristorbauelement sehr rasch in seinen leitenden Zustand umgeschaltet werden. Das .Leitendwerden des Kalbleiterbauelements 300 wird dadurch beschleunigt, daß der Kilfsabschnitt 3O6A und der Hilfskontakt 212 vorgesehen sind, die bewirken, daß der mittlere Teil des Halbleiterbauelements 300 als ein integrierter Kilfsthyristor wirkt, der das ursprüngliche Steuersignal verstärkt und rasch den leitenden Bereich des Halbleiterkörpers 300 ausdehnt. Wenn eine große Vorwärtsspannung an das Bauelement angelegt wird und wenn der Halbleiterkörper 300 in seinen leitenden Zustand umgeschaltet wird, dann muß die gesamte Spannung an den Anschlußklemmen, wenn sie gesperrt werden soll, von dem Halbleiterkörper 400 gesperrt werden. Wenn der Potentialunterschied an dem Halbleiterkörper 400 einen Viert über der maximalen Vorwär^ssperrspannung erreicht, dann wird jedoch auch dieser Halbleiterkörper durch den Lawineneffekt leitend, und es fließt ein Strom durch die Halbleiterkörper des Thyristorbauelements.

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Da der Halbleiterkörper 400 nach dem Lawineneffekt gezündet wird, muß Passivierungswerkstoff und/oder die Abschrägung an den Rändern vorgesehen sein, damit vor allem Oberflächendurchbrüchs,und zwar eher als innere DurchSrücne, an des Kollektor-Übergang verhindert werden. Oberflächendurchbrüche auf Grund des Potentialunterschieds an dem Kollektorübergang würden natürlich den Halbleiterkörper 400 erheblich verschlechtern.

Es wurde zwar ein Thyristorbauelement an Hand der bevorzugten Ausführungsform des Bauelements 200 erläutert, jedoch sind auch zahlreiche andere Ausführungsformel möglich. Beispielsweise kann anstelle des verwendeten Bauelement,-"· .-$ irgendein bekanntes Gehäuse zur Schutzkapslung der hi körper 300 und 400 verwendet werden. Wenn das Gehäuse h. . .sch abgedichtet ist, dann kann das ringförmige Teil 248 aus Pi.ssivierungsstoff auf Wunsch weggelassen werden. Wenn der Passivierungsstoff Glas ist, dann müssen die Halbleiterkörper nicht abgeschrägt sein, da schon das Glas allein den Oberflächenfeldgradienten entsprechend ausbreiten kann, wenn auch nicht in dem gleichen Maße, wie wenn eine Abschrägung zusammen mit Glas vorgesehen ist. Bei bestimmten Schaltungen, be^. denen Stromstöße nicht auftreten oder ein Schutz gegen diese auf andere Weise vorgesehen ist, kann der innere Wärmeableiter 202 weggelassen werden. Anstelle der ringförmig ausgebildeten Thyristor-Halbleiterbauelemente mit einer mittleren Steuerelektrode kann irgendeine bekannte geometrische Anordnung und auch eine andere Anordnung der Steuerelektrode verwendet werden. Um beispielsweise ein äußerst schnelles Schalten zu erreichen, kann die äußere Umfangsfläche des Hilfsteile 3O6A nach bekannten Interdigitationsverfahren vergrößert werden. Verwiesen sei dazu auf den Aufsatz*High Frequency Capabilities of New Power Thyristor von Davies, der von dem American Institute of Chemical Engineers auf Seite 987 in dem Bericht über die 4th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference vom 22. bis zum 26. September 1968 in Washington D.C. veröffentlicht ist. Wenn kurze aber etwas ge-

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ringere als maximal mögliche Schaltzeiten erforderlich sind, dann können der Hilfsabschnitt der ersten Zone ebensov/ie der Hilfskontakt weggelassen v/erden. Wenn auch die neuerungsgemäßc Anordnung insbesondere bei j.eistungs-rialbleiterbaucle— menten vorteilhaft ist, die ein Breiten zu Dicken Verhältnis von mindestens 50 : Λ haben, so kann auch die neuorungsgemäße Anordnung, wie sie bei Thyristorbaueleaenten verwendet wird, bei Bauelementen mit geringer Leistung angewendet worden, bei denen das Breiten zu Dicken Verhältnis geringer ist und die Anforderungen an die Wärmeableitung nicht so hoch sind.

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Claims

Schutzanf-.prüche

1. Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet , daß zwei Leistungs-Eaibleiterkristallkörper (102,104) vorgesehen sind, die einen gleichrichtenden Übergang und ein wirksames mittleres Breiten zu Dicken Verhältnis von mindestens 50 : 1 aufweisen, daß zwei, eine gute thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweisende Anschlußteile (124,126) elektrisch und thermisch leitend auf einen flächenmäßig ausgedehnten Oberflächenteil jeweils eines der beiden Kristallhalbleiterkörper (102,104) aufgesetzt sind, daß ein Wärmeaufnahmeteil (118), dessen Wärmespeicherfähigkeit die der Halbleiterkristallkörper zur Aufnahme der durch Stromstöße erzeugte Wärme überschreitet, zwischen den Halbleiterkristallkörpern (102,104) angeordnet und mit diesen elektrisch in Reihe geschaltet ist, daß das Wärmeaufnahmeteil (118) mit den anderen flächenmäßig ausgedehnten Hauptflächenteilen jedes der beiden Kristallkörper (102,104) elektrisch und thermisch leitend verbunden ist und daß eine Hüllanordnung (138,142,144, 148) hermetisch abgedichtet mit den beiden Anschlußteilen (124, 126) verbunden ist und die Halbleiterkristallkörper zu ihrem Schutz an ihrem Umfang umgibt, wobei die Anschlußteile, die Kristallkörper und die Hüllanordnung das Halbleiterbauelement bilden.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet', daß das Wärmeaufnahmeteil (118), welches die bei einem Stromstoß entstehende Wärme aufnimmt, eine hitzebeständige Metallscheibe ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang der Halbleiterkristallkörper (102,104) zur Passivierung der Unifangsränder, die von den gleichrichtenden Übergängen geschnitten werden, zusätzlich ein Teil (136) vorgesehen ist.

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4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkristallkörper (102,104) am Umfang abgeschrägt sind, damit der Feldgradient an ihren Umfangsrändern, die von den gleichrichtenden Übergängen geschnitten werden, ausgebreitet wird.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jedes der Anschlußteile (124,126) eine äußere Wärmeübertragungs/läche aufweist, auf die unter Druck ein äußerer, von dem Bauelement abnehmbarer Wärmeableiter aufgesetzt ist.

6. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkristallkörper Leistungstijristoren (300)400) sind, daß eines der Anschlußteile (218) auf den al:.- ~auptflachente.il ausgebildeten Katoden-Emitter-Oberflächenteil des einen Thyristors (400) und das andere Anschlußteil (250) auf den als Hauptflächenteil ausgebildeten Anoden-Emitter-Oberflächenteil des anderen Thyristors (300) aufgesetzt sind, daß das Wärmeaufnahmeteil (202) zwischen der Anodenhauptflache des ersten Thyristors (300) und der Katodenhauptflache des anderen Thyristors (400) angeordnet ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Steueranschlußklemme (230,232,234) vorgesehen ist, die einen der Thyristoren (300) von seinem Vorvrärtssperrzustand in seinen Vorwärtsdurchlaßzustand schaltet,bei dem die Klemmenspannung direkt an dem anderen Thyristor (400) anliegt, der dann durch Lawinendurchbruch leitend wird.

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8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterkristallkörper Thyristoren sind, daß eines der Anschlußteile auf dom «1-s Hewptflächen-teii ausgebildeten Katoden-?· Emitter-Oberflächenteil des einen Thyristors (400) und das andere Anschlußteil auf dem als Hauptflächenteil ausgebildeten Anoden-Emitter-Oberflächenteil des anderen Thyristors (300) aufgesetzt ist, daß ein Teil elektrisch leitend an dem Anodenoberflächenteil des einen Thyristors und an dem Katodenoberflächenteil des anderen Thyristors angeordnet ist und daß eine Steueranschlußklemme (230,232,234) vorgesehen ist, die einen

( der Thyristoren (300) von seinem Vorwärtssperrzustand in seinen Vorwärtsdurchlaßzustand schaltet, in dem die Klemmenspannung direkt an dem anderen Thyristor (400) anliegt, der dann durch Lawinendurchbruch leitend wird.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der mit der Steuerelektrode verbundene Thyristor eine integrierte Signalverstärkungsvorrichtung (306A, 308A, 308B, 314) zur Beschleunigung des Umschaltens aufweist.

Rei/Gu

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