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Steuerbares Halbleiterbauelement mit mindestens drei pn-Übergängen
und mit einer Steuerelektrode Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten
Aufbau eines steuerbaren Halbleiterbauelements mit mindestens drei pn-Übergängen
und mit einer Steuerelektrode, welche mindestens in einer Aussparung einer stromführenden
Elektrode von größerer Fläche liegt, und welches im Sinne eines elektrischen Schalters
nach Art eines Stromtores steuerbar ist.
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Es ist in dieser Hinsicht bekanntgeworden, auf der einen Oberfläche
des Halbleiterkörpers eine kreisllächenförmiGe Hauptelektrode vorzusehen und diese
an ihrer Randzone mit einer von ihrem Umfang ausgehenden kreisflächenförmigen Aussparung
zu versehen sowie in dieser Aussparung eine kreisflächenförmige Steuerelektrode
anzubringen.
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Ein solcher Aufbau und eine solche gegenseitige Zuordnung der Haupt-
und der Steuerelektrode ergeben unter Berücksichtigung der elektrischen Bedingung,
daß zwischen der Steuerelektrode und der Hauptelektrode betriebsmäßig nur ein relativ
geringer Steuerstrom fließt, eine vorteilhafte Ausnutzung der Oberfläche des Halbleiterkörpers
für die Unterbrin'.'un@@ der Hauptelektrode, so daß zwischen den Hauptelektroden,
welche auf den gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers liegen, eine
Strombahn relativ großen Querschnitts gewonnen wird. Die gegenseitige Zuordnung
der Steuerelektrode und der Hauptelektrode können dabei derart sein, daß ein oder
mehrere Umfangsteile der Steuerelektrode gar nicht mehr Umfangsteilers der Hauptelektrode
gegenüberliegen, weil eben auch in diesem Fall noch ein ausreichender Stromweg zwischen
Steuerelektrode und Hauptelektrode für den Steuerstrom gewährleistet ist.
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Immerhin ist es erwünscht, daß das Ansprechen des Stromtores möglichst
ohne Zeitverzögerruncr erfolgt, und hierfür ist es bei anderen Aufbauformen von
Halbleiterstromtoren, bei denen an der einen Oberfläche eine kreisflächenförmige
Gegenelektrode einer kreisflächenförmigen Steuerelektrode gegenüberliegt, vorgeschlagen
worden, der Hauptelektrode und der Steuerelektrode eine solche Form zu geben und
sie in der Weise einander zuzuordnen, daß ein zwischen diesen Elektroden fließender
Strom das Halbleitermaterial mit einer stark inhomoaenen Stromdichte durchsetzt.
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Es ist zu diesem Zwecke beispielsweise vorgeschlagen worden, die kreisflächenförmige
Hauptelektrode in bezug auf die Scheibenform des Halbleiterkörpers exzentrisch anzuordnen
und sie mit einer von der Umfangsform ausladenden dreieckförmIgen Nase auszustatten,
deren Spitze eine kreisflächenförmige Steuerelektrode gegenüberliegt. Bei einer
solchen Aufbauform ergibt sich aber offenbar eine nicht so -iinstiae Ausnutzung
der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers für die Unterbringung einer möglichst
-roßflächiaen Hauptelektrode, wie sie an sich sonst zur Erzielung e;nes großen Querschnitts
für den Stromiibergang zwischen den beiden Hauptelektroden an einem solchen Halbleiterkörper
erreicht werden könnte.
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Ziel der Erfindung ist die Errreichuna eines schnellen, eindeutigen
Einsatzes einer gesteuerten Einleituna der Stromführung über die Hauptelektroden
des Halbleiterbauelements an bestimmten Stellen derselben und die schnelle Ausbreitung
der Übernahme der Stromführung über die gesamte Flächenausdehnung der Hauptelektrode,
welche sich mit der Steuerelektrode an der gleichen Oberfläche des Halb-
leiterkörpers
befindet.
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Bei einem steuerbaren Halbleiterbauelement der eingangs angeführten
Art weist erfindungsaemä ß hierfür die Steuerelektrode und/oder die stromführende
Elel.:trode in ihrer Aussparung Randteile mit stärkerer Krümmung als die anderen
verbleibenden Randteile auf, so daß sich eine inhomogene Stromverteilung zwischen
der Steuerelektrode und der stromführenden Elektrode ergibt. Dieser Effekt läßt
sich erreichen, wenn der Umfang der Steuerelektrode an denjenigen Teilen, welche
dem Umfang der Aussparung der Hauptelektrode gegenüberliegen, aus gekrümmten oder
aus geradlinigen Teilen zusammengesetzt und die Anordnung Gewährleistet ist, daß
Teile stärkerer Krümmung an dieser Umfangsform vorhanden sind, als sie eben, wie
angegeben, z. B. durch die Kreisflächenform vorgegeben wäre. So kann beispielsweise
eine Elektrode benutzt werden,
die eine elliptische Form aufweist
und die Hauptachse dieser Ellipse entweder in einer Verlängerung durch den Mittelpunkt
der Kreisflächenform der Hauptelektrode hindurch verläuft oder auch in Richtung
einer Sehne der Umfangsform der Hauptelektrode liegen kann.
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Es liegt jedoch auch im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung,
die Stellen scharfer Krümmung so weit zu steigern, daß sie jeweils durch die Ecke
einer gebrochenen Linie gegeben ist. Daher kann in weiterer Ausbildung der Erfindung
die Steuerelektrode vollständig oder zum Teil eine vieleckige Umfangsform besitzen.
Bei dieser Vieleckform hat man es dann in der Hand, eine beliebige Anzahl dieser
Ecken mit der Umfangsform der Aussparung der Hauptelektrode zusammenwirken zu lassen.
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Es liegt aber auch im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung, der
Steuerelektrode eine regelmäßige Umfangsform zu geben und an dem Umfang der Aussparung
der Hauptelektrode entsprechende Stellen stärkerer Krümmung vorzusehen, die dann
der regelmäßigen in die Aussparung eintauchenden Umfangsform der Steuerelektrode
gegenüberliegen, um in der erwünschten Weise vorzubeugen, daß der Zeitpunkt der
Zündung des Stromtores oder vollen Stromtragfähigkeit eine unerwünschte Verzögerung
erfährt.
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Es können auch sowohl an der Umfangsform der Aussparung der Hauptelektrode
als auch an der Umfangsform der Steuerelektrode entsprechende Stellen stärkerer
Krümmung vorgesehen werden, so daß also jede der Umfangsformen der beiden Elektroden
einen entsprechenden Beitrag zur Erzeugung einer inhomogenen Stromverteilung im
Übergang zwischen den Umfangsformen der beiden einander zugeordneten Elektroden
liefert.
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Bekannt war ferner bei einem Transistoraufbau eine Elektrode im Sinne
einer Emitter- oder Basiselektrode zu unterteilen in parallel zueinander verlaufende,
elektrisch parallelgeschaltete streifenförmige Einzelelektroden auf entsprechenden
eindotierten Bereichen des Halbleiterkörpers, die auch an gleichen Enden mittels
eines durchgehenden Steges verbunden sein konnten, so daß sie gewissermaßen kammartig
ineinandergreifen, oder ringförmige einander umschließenden Elektroden auf entsprechenden,
einander umschließenden Zonen entsprechenden elektrischen Leitungstyps anzuordnen
und dann parallel zu schalten. Hierbei hat es sich um die Erreichung einer günstigen
Trägerinjektion aus dem Emitter gehandelt, um den Elektroden nur eine solche Breite
zu geben, die in bestimmter Beziehung zur Diffusionslänge der injizierten Ladungsträger
steht.
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Bei einer bekannten Transistoranordnung war in einem Halbleiterkörper
vom n-Leitungstyp eine streifenförmige Aushöhlung mit einem Halbleitermaterial gleichen
Leitungstyps, jedoch geringerer Leitfähigkeit und von einer nur anteiligen Länge
der gesamten Längsausdehnung dieser Seitenfläche, etwa in deren Mitte verlaufend
und sich bis in eine dazu senkrecht stehende Seitenfläche erstreckend, vorgesehen,
auf welcher die metallische Basiselektrode aus Kupfer oder Rhodium angebracht war.
Auf diesen Streifenteil geringerer Leitfähigkeit waren die beiden Spitzenelektroden
aus Phosphorbronze aufgesetzt, welche als Emitter bzw. als Kollektor wirkten. Es
war ferner bei legierten Halbleiterbauelementen zur Erzielung einer großflächigen
Elektrode mit vorbestimmter Gesamtfläche bekannt, solche kleinflächigeren Teilelektrodenkörper
auf den Halbleiterkörper aufzubringen, in ihn einzulegieren und dann elektrisch
parallel zu schalten, daß die mechanischen Spannungen zwischen Halbleiterkörper
und Elektrodenmaterialkörper bei den einzelnen Teilelektroden nach dem Erstarren
so gering bleiben, daß keine Abhebungserscheinungen des Elektrodenmaterials vom
Halbleitermaterial entstehen können.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung an Hand einiger Ausführungsbeispiele
wird nunmehr auf die Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
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Die F i g. 1 und 2 zeigen in zwei einander entsprechenden Rissen,
nämlich im Aufriß und Grundriß, einen Halbleiterkörper 1, der an seiner unteren
Fläche mit einer einlegierten Elektrode 2 und an seiner oberen Fläche mit zwei einlegierten
Elektroden 3 und 4 versehen ist, wobei 3 die Hauptelektrode und 4 die Steuerelektrode
bezeichnet. Der Halbleiterkörper 1 besteht z. B. aus n-leitendem Silizium. In diesem
ist zunächst durch einen Eindiffusionsprozeß eine Mantelzone 1 b von schwacher p-Leitfähigkeit
erzeugt worden, so daß von dem ursprünb lieh n-leitenden Silizium nur noch eine
Zone 1a vorhanden ist. Von der oberen Oberfläche des Halbleiterkörpers aus ist dann
in den Halbleiterkörper 1 ein Graben 5 eingearbeitet worden, der sich bis in die
n-leitende Zone 1 a hinein erstreckt. Auf diese Weise sind aus der ursprünglichen
p-leitenden Mantelzone 1 b zwei getrennte Zonen 1 b' und 1 b" erzeugt worden. Die
einlegierte Hauptelektrode 3 besteht aus einem solchen Legierungsmetall, das sich
bei der Einlegierung der Elektrode ein n-leitender Bereich ergibt, der zusammen
mit dem p-leitenden Bereich l b' einen pn-Übergang bildet. Die Elektrode
4 besteht dagegen aus einem solchen Elektrodenmaterial, daß sie mit der Zone 1 b'
einen ohmschen Kontakt eingeht. Wie aus der Grundrißdarstellung nach der F i g.
2 zu entnehmen ist, hat die Hauptelektrode 3 am Rande eine konkave Aussparung 6
von Kreisflächenform, innerhalb welcher teilweise die Steuerelektrode 4 liegt. Diese
Steuerelektrode 4 ist an ihrer Umfangsform mit dreieckförmigen Ausladungen 7 versehen,
deren Spitzen der Umfangsform 6 der Hauptelektrode 3 gegenüberliegen. Auf diese
Weise wird im angegebenen Sinne erreicht, daß eine inhomogene Stromverteilung im
Stromweg zwischen den Umfängen der Elektroden 3 und 4 vorhanden ist, so daß eine
bevorzugte Einleitung der Zündung des Stromtores durch den Stromübergang zwischen
den Spitzen der Steuerelektrode bzw. den stärker gekrümmten Umfangsteilen der Steuerelektrode
und der Hauptelektrode erfolgt. Gleichzeitig sind aber die Oberfläche und das Volumen
des Halbleiterkörpers in weiter gehender Weise vorteilhaft ausgenutzt, damit sich
eine Strombahn möglichst großen Querschnittes zwischen den beiden Hauptelektroden
2 und 3 des Halbleiterstromtores ergibt.
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In der Abwandlung gemäß der F i g. 3 der Zeichnung ist für die Steuerelektrode
8 eine rechteckige Flächenform benutzt, von welcher zwei der Ecken der kreisförmigen
Umfangsform 6 der Hauptelektrode gegenüberliegen.
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Wie die F i g. 4 zeigt, kann statt dessen auch eine solche gegenseitige
Zuordnung zwischen einer Steuerelektrode
von rechteckigem Querschnitt
9 stattfinden, daß die Ecken der kürzeren Seite des Rechtecks der kreisförmigen
Umfangsform der Aussparung 6 der Hauptelektrode 3 gegenüberliegen.
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Nach der F i g.5 @ hat der Eleltroden%örper der Steuerelektrode
10 die Umfangsform eines nleicliseitigen Dreiecks. Von dieser liegen die zwei Ecken
einer Seite des Dreiecks der Umfangsform 6 der Aussparung der Hauptelektrode gegenü'oer.
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Nach der F i ;r. 6 ist die Dreieckform 11 der Steuerelektrode in gegenüber
derjenigen nach der Fig.5 abweichender Weise der Umfan «sforrii 6 der Hauptelektrode
zu,:eordnet, nämlich derart, daß alle drei Ecken des gleichseitigen Dreiecks der
regelmäßigen Umfangsform 6 der Aussparung gegenüberliegen. In diesem Fall ist außerdem
noch Nutzen daraus gezogen worden, daß sich bei der Anbringuna einer solchen kreisflächenförmi,ren
Aussparung 6 vom Umfang der Hauptelektrode 3 in deren Kreisflächenform hinein zwei
scharfe Ecken an den Schnittstellen der beiden Kreisformen ergeben. Diesen beiden
scharfen Ecken, die sich als Schnittlinien von 6 und der Umfangsform von 3 ergeben,
liegen zwei der Ecken des gleichseitigen Dreiecks 11 gegenüber.
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Die F i g. 7 und 8 veranschaulichen Ausführungsformen unter Anwendung
der Erfindung, v#=obei nach der F i-. 7 die Steuerelektrode 12 eine Trapezform,
die Steuerelektrode 13 nach der F i g. 8 die Umfangsform eines Sechskantes besitzt.
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Nach der F i (y. 9 ist die Aussparung der Hauptelektrode 3 nicht mehr
derart gewählt, daß sie durch einen Kreisbogen bestimmt ist, sondern diese Umfangsform
14 der Aussparung ist rommehr mit drei Spitzen 15 bis 17 versehen worden, und in
der Aussparung selbst ist eine Steuerelektrode 1$ von rhombischer Umfaii"sform angeordnet.
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Nach der F i g. 10 ist die Hauptelektrode 3 mit einer vieleckigen
Aussparung 19 versehen, und in diese Aussparung ist eine Elektrode 20 von rhombischer
Flächenform angeordnet, wobei die Ecken dieses Rhombus entsprechenden Ecken der
Vieleckform 19 gegenüberliegen.
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Nach der F i a. 11 ist in der Kreisfläche der Hauptelektrode 3 am
Umfang eine trapezförmige Aussparung 21 vorgesehen. In dieser Aussparung ist eine
vieleckige Steuerelektrode 22 von rhombischer Form derart angeordnet, daß zwei ihrer
Ecken den Spitzen 23 bzw. 24 der Hauptelektrode in deren Kreisumfang gegenüberliegen
und eine ihrer Spitzen der größeren Grundlinie 25 der trapezförmigen.Aussparung
gegenüberliegt.
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Die F i g. 12 veranschaulicht eine Lösungsform, nach welcher die vom
Umfang in die geometrische Grundform der Hauptelektrode 26 eingreifende Steuerelektrode
27 eine regelmäßige kreisförmige Umfangsform besitzt, während nunmehr der innere
Umfang der Aussparung von 26 mit Spitzen 28 versehen ist, die dem Umfang der Steuerelektrode
27 gegenüberliegen.
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Wenn der Gegenstand der Erfindung auch in Verbindung mit einer Anordnung
beschrieben ist, bei welcher der Hauptelektrode nur eine Steuerelektrode zugeordnet
ist, so ist die Erfindung jedoch auf die Anwendung bei einer solchen Ausführung
nicht beschränkt, sondern auch dann geeignet, wenn gegebenenfalls einer Hauptelektrode
an der gleichen Oberfläche des Halbleiterelements mehrere solche Steuerelektroden
zugeordnet sind.