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Steuerbares und schaltendes Vierschichthalbleiterbauelement Es sind
bereits Halbleiterbauelemente bekannt, welche aus vier Schichten von abwechselnd
gegensätzlichem Leitfähigkeitstyp, z. B. pnpn, bestehen. Sie zeigen ein ähnliches
physikalisches Verhalten wie gasgefüllte Stromtore (Thyratrone). In der einen Polungsrichtung
haben diese Halbleiterbauelemente zwei stabile Arbeitsbereiche, die mit »gesperrt«
und »gezündet« bezeichnet werden. In der entgegengesetzten Polungsrichtung sperren
sie den Strom, solange die negative Sperrspannung nicht ihre Sperrfähigkeit überschreitet.
Für gewöhnlich sind die beiden äußeren Schichten einer solchen Anordnung mit Stromanschlüssen
versehen, durch die der Laststrom ein-und austritt. Außerdem besitzt eine der mittleren
Schichten einen Stromanschluß, mit dessen Hilfe die Anordnung gezündet wird. Ein
Löschen tritt genau wie bei den Thyratronen von selber ein, wenn der Laststrom unter
Null absinkt. Eine willkürliche Löschung durch Steuerströme ist nicht möglich.
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Ferner ist eine Signalumsetzungsanordnung bekanntgeworden, welche
aus einem längserstreckten Körper aus Halbleitermaterial besteht, der vier längserstreckte
Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps besitzt, bei der Mittel vorgesehen sind,
die eine Raumladung an jedem der pn-Übergänge erzeugen können, welche in ihrer Stärke
von dem einen Ende des Körpers zu dem anderen zunimmt. Der Eingang und der Ausgang
der Signalumsetzungsanordnung sind an das eine bzw. das andere Ende des längserstreckten
Körpers angeschlossen. Es handelt sich um eine Hochfrequenzanordnung und nicht um
eine Schaltanordnung.
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Außerdem ist ein Transistor mit einem flachen Körper aus halbleitendem
Material bekanntgeworden, welcher auf der einen Oberfläche des flachen Halbleiterkörpers
verschiedene Spitzenelektroden besitzt, während auf der gegenüberliegenden Oberfläche
eine Flächenelektrode mit einer vorgelagerten Halbleiterschicht vom entgegengesetzten
Leitungstyp angebracht ist. Diese Halbleiterschicht hat eine solche geringe Stärke,
daß sie über ihren gesamten Bereich ein einheitliches, von der Flächenelektrode
aufgeprägtes Potential annimmt und dadurch den pn-Übergang in seiner Länge aufteilt
in einen Bereich mit einer Polung in Flußrichtung und in einen Bereich mit einer
Polung in Sperrichtung bezüglich einer Spitzenelektrode. Hierdurch lassen sich die
Kollektorkennlinien in einem gewissen Maße steuern. Der Transistor zeigt in einer
Ausführungsform einen Vierschichtenaufbau, weist aber im übrigen nicht das für ein
schaltendes Vierschichthalbleiterbauelement typische Verhalten auf, sondern dasjenige
eines normalen Transistors. Die Erfindung schafft einen Schalter mit einem steuerbaren
Vierschichthalbleiterbauelement, der willkürlich durch einen Steuerstrom unabhängig
von der treibenden Spannung des Laststromes gelöscht werden kann. Sie betrifft deshalb
ein steuerbares und schaltendes Vierschichthalbleiterbauelement mit einem im wesentlichen
einkristallinen und drei hintereinanderliegende pn-Übergänge enthaltenden Halbleiterkörper,
dessen mittlerer pn-Übergang die entgegengesetzte Flußrichtung hat wie die beiden
äußeren, sowie mit je einer an den beiden äußeren Zonen angebrachten Kontaktelektrode,
mit zwei weiteren Kontaktelektroden an einer der beiden mittleren Zonen und mit
einer Stromquelle, die in der Weise an die Kontaktelektroden der äußeren beiden
Zonen angeschlossen ist, daß sie einen Laststrom durch alle vier Zonen des Halbleiterbauelementes
treibt. Dieses Halbleiterbauelement ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Kontaktelektroden an der mittleren Zone in der Weise angeordnet und
an eine Stromquelle angeschlossen sind, daß der Strom durch die mittlere Zone den
Laststrom kreuzt und diesen löschen kann.
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Eine solche Schaltanordnung verbindet verschiedene Vorteile miteinander.
So läßt sie sich durch einen kurzzeitigen Stromimpuls an einem der Stromanschlüsse
der den mittleren pn-Übergang der Vierschichtanordnung berührenden Schicht zünden
sowie mit Hilfe eines Stromes, der durch diese mittlere Schicht von dem einen Stromanschluß
zu dem anderen fließt, wieder löschen. Die Richtung des Löschstromes spielt dabei
keine Rolle, so daß auch ein Wechselstrom verwendet werden kann. Auch zum
Löschen
genügt ein Impuls. Hiermit ergibt sich eine ideale Steuermöglichkeit sowohl für
Gleich- als auch für Wechselstrom. Die erfindungsgemäße Schaltanordnung kann beispielsweise
als Gleichstromschalter verwendet werden. Sie ist hierbei dem für gewöhnlich verwendeten
Transistor überlegen, weil sie zum Durchlässigwerden nur durch einen kurzen Stromimpuls
gezündet zu werden braucht und der Laststrom dann im gewünschten Zeitpunkt durch
einen anderen Stromimpuls gelöscht werden kann, während bei dem Transistor während
der ganzen Laststromdauer auch ein Steuerstrom aufrechterhalten werden muß.
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Auch beim Wechselstrom ist die erfindungsgemäße Schaltanordnung den
bisher bekannten Anordnungen überlegen, beispielsweise bei Gleichrichteranlagen,
da man nicht nur den Zündzeitpunkt, sondern auch den Löschzeitpunkt jedes Ventils
genau vorherbestimmen und damit die Phasenlage in einem gewünschten Sinn beeinflussen
kann, weil nun nicht nur im Stromnulldurchgang, sondern in jedem beliebigen anderen
Zeitpunkt eine Unterbrechung des Laststromes herbeigeführt werden kann. Entsprechend
lassen sich Wechselrichterschaltungen mit der neuen Anordnung wesentlich günstiger
gestalten.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Vierschichthalbleiterbauelement
dargestellt; Fig. 2 und 3 zeigen entsprechende Schaltzeichen; in Fig. 4 ist ein
Schaltungsbeispiel dargestellt.
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Die Anordnung gemäß Fig. 1 kann auf folgende Weise hergestellt werden:
In einen flachen n-leitenden Halbleiterkörper, beispielsweise aus hochohmigem n-Silizium
mit einem spezifischen Widerstand von 100 Ohm - cm, läßt man Aluminium eindiffundieren.
Dies kann man so durchführen, daß man ein derartiges Scheibehen von z. B. 12 mm
Durchmesser und 250 1, Stärke im Vakuum unter Anwesenheit von Aluminium erhitzt,
beispielsweise in einem evakuierten und anschließend abgeschmolzenen Quarzgefäß
bei 1200° C für etwa 40 Stunden. Es entsteht eine p-leitende Schicht mittlerer Dotierungskonzentration,
die den unveränderten n-leitenden Kern 2 umgibt: Durch das Einätzen eines entsprechend
tiefen Grabens 3 in die eine Flachseite , des Grundelementes wird die p-leitend-e
Schicht in die Teile 4 und 5 aufgetrennt. Außerdem werden dünne Folien von etwa
30 [, aus Goldlegierungen, die Dotierungsmaterial enthalten, auf dieses Grundelement
aufgebracht. Eine etwa 0,05 0/0 enthaltende Goldfolie 6 wird auf die p-leitende
Schicht 5 auflegiert. Auf die p-leitende Schicht 4 werden eine Scheibe 7 von etwa
4 mm Durchmesser sowie eine Kreisringscheibe 8 von etwa 8 mm Innendurchmesser und
10 mm Außendurchmesser aus dem gleichen Gold-Bor-Material aufgebracht. Nach dem
Legierungsvorgang ist den Teilen 6, 7 und 8 je ein hochdotierter p-leitender Bereich
vorgelagert, der aber nicht besonders bezeichnet wurde, da er sich von dem angrenzenden
Material des Grundelementes nach dem Leitfähigkeitstyp nicht unterscheidet und zwischen
beiden kein scharf begrenzter Übergang vorhanden ist. Zwischen der Kreisscheibe
7 und der Kreisringscheibe 8 ist eine weitere Kreisringscheibe 9 angeordnet, die
einen inneren Durchmesser von 5 mm und einen äußeren von 7 mm aufweist. Sie besteht
aus einer Gold-Antimon-Legierung, z. B. mit etwa 0,511/o Sb, und erzeugt beim Einlegieren
einen hoohdotierten n-leitenden Bereich 10, der ihr in die p-dotierte Schicht
4 hinein vorgelagert ist. Alle Legierungsvorgänge werden zweckmäßigerweise
bei einer etwas über der Schmelztemperatur des Gold-Silizium-Eutektikums liegenden
Temperatur, beispielsweise bei 700° C, durchgeführt.
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Nach der Fertigstellung zeigt also die, gesamte Anordnung einen pnpn-Aufbau,
bei dem die äußere p-Schicht durch den Stromanschluß 6 und die äußere n-Schicht
durch den Stromanschluß 9 kontaktiert ist. Die mittlere n-Schicht 2 ;hat keinen
Anschluß, während die mittlere p-leitende Schicht 4 durch die Stromanschlüsse 7
und B kontaktiert ist, die sich zu beiden Seiten des Stromanschlusses 9 befinden.
Die metallisch leitenden Stromanschlüsse sind in der Fig. 1 schraffiert dargestellt.
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Die Fig. 2 zeigt das Schaltschema der eben beschriebenen Anordnung.
Der Anschluß E, entspricht dem Anschluß 6, der Anschluß E,Z dem Anschluß 9 und die
beiden Anschlüsse Bi und Aden Anschlüssen 7 bzw. B.
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Fig. 3 zeigt ein entsprechendes Schaltzeichen mit den gleichen Bezeichnungen.
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In Fig. 4 ist ein einfacher Schaltungsaufbau dargestellt, der eine
Anwendung des erfindungsgemäßen Schalters als Gleichstromschalter zeigt. Der Laststromkreis
besteht aus der Stromquelle 11, der Last 12 und dem Vierschichtelement 13.
Eine Gleichstromquelle 14, ein Strombegrenzungswiderstand 15 und ein Schalter 16
sind an das Vierschichtelement als Zündstromkreis angeschlossen. Wird der Schalter
16 geschlossen, so fließt ein Strom von dem Anschluß B1 nach dem Anschluß
En und zündet damit das Vierschichtelement. Unabhängig davon, ob der Schalter
16 geschlossen bleibt oder nun geöffnet wird, fließt nun der Laststrom. Zum Löschen
dient ein Strom von dem Anschluß B1 zu dem Anschluß Bz, der nach Schließen des Schalters
17 von der Stromquelle 1.8 durch die Vierschichtanord'nung getrieben wird.
Ein Strombegrenzungswiderstand 19 vervollständigt den Löschstromkreis. Der Löschstrom
fließt quer zum Laststrom durch die Viersehiehtanordnung 13,
d. h. also bei
der Anordnung gemäß Fig. 1 zwischen den Anschlüssen 7 und 8 durch die p-leitende
Schicht 4. Die Polung des Löschstromes spielt keine Rolle. Die Stromquelle
18 kann also beliebig gepolt oder auch eine Wechselstromquelle sein. Bei
einer Anordnung mit den Abmessungen der Fig. 1 ließ sich beispielsweise ein zwischen
den Anschlüssen 6 und 9 fließender Lastgleichstrom von 4,5 A durch einen Löschstrom
von 0,3 A unterbrechen. Unter Umständen genügen schon Löschstromimpulse von weniger
als einer Millisekunde Dauer.
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Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement
auch einen anderen Aufbau als das Beispiel gemäß Fig. 1 aufweisen. Das Entscheidende
ist die Kontaktierung einer der beiden mittleren Schichten mit zwei Stromanschlüssen,
die räumlich so angeordnet sind, daß ein zwischen ihnen fließender Strom den Laststrom
kreuzt. Durch diesen Querstrom kann eine solche Veränderung der Stromverstärkungswerte
des Vierschichthalbleiterbauelementes herbeigeführt werden, daß die Bedingungen
für den Durchgang des Laststromes nicht mehr erfüllt sind.