DE1464971A1 - Halbleiterschalter - Google Patents

Description

General Bleotrio Company, Soheneotady H.Y./USA

Halbleiterschalter

BIe Erfindung betrifft die Art von Halbleiterschalter!!, die zwischen zwei Impedanzzuständen geschaltet werden können, d.h. zwischen einer hohen und einer niedrigen Impedanz. Ianbesonderen betrifft die Erfindung solche Sohalter, die von einem Zustand niedriger Impedanz in einen Zustand hoher Impedanz und von einem Zustand höher Impedanz in einen Zustand niedriger Impedanz geschaltet werdin können. Anders ausgedrückt betrifft die Erfindung solche Halbleiterschalter, die von einem sehr gut leitenden Zustand in einen sehr schlecht leitenden Zustand (gesperrt) und ebenso von dem vornehmlich nicht leitenden Zustand in den gut leitenden Zustand (durohgesohaltet) gebracht werden können. Die Erfindung bezieht sich auf ein Viersohioht-Halbleitersohalteiment pnpn oder npnp, das als Halbleiter-ffate-a?urnoff-Sohalter bekannt ist und weiter unten als GTO bezeichnet wird.

Halbleiterschalter sind ein wesentlicher Bestandteil einer Vielzahl von Steuereinrichtungen geworden, besonders die als gesteuerte Silizium-Gleichrichter bekannten pnpn-Trioden. Der Halbleiterschalter wird zu einem aktiven Element in einer Schaltung, indem zwei seiner drei Anschlüsse (seine Anoden- und Kathoden-Ansohlüsse) in den zu steuernden Kreis geschaltet werden.In gesperrten Zustand wirkt der Halbleiterschalter wie ein Bauelement mit hoher Impedanz. Abgesehen von einem sehr kleinen Beststrom wirkt der Halbleiterschalter wie eine Unterbrechung. Im leitenden Zustand wirkt or wie ein

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Bauelement mit sehr kleiner Impedanz (nahezu wie ein Kurzschluss).

Um pnpn-Halbleiterschalter leitend zu machen, wird gewöhnlich ein Strom in eine dritte Elektrode, die sogenannte Steuerelektrode, geschickt, der den durch den Halbleiterschalter flieesenden Stromfcrhöht und ihn damit leitend macht. Dieser Vorgang wird in der Praxis als Triggern oder Durchsteuern bezeichnet. Wenn der Halbleiterschalter in den gut leitenden Zustand gesteuert ist, hat die Steuerelektrode nur noch geringen Einfluss. Das einzige Verfahren, den Halbleiterschalter wieder zu sperren, besteht darin, den Strom zwischen Anode und Kathode, dem Hauptstrompfad, unter eine bestimmte Grosse, den sogenannten Haltestrom ,zu senken.

Diese pnpn-Halbleiterschalter sind so empfindlich*!ausgebildet, daß sie schon durch kleinste Injektionsströme über die Steuerelektrode leitend werden. D.h., sie sind so ausgebildet, daß äußerst kleine Steuerströme ausreichen, um sie von dem Zustand houdr Impedanz in den leitenden Zustand zu steuern. Es ist jedoch äußerst schwierig, den Halbleiterschalter durch Stromentzug an der Steuerelektrode von dem leitenden in den gesperrten Zustand zu schallen. Einige Versuche, die Halbleiterschalter durch Strometzug über die Steuerelektrode zu sperren, waren mcht erfolgreich. Das Ergebnis dieser Untersuchungen waren Halbleiterschalter, die sehr gut auf Sperrsignale oder Impulse ansprechen. Bei den meisten Halbleiterschaltern jedoch ist die Höhe der Ströme, der durch Impulse auf die Steuerelektrode abgeschaltet werden kann, stark begrenzt. Ziel der Erfindung ist es, Halbleiterschalter mit hoher Ansprechempfindlichkeit auf Sperrsignale zu schaffen. und eine Erhöhung des Kathoden-Anodenstromes zu erreichen, der duroh einen Sperrimpuls oder ein Signal auf die Steuerelektrode abgeschaltet werden kann.

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Um die Sperrvrirkung eines Vierschioht-pnpn-Halbleitersohalters zu verstehen, muß man zunächst einmal einige Wirkungeprinzipien und Eigenschaften von Vierschicht-Halbleitertrioden verstehen. ; Die Wirkungsweise dieser Vorrichtungen ist an sich bekannt· Einige Punkte der Wirkungsweise dieser Vorrichtungen sind jedoch so entscheidend für ein Verständnis der Erfindung, daß hier eine etwas vereinfachte physikalische Bescheibung der Wirkungsweise gegeben werden soll.

Sas Kernstück des Vierschicht-Halbleitersahalters ist im _M

allgemeinen eine Pille aus monokristallinem Halbleitermaterial, ™ wie z.B. Silizium, die vier abwechselnd entgegengesetzt dotierte Schichten enthält, d.h. vier Schichten, die abwechselnd einen Überschuss an positiven Löchern (P-Material) und einen ÜbersohusE an negativen Elektronen (N-Material) mit einem pn-übergang zwischen den Schichten aufweisen. Deshalb Reiset die Vorrichtung pnpn oder npnp-Halbleiter, wodurch gleichzeitig die Reihenfolge der entgegengesetzt dotierten Schichten angegeben ist. Der Schalter besitzt zwei Hauptanschlüsse, die jeweils an zwei äußere Schichten der vier Schichten angeschlossen sind und eine Steuerelektrode an einer mittleren Schicht.

Einer der einfachsten Wege zum Verständnis der prinzipiellen λ Wirkungsweise ist, sich eine Vierschicht-pnpn-Triode (Fig. la) aus einem pnp- und einem npn-Transistor (Mg. Ib bzs. Ic) zusammengesetzt zu denken, wobei der mittlere Übergang I und die beiden Mittelschichten beiden Transistoren gemeinsam sind. Die den Hauptstrom führenden Elektroden sind an die äußeren Schichten der Vierschichttriode angeschlossen, so daß an je einer Aussenschicht jedes gedachv-ten Transistors eine Hai|±elektrode angeschlossen ist. Die Vierschichttriode hat eine Steuerelektrode L^, die an eine der mittleren Schichten

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angeschlossen ist, so daß die Steuerelektrode einmal an der äußeren Schioht des gedaohten (pnp-Traneietore), die gegenüber der Schicht liegt, an die die Hauptelektrode angeschlossen ist, und zum anderen an der mittleren oder Basisechicht dee anderen gedachten npn-Transistors befestigt 1st.

Jetzt wird an die ^-dotierte Endschicht des pnpn-Halbleltersohalters ein positives Potential und an die n-dotierte Bndschicht ein negatives Potential gelegt. Man sieht, daß

to die Übergänge zwischen den beiden äußeren Endsohiohten (an beiden Enden) zu leiten versuchen, wohingegen der mittlere Übergang I zwischen den n- und p-dotierten Schichten den Strom durch den Halbleiterschalter zu sperren sucht. Hit anderen Worten, jeder der beiden gedachten Transistoren, aus denen der pnpn-Halbleiterschalter zusammengesetzt gedacht werden kann, hat einen Übergang, der den Strom duroh den Halbleiterschalter zu sperren suoht. Der pnpn-Halbleitersohalter kann auch leitend gemacht werden, in dem eine so hohe Spannung angelegt wird, daß der mittlere Übergang I gewaltsam leitend wird. Er kann auch dadurch leitend gemacht werden, daß ein Strom in geeigneter Höhe über die Steuerelektrode in eine der mittleren Schichten geschickt

^ wird, der den Ladungszustand des mittleren Übergangs I ändert.

Der insgesamt in dem pnpn-Gebilde fliessende Strom kann ab die Summe der Sturne in jedem der einzelnen gedachten Transistoren-Teile aufgefasst werden. Ob in jedem Teil Strom flieset, hängt davon ab, ob in die Basis des einen ein Strom aus dem anderen Teil flieset. D.h., der pnp-Teil leitet, wenn

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ein Elektronenstrom von der η-dotierten Endsohioht in die η-dotierte Inneneohioht (Basis des pnp-Transistors) flieset, während der npn-Teil leitet, wenn ein löoherstrom von der p-dotierten Endsohioht in die p-dotierte Innensohioht (Basis des npn-Transistors) flieset. Ohne diese Ströme kann die zur Unterstützung eines Stromes in der Übergangszone I erforderliche Ladung nioht aufrechterhalten werden.

Die Bedingungen dafür, daß die Vorrichtung leitend wird, können den Beziehungen für die Stromverstärkung der einzelnen Teile entnommen werden. In der fat ist der Begriff der StromverstärkungOC eines jeden Transistorteiles (d.h. eines Jeden feiles des gesamten pnpn-uebildes) so grundlegend zum Verständnis der Sperrverstärkung, daß hier eine Erklärung dieses Begriffes eingeschoben werden soll. Die Stromverstärkung A ist definiert als der Bruchteil des in den Emitter eines jeden Transistors flieseenden Stromes, der den Kollektor des Transistors erreicht. Hit anderen Worten, in dem gedachten pnp-Transistor bestimmt die Stromverstärkung cC_On_ den Bruohteil des Stomes durch den Emitter (die p-dotierte Endsohioht, an der die positive Spannung liegt), der den Kollektor erreioht (d.h. die p-dotierte Mittelschicht, die negativ vorgespannt ist). g

Somit ist (H durch das Verhältnis von Kollektor - zu Emitterstrom definiert, und in diesem Transistorteil besteht der Strom überwiegend aus Löchern. Die Stromverstärkung ^_0n des gedachten npn-Transistorteils bestimmt den Bruohteil des Stromes durch den Emitter(die η-dotierte Endsohicht, die negativ vorgespannt ist), der den Kollektor (die η-dotierte innere Schicht, die positiv vorgespannt ist) erreicht.

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Der durch den pn-übergang I flieseende Gesamtetrom der Vorriohtung setzt sich aus dem LöoheBtrom von der p-Zone am einen Ende, dem Elektronenstrom aus der η-Zone am anderen Ende und einem Best- oder thermisch erzeugten Strom zusammen. Bekanntlich ist eine Vierschichttriode leitend, wenn die Summe der Stromverstärkungen (^) der beiden Transistorteile 1 ist, und nicht leitend, wenn die Summe der Stromverstärkungen der beiden Transistoren kleiner als 1, z.B. o,9 ist. Die Stromverstärkungen («*·_ΌηΌ und K __Όη) steigen mit der Kollektor-Emitterspannung, aber nur sohwach, bis die Viersohiohttriode (die normalerweise sperrende Schicht I) zusammenbricht, so daß ein nennenswerter Strom fIiesst. Die Stromverstärkung steigt dann ebenso schlagartig wie der Emitterstrom an.

Die Steuerelektrode, die an der inneren p-Zone angeschlossen werden kann, bietet eine wirksame Möglichkeit, den Emitterst rom zu erhöhen, d.h. , daß der Emitterstrom leicht erhöht werden kann, indem über die Steuerelektrode ein Strom I geschickt wird.

Wie der Halbleiterschalter¹; von dem Zustand hoher Impedanz in den Zustand niedriger Impedanz geschaltet wird, ist somit leicht einzusehen. Wie oben angedeutet, ist auch einzusehen, daß der Halbleiterschalter aus dem eingeschalteten Zustand (Zustand niedriger Impedanz) geschaltet werden kann, indem der der Basis eines Transistorteiles zugeführte Strom soweit erniedrigt wird, bis der Übergang I wieder zu einer Sperrschicht, d.h. ungesättigt, oder entgegengesetzt, vorgespannt wird. Dies läßt sich dadurch erreichen, daß d* Spmnnung soweit herabgesetzt wird, bis der erforderliche

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Strom nicht mehr aufrechterhalten werden kann.

Eine andere Möglichkeit wäre, der Steuerelektrode Strom zu entziehen· Dadurch werden der inneren p-dotierten Basiszone positiv· Ladungsträger entzogen, und die Spannung an dem BmitterÜbergang wird reduzierrt, was wiederum den Strom negativer Ladungsträger von der η-dotierten Endzone vermindert und den Übergang^ verarmen läßt. Db verminderte Spannung an dem Obergang I vermindert den Elektronenetrom in die innere Endzone %

und auoh den Strom positiver Löcher von der p-dotierten Emitterendzone. Wenn der entzogene Steuerelektrodenetrom goss genug ist, dann sperrt der mittlere Obergang I wieder. Dies vollzieht sfch in sehr kurzer Zeit, z.B. in einigen MikroSekunden. Dieses zuletzt genannte Verfahren zum Sperren eines pnpn-Halbleiterschalters wird in den meisten Fällen nicht angewandt, da der Strom, der über die Steuerelektrode entzogen werden muß, um den Schalter auszuschalten, in die Grrössenordngng des Schaltetromes kommt. Zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens einer praktischen Ausführung eines Halbleiterschalter sei noch einmal auf das gedachte Transistorpaar der Pig. 1, Ib und Ic Bezug genommen. Unter der Annahme, daß die Steuerelektrode an die mittlere F-Zone (Basiszone) " des npn-Traneistors (Fig. Ic) angeschlossen und der Halbleiterschalter leitend ist, wird ein Teil des Stromes durch den Halbleiterschalter von dem pnp-Transistor geliefert, während die Höhe dieses Stromes von der Stromverstärkung dL_Om) abhängt. Wenn der pnp-Transistorteil des Halbleiterschalters einen viel grösseren Strom liefert als air Aufrechterhaltug der Sperrwirkung des mittleren Übergangs I erforderlich ist, dann wird es sehr schwierig, genügend Strom über die Steuerelektrode zu entziehen, um den Schalter auszuschalten. Tatsächlich

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könnte der unter diesen Bedingungen über die Steuerelektrode entzogene Strom erst den zum Ausschalten erforderlichen Wert erreichen, wenn er dem Schalterstrom selbst nahecu gleich ist. Daraus folgt, daß die Stromverstärkung der pnp-Zone soweit vermindert werden muß, daß sie gerade wenig mehr als den Strom liefert, der zur Aufrechterhaltung der Leitfähigkeit des mittleren Überganges I_n erforderlich ist, wenn kein Steuerelektrodenstrom flieset. Die erforderliche Strombegrenzung wird erreicht, wenn die Stromverstärkung des Halbleiterschalters fe ungefähr gleich null gemacht wird.

Es wurde schon darauf hingewiesen, daß als Voraussetzung für ein Einschalten des Halbleiterschalters die Summe der Stromverstärkungend und OC _n der gedachten Transistoren ungefähr 1 sein muß. Wenn also die Stromverstärkung des pnp-Teiles des Halbleiterschalters, ungefähr null sein soll, muß die Stromverstärkung des npn-Teiles des Halbleiterschalters ungefähr 1 sein. Ein Halbleiterschalter,der leicht ausgeschaltet werden kann, ergibt sich, wenn das Verhältnis der Stromverstärkung des pnpn-Transistorteiles zur Stromverstärkung des pnp-Teiles in der Grössenordnung von Io und höher liegt.

ρ Ein oft verwendeter Parameter, der angibt,wie leicht ein solcher Schalter ausgeschaltet werden kann, wird "Ausschalt-Verstärkung" genannt. Die "Ausschalt-Verstärkung" kann als das Verhältnis des Laststromes, wenn der Schalter eingeschaltet ist, zu dem Steuerstrom definiert werden, der erforderlich ist, umjclen Schalter auszuschalten. In einer praktischen Ausführung wird ein Laststrom von 6oo mA mit einem Steuerstrom von 8 mA ausgeschaltet, so daß siech eine Ausschaltverstärkung von 75 erg-ibt.

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Entsprechend der oben beschriebenen Richtlinie, sind Fachleute daran gegangen, die Stromverstärkung eines dieser gedachten Transietoren (*·_υηϋ) in der dargestellten Ausführung herabzusetzen, us die Ausschaltverstä&rkung zu erhöhen.

TJm dieses Ziel zu erreichen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, aber eine der besten zur Verminderung der Stromverstäkung einer Dreischiohttriode ist, den Dotierungsgrad eines *r Emitter der Vorrichtung zu begrenzen. Jedooh sogar bei einer hohen Ausschaltverstärkung kann die Höhe des Laststromes, der mit

Hilfe eines Stromimpulses auf die Steuerelektrode ausge- λ

schaltet werden kann, stark begrenzt sein.

In den meisten praktischen Ausführungen ist diese Begrenzung die folge eines hohen Querwiderstandes in der Sohicht, an der die Steuerelektrode angeschlossen ist (hier Steuersohioht genannt) und besonders in der Zone unmittelbar unter der Emitterschüit. Biese Wirkung kann in manchen praktischen Ausführungen noch dadurch verstärkt sein, daß der Halbleiterschalter so aufgebaut ist, daß !Teile der in frage kommenden Emittersohicht sich zu weit von einer Steuerelektrode befinden. Der hohe Widerstand in dieser Zone (der Steuerschicht) hat mindestens zwei nachteilige Auswirkungen, die , in gewisser Beziehung zusammenhängen. Erstes hat der hohe I

Widerstand einen Spannungsabfall in der Steuerschürt seitwärts unter der Emitterschicht zur Folge, wenn ein Aussohaltstrom flieset, der die ganze Emittersohicht daran zu hindern sucht, in den Sperrzustand zurückzukehren, und zweitens erzeugt ein hoher Ausschaltstrom in der Zone mit einem hohen Widerstand ehe solche Hitze, daß die Steuerelektrode oder der Steueranschlusa dadurch zerstört werden kaönnen. Wenn im ersten Fall ein Teil des Smitterüberganges nicht in den Sperrzustand zurtiokkehrt, flieset der gesamte Laststrom durch diesen Teil des Überganges, der leitend ist). Infolge der hohen Stromdichte

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läßt sich der Halbleiterschalter noch schwieriger durch einen Steuerstrom ausschalten. Wenn andererseits das Material in der Steuerschicht unmittelbar neben dem Emitterübergang einen niedrigen Widerstand hat, dann ist der seitliche Spannungsaliall unter dem Übergang klein, und die ganze Schicht kann leicht mit Hilfe eines Steuerstroms gesperrt werden. In Halbleiterschalter!! mit einer eindiffundierten Steuerschicht ist der Widerstand an der Schichtoberfläche (hoher Dotierungsgrad) niedrig und steigt exponentiell ( der Dotierungsgrad fällt exponentiell) in Richtung auf die nächste Schicht. Somit ist die Empfindlichkeit an der Oberfläche niedrig und unter dem Emitterübergang höher.

Die Erfindung löst diese Probeleme durch Anwendung eines verhältnismäßig niederohmigen Materials unter dem betreffenden Emitterübergang, während in einer bevorzugten Ausführung eine gleichförmige Widerstandsverteilung über die ganze Steuerschult durch epitaxiale Anordnung dieser Schicht erreicht wird.

Es wird ein Vierschichthalbleiterschalter mit einer niederohmigen (vorzugsweise gleichförmigen), nicht entarteten Steuerschicht geschaffen, mit dem ein höherer Laststrom abgeschaltet werden kann. In einer bevorzugten Ausführung ist der Halbleiterschalter so aufgebaut, daß der Abstand zwischen allen Teilen der Emitterschicht oder -schichten und der angrenzenden Steuerschicht und einer Steuerelektrode oder Steuerelektroden verringert wird.

Sowohl der Aufbau als auch die Vorteile der Erfindung können der folgenden ausführlichen Beschreibung anhand der beiliegenden Zeichnungen entnommen werden.

In den Zeichnungen ist:

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U64971

Pig. IA eine schematische Darstellung eines Vierschicht-pnpn-Halbleiterechalters mit drei Anschlüssen, wie sie in der Beschreibung und Erklärung der Erfindung (einschliesslich der obigen Beschreibung) verwendet wird.

Pig. IB und IC aus der Vierschicht-Halbleiteranordnung von Pig. IA abgeleitete, gedachte pnp- und npn-Transistoren, die einzeln untersucht und in obiger Erläutortung der Grundlagen des Vierschichtschalters gemäß der Erfindung überlagert werden. _/

Pig. 2 eine graphische Darstellung errechneter Werte der Ausschaltverstbkung P_„_ aufgetragen über dem Verhältnis ▼on Lastetrom I zu Haltestrom Igfür einige Werte des Emitter-Gehaltefaktors und)J

_E2

Pig. 3 uid 4 bildliche Darstellungen von gesteuerten Halbleiterschaltern, zusammengesetzt aus Vierschicht-Halbleiterpillen, wobei jeder entsprechend der Erfindung aufgebaut ist.

TTm α nun Vierschicht-Halbleiterschalter besser verstellen zu können, insbesondere ihren Ein- und Ausschaltmechanismus, und somit die Erfindung, wird eine einfache eindimensionale Vierzonenpnpn-Struktur «ntereucht, die in Pig . IA schematisch dargestellt ist. Zuvor sei jedoch darauf hingwiesen, daß ein Halbleiterschalter durch ein eindimensionales Modell nicht exakt beschrieben werden kann, es sei denn, bei sehr niedrigen Strömen. Die Untersuchung gewährt jedoch einen beträchtlichen Einblick in die Probirne des Ein- und Ausschaltens solcher Schalter..

Wie oben ausgeführt, sind an den beiden Endzonen des in Pig. IA dargestellten Vierschicht-HalbleJtersehältBrs Kontakte.und eine

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Steuerelektrode an eine der Basisschichten (die innere p-Zone) ..angeschlossen. An den Schalter sei eine äußere Spannung angelegt, die an der p-Endzone positiv und an der n-Endzone negativ ist. Bei dieser Polarität fliesst der Strom in die durch die Pfeile angedeutete Richtung durch den Schalter, von der äußeren p-dotierten Zone zu der äußeren n-dotierten Zone. Der in die äußere p-dotierte Zone fliessende Strom ist mit Ι«™?» ^{der aus der} äußeren η-dotierten Zone flieseende Strom mit 1™ und der in die Steuerelektrode fliessende Strom mit 1 bezeichnet. Wie oben ist die Stromverstärkung für die pnp-Zone mit °^ρ_ητ) und die Stromverstärkung für die npn-Zone mit^_ηΌη bezeichnet. Bei Vernachlässigtalg der Bestströme können folgende Gleichungen zur Beschreibung der Ströme im eingeschalteten Zustand des Schalters aufgeschrieben werdend:

< ^χ-%η) ¹

El

aufgelöst nach I_E2 ergibt sich/
* (3)

oC + Λ
npn pnp

Zur Bestimmung der Einschaltbedingungen sei der Schalter als leitend angenommen. Dabei fHesse ein äußerer Laststrom, der im wesentlichen durch die Höhe der außen angelegten Spannung und den Widerstand der in den Schaltkreis geschalteten

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Last bestim* ist. Wie βοhoη angedeutet, verhinder der mittloe pn-übergang I , d.h. der Übergang zwischen den inneren p- und n-Zonan, normalerweise das Pliessen eines- Stromes in der

angedeuteten Richtung. Wenn ein Strom Wieset, dann baut sich

an der Schicht I eine Spannung auf, die dan Strom durch die

Schicht aufrecht erhält oder unterstützt. Mit anderen Worten, die Sichtung der Spannung an der Übergangssohioht ändert sich von ihrer Sperrichtung im nichtleitenden Zustand in die

Durchlassrichtung im leitenden Zustand. Man sieht abo,

daß sich die Spannungen der Übagangssohioht ändert. !Durch j

diesen Vorgag ändert sich der Strom in dem Halbleiterschalter und die Summ ens troraverstäücungGi. der beiden Teile des Halb-

leitersohalters. Ist die Vorrichtung einmal leitend, dann ist die Änderung voncC_e so gerichtet, daß genau soviel Basisstrom für jeden Transistorteil geliefert wird, wie zur Aufrechterhaltung des Laststromes erforderlich ist. Fliisst in die eine der

beiden Basen kein Stern mehr, dann sinkt der Laststrom so

lange, bis die Stromverstärkungenot, sich wieder von selbst

einstellen (erhöhen) können.

!Für einen bestimmten Laststrom gibt es einen maxiaal
möglichen Wert für jede Teilverstärkung CC. Wenn die Stromentnahme über die Steuerelektrode erhöht wird, fällt et (j des npn-Teils (an dessen Basis die Steuerelektrode angeschlossen ist) solange, bis (θ^_υη + ^ηυ^ ^^β^^{ηβΓ β}^³ 1 ist. In diesem
Augenblick sperrt der Halbleiterschalter.

Zur Bestimmung des Steuerstromes I„, der zum Abschalten eines bestimmten Laststroms Lg₂ erforderlich ist, sei angenommen,
daß die Stromverstärkungen ihren Maximalwert (für die Ströme

E2 und Ig₁ ) aufweisen. Jetzt habe I·™« einen minimal möglichen

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Wert Ij, bei dem Steuerstrom I«, und Ig sei der zur Aufrechterhaltung des leitenden Zustandes des Schalters erforderliche Haltestrom bei Iq= 0. Sie Ausschaltfähigkeitβ sei als das Verhältnis der Änderung des mtoimalen Haltestromes zum Steuerstrom I„ definiert. Dieser Parameter wid manchmal Ausschaltverstärkung genannt, wie oben angedeutet, hier sei aber die Aus schal tveretärlcung definiert als das Verhältnis des Laststromes zu dem Steuerstrom, der zu dessen Abschaltung erforderlich ist. Der Parameter Ausschaltfähigkeit wird für wichtig gehalten, weil er die indexing des Haltestromes 1„ P bei verschiedenen Lastetrömen angibt. Die folgende Gleichung ist die Definitionsgleichung der Ausschaltfähigkeit des Halbleiterschalter:

(4)

aus I ^% χ

¹G G ¹M

Durch Einsetzen der Gleichung 3 vnn oben ergibt sich die Ausschaltfähigkeit zu

pder wenn I„ viel grosser ist als I„

(6) ρ aus ""J + qC -1 ^κ

npn pnp

Ss zeigt sich, daß dies genau der Ausdruck für die Ausschaltverstärkung ist, der sich ergibt, wenn man von ibiger Definition

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ausgeht. Dies ist natürlich auch zu erwarten, da die Definition der Ausβehaltverstärkung den Haltestrom I„ von vornherein vernachlässigt und Grleich£ung (6) unter der Annahme erhalten wurde, daß die Verhältnis/~H\ vernachlässigbar ist. *"'

Diese Gesetzmäßigkeit, nach der sich die Stromverstärkungen mit dem Strom ändern, ist nicht bekannt. Versuche haben ergeben, daß es möglich ist, bereite bei mittleren Strömen beide Stromverstärkungen gegen 1 gehen zu lassen,(z.B. als Folge eines Peldaufbauefduroh einen Strom mit ohmischem Leitungsmechaniemue). Unter diesen Bedingungen wird die Abschaltverstärkung ebenfalls ungefähr =» 1. Es ist dann auch klar, daß die Ausschaltverstärkung erhöht werden kann, wenn Mittel gefunden werden können, mit denen die Stromverstärkungen oc_n__n oder <* ,«υ oder beide vermindert werden können. Nach Gleichung (6) ist klar, daß man eine bessere Ausschaltverstärkung ehält, wennöL vermindert wird.

Eine Betrachtung der Gleichung (6) für die Ausschaltveistärkung zeigt, daß die Summe der einzelnen SicomverStärkungen«^ und <*-_Όητ) «^ 1 sein muß, im eine maximale Ausschaltverstärkung zu erhalten, und daß eine hohe Ausschaltverstärkung erzielt werden kann, wenn Haßnahmen zur Verminderung jeweils einer oder beider Stromverstärkungen gs. getroffen werden. Da«, (entsprechend der dargestellten Ausführung) im Zähler erscheint, ist es klar, daß sich die beste Wirkung erzielen läßt, wenn ¹⁰³¹¹^p₁₁₁, vermindert. Aus den Gleichungen " ist auch zu ersehen, daß zum Einschalten eines pnpn- oder npnp-Halüteiterschalters (vom Zustand hoher zum Zustand niedriger Impedanz) die Stromverstärkung oL zumindest eines

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feil» dee Halbleitereohaltere mit dem Strom ansteigen muß. Dae heißt, da» die Summe der Stromverstärkungen«*. _ zur Srsielung einer Einsohaltverstärkung grosser sein muß als 1, aber zur Erzielung einer Aussohaltverstärkung kleiner sein muß als 1, ist es klar, daß zumindest ein Transietorteil einQL haben muß, das sioh mit dem Strom ändert, wenn wowohl eine Sin- as auoh eine AusschaltrerStärkung erreioht werden soll.

Sine Möglichkeit, die AussohaltverStärkung des Halbleitersohalters zu erhöhen, ist die, die eine Stromverstärkung ) so weit zu vermindern, daß ihr Maximalwert nahezu

. IP. Hull (z.B. o,l oder niedriger) wird, und die andere

Stromverstärkung so einzustellen, daß sie sofirt mit dem Lastetrom bis auf einen Wert ansteigt, der so nahe wie , möglich bei 1 liegt. Bekanntlich setzt sich die Stromverstärkung <* eines Viersohioht-HalbleiterBchalters im wesentlichen aus zwei Parametern zusammen, nämlich dem Emitter-Gehaltsfaktor If und dem Transportfaktor T, wobei Xeinfach das Produkt dieser beiden Grossen ist.

(7) Λ « Ϊ * T

Jetzt wird t im wesentlichen durch die relative Konzentration der Verunreinigungen der Schichten zu beiden Seiten des betrachteten Übergangs bestimmt, und ist bei nicht zu hoher oder zu niedriger Trägerinjektion durch folgende Gleichung gegeben:

(8) * ¹

1 ♦ i-LÜ

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Dabei sind L_g die Diffusionslänge der Minor!tatsträger auf der Emitterseite des Übergangs, W₁₃ dl· Baeisdioke und C₁ und C jeweils die Leitfähigkeiten der Basis- .und Emitterzonen. Im Paile der Erfindung kann die Emitterdioke W™ duroh die Diffusionslänge Lg ersetzt werden, da die Emitterdioke normalerweise kleiner als eine Diffusionslänge ist.

Jetzt sollen die Möglichkeiten zur Verminderung der Stromverstärkung d- untersuoht werden. Eine Möglichkeit zur Verminderung einer Stromverstärkung«*., z.B. ou~ , wäre, den Emittergehaltsfaktor |f-g₂ des pnp-Teiles niedrig zu machen (vergl. Gleichung (7). Dieses Verfahren ist in ?ig. 2 der Zähnungen graphisch veranschaulicht, wobei erreichiete Werte obr Aussohaltfähigkelt ^_aus über dem Verhältnis von Laststrom zu Haltestrom für einige Werte des Emitter-Gehaltsfaktors X_E2 aufgetragen sind. Deshalb mit o,9 als konstant angenommen, wahrenden

folgende Form haben soll:

exp (-

wobei Iq der Strom fet, bei dem der Halbleiterschalter ausschaltet. Der Haltestrom Ig ergibt sich unter der Bedingung

In JL&2-

¹ " d· npn

so daß

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ί¹¹) <Vp=Ve2 «»["Γ

Ιττ χ · _Ε2

1 - *■

ηρη

wird.

Man beachte, daß die Form ^vonCL angenommen ist. Diese Annahme braucht nioht allgemeingültig zu sein, es gilt jedoch als sicher, daß <*· sich in grober Näherung exponentiell mit dem Emitterstrom ändert. Sie Kurven zeigen, daß bei tonen Werten des Emitter-GehaltsfaktorsK die Ausschaltverstärkungen niedrig sind. Weiterhin fällt die Ausschaltverstärkung bei gegebenem Gehaltsfaktor mit steigendem Strom, aber bei irgendeinem Minimalwert für jeden Emitter-Gehaltsfaktor beginnt der Kurvenverlauf sich zu verflachen.

Nun zur Verminderung der Stromverstärkung. Aus den Gleichungen (7) und (8) ist jeweils zu ersehen, daß die Stromverstärkung direkt proportional dem Emitter-Gehaltsfaktoräf und dem Emitter-Gehaltsfaktor eine Funktion der Leitfähigkeit der Ba;:ls«"^ und des Emitters «^, ist. Der Emitter-Gehaltsfaktor fällt mit dem Ansteigen des Verhältnisses von Basis- zu Emitterleitfähigkeit und wie schon erwähnt wurde, die Aussohaltverstärkung steigt mit fallendem Emitter-Gehaltsfaktor.

In den Figuren 3 und 4 werden nun Halbleiterschalter (GTO's) Io und 25 gezeigt, die nach den Grundlagen der Erfindung aufgebaut sind. Der Halbleiterschalter Io in Fig. 3 ist mit drei GruppenVon Leitungen und Anschlüssen 11 bis 11b, 12 und 13 bis 13c versehen, mit denen der Halbleiterschalter in den gewünschten Stromkreis geschaltet werden soll.

Die Hauptanschlüsse 11 bis 11b werden in den Hauptstrorikreis der Sohaltung geschaltet, in der der Halbleiterschalter verwendet wird und so angeschlossen, daß die Kathodenanschlüsse 11 bis 11b

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miteinander verbunden und negativ in Bezug auf den Anodenaneohluee 12 sind. Die Steueransohlüsee 13 bis 1? ο liegen an einer Stromquelle, die ein (relativ zur kathode) positive» Äineohaltsignal liefert, wenn der Strompfad zwischen den HauptansohlÜBsen 11 bis 11b und 12 leitend (eingeschaltet) werden soll, und die ein (relativ zur Kathode) negatives Aussoaalteignal liefert, wenn der innen Strompfad zwischen den Hauptanschlüssen 11 bis 11b und 12 hoohokmig (ausgeschaltet) werden soll.

Gemäß Fig. 3 enthält der Halbleitersohalter^ine monokristalttie * Halbletierpille 14, die aus vier Schichten entgegengesetzter Dotierung zusammengesetzt ist. Sie Pille 14- enthält innere jeweils p- und η-dotierte Sfeichten 15 und 16, die sich quer durch die gesamte Pille und außerdem senkrecht zur Mittelschicht I erstrecken. Veiter enthält sie eine untre ο

p-dotierte Schicht 17, die an die innere n-dotierte

Schicht 16 angrenzt, die sich über die gesamte Pille 14

ausdehnt, und eine äußere η-dotierte Shicht 18 an der oberen

Oberfläche der Pille 14, die gemäß der Abbildung aus drei

gleichen Teilen besteht, die jewLla in der inneren p-dotierten

Schicht 15 gebildet werden. Wie es dargestellt ist, sind die

drei Teile der oberen Emitterschicht 18 so angeordnet, daß sieh * ein Teil Ii der Mitte der oberen Oberfläche der Pille 14 befindet und die anderen beiden Teile in gleichem Abstand zu beiden Seiten angeordnet sind. Ferner haben die äußeren

Teile gleichen Abstand von der Pillenkante. Diese Anordnung

ist besonders gut zur Einhaüing eines gewissen Abstandes zwischen der Steuerelektrode und dem Emitter geeignet, wie später noch erläutert wird.

Die Grenzen zwischen jedem Teil der oberen η-dotierten Aussensohicht 18 und der inneren p-dotierten Schicht 15 bilden eine

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obere Äeittereehioht, und die Strenge swisohen der unteren p-dotierten Aussensohioht 1? und der inneren n-dotierten Basissohieht 15 bildet den unteren Emitterübergang Ig₂* Üb de* Behälter die gewünscht tu fcigensohaften au geben, iet die innere p-dotierte Bohioht 15 aus swei sehiohtmnähnliehen ionen 19 und 2o eusammengesetBt. Sie obere Eone 19 besteht aus eines relatir niederohmigen p-Material und grenst an den oberen Smitterttbergang I^· Sa diese {ohne niederohmig (hochdotiert) ist, ist sie mit ?+ beseiohnet* Die untere Zone 2o der p-dotierten Bohioht 15 besteht aus eines relativ hoohohmigen p-dotierten Material und grenct an den mittleren Übergang I_Q. Der speeifieohe Widerstand (die inrereβ Leitfähigkeit) der oberen Zone 19 der p-dotierten Basissohioht 15 iet so ausgewählt, da0 das gewünschte niederohaige Material unter den oberen Bmitterttbergängen liegt und eomit der gewfinsohte niedrige Querwideretand in der Steuersone 15 entsteht» Gleichzeitig wird darauf geachtet, dal keine Entwertungen in der an die oberen Smittertbergänge Ij₁ angrenzenden Zone 19 auftreten. Mit anderen !Werten, es soll rerkindert werden, dafl diese •ai Übergänge funnelübergänge werden. Sie hoohohaig untere tone 2o dient der Ausbildung der erforderlichen Sperrspannung für den Sohalter.

Sie trennungslinie swisohen den beiden Zonen 19 und 2o der Schient 15 ist weniger eine Sperrschicht als vielmehr eine einfalle Iahte teile. Hier wird der Ausdruok Iahte teile zur Besehreibung einer deutlichen trense oder einer Trennungslinie Ewisohen Zonen rerscaiedenen spezifischen Widerstandes gebraucht, wohingegen der Begriff Übergang sur Beschreibung der Trennungelinie ewisohen Stoffen verwendet wird, in denen der LeitungemeohanisBUB auf verschiedene Weise erfolgt.

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An feilen der oberen η-dotierten Sohioht 18 sind ohmeohe Kontakte. 21 bis 21b angeschlossen, die eine elektrische Verbindung für jede der Katbodenzuführungen 11 - 11b des Solialters bilden. An der unteren Boderifläohe der Pille ist an der unteren p-dotiertan, Sohioht 17 ein ohmsoher Kontakt 22 vorgesehen. Dieser Kontakt ist direkt mit der Anodenleitung 12 verbunden. Auch auf der oberen Oberfläche der inneren p-dotierten Sohioht 15 sind ohnsohe Kontakte 23 - 23o wgesehen. Diese Kontakte 23 - 23o sind jeweils direkt an die Steuerelektroden 13 - 13o angesohlossen.

Wie in der Zeichnung dargestellt, sind die Steuerkontakte 23 bis 23o so angeordnet, daß sich auf jeder Seite aller drei !Teile der Emitterschioht 18 ein Kontaktpaar befindet und ferner der Teil dedes EmitterÜbergangs I-nn» der am weitesten von einem Steuerkontakt entfernt ist, gleichen Abstand von diesen beiden Kontakten hat. Dies Bedeutet, daß der am weitesten entfernte Teil irgendeines oberen Emitterübergangs 1™ nioht weiter von einem Steuerkontakt entfernt ist als irgendein anderer Teil irgendeines anderen Emitterüberganges I-g-,. Somit gibt es keinen Teil eines Emitterübergangs, der mit Hilfe eines Steuerstromes sohwieriger als irgendein anderer Emitterübergang abzuschalten ist.

Ein Verfahren zur Herstellung eines Schalters naoh Art der Figur 3 besteht darin, daß mit einer n-dotierten Siliziumpille von etwas geringerer Dioke als o,2 mm begonnen wird, die einen spezifischen Widerstand von ungefähr 2oo Ohm · om (Konzentration der fremdatome ungefähr 2,7 mal 1o 'Atome pe com) hat.Dieses Material bildet schliesslioh die innere η-dotierte Sohioht 16.

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In die Pille 14 ist Gallium oder Bor bis zu einer !Tiefe von ungefähr 33 /i hineindiffundiert, so daß zu beiden Seiten des η-dotierten Materials p-dotierte Schichten

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mit einer Oberflächenkonzentration von ungefähr 1o Atomen pro oom entstehen. Die p-dotierte Schicht auf der einen Seite bildet die untere Zone 2o der inneren p-dotierten Schicht 15, und die p-dotierte Schicht auf der anderen Seite bildet die untere p-dotierte Schioht 17. Each der Diffusion wird eine Schicht des p-Materials soweit abgeschmirgelt, oder abgeätzt, bis eine dreisohiohtige pnp-!Pille mit einer p-dotierten Schicht von 8-13/i Dicke übrigbleibt. Diese dünne Schicht bleibt als untere Zone 2o der oberen p-dotierten Schicht 15 erhalten und ist hochohmig genug, um die zum Sperren des Schalters erforderliche Sperrspannung zu liefern.

Als nächstes wird die obere ⁿP+^w-Zone 19 der Schicht 15 epitaxial ungefähr 25 /i dick aufgebracht. Dieses epitaxial aufgebrachte Material hat eine gleichförmige

Ί ft Verunreinigung von ungefähr 1-5 · 10 Atomen pro ecm, wodurch es einen gleichförmigen spezifischen Widerstand von o,o2 bis 0,06 Ohm · cm erhält. Die Pille ist auf konventionelle Art abgedeckt und in die obere Oberfläche bis zu einer Tiefe von 18 μ zur Bildung der oberen ndotierten Emitterschicht 18 Phosphor eindiffundiert, so daß der obere Emitterübergang I_E1 des Schalters aus Pig. 3 jjkber einer Zone 2o der Steuerschicht 15 mit einem niedrigen und gleichförmigen spezifischen Widerstand entsteht. Bei dieser Diffusion ergibt sich eine Ober-

21 ' fläohenkonzentration von ungefähr 1fl) Atomen pro ecm.

Pig, 4 zeigt, daß die Erfindung ebenso für die der Fig. genau dualen Vorrichtung gilt, d.h., daß die Erfindung

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ebensogut angewendet werden kann, wenn in dem Schalter Von Tig* 5 p-dotierte Bohiohttn direkt durch n-dotierte Sohiohten und umgekehrt ersetzt werden.

Bei de« Halbleiterschalter 25 von fig. 4 besteht die monokristalline Halbleiterpille aus vier Bohiohten, die pnpn-dotiert sind. Die obere p-dotiefce Sohioht 33 bildet den oberen Eaitterübergang und besteht wie die duale Sohioht 18 in fig. 3 ftue drei feilen. Die Sohioht 55 liegt in der «grenzenden inneren η-dotierten Sohioht 3o» wobei der Übergang Ig₁ zwischen dioden beiden Sohiohten leliegt. Me innere η-dotierte Sohioht 3o besteht aus zwei Zoneni Einer oberen Zone 54 »it niedrigen (vorzugsweise gleichförmigem) spezifischem Widerstand, in der sioh die Emitterübergänge Ig₁ befinden und einer unteren Znne 35» die einen höheren spezifischen Widerstand hat. Die innere η-dotierte Sohioht 3o grenzt unmittelbar an die innere p-dotierte Soh46ht 31ι wobei der mittlere übegang

I des Halbleitersohalters an der Grenze zwischen diesen ο

beiden Sohiohten gebildet wird, Dike untere n-dotierte Emittersohioht 32 grenzt an die p-dotierte Sohioht 56, und der untere Emitterübergang Ij₂ wird duroh da Grenze zwisohen den beiden Sohiohten gebildet.

Der Sohalter 25 von fig. 4 ist ebenfalls mit 3 Leitungsoder Anschlussgruppen versehen; nämlioh mit den Anodenansohlüseen 26 - 26b, dem Kathodenansohluss 27 und den Steuerelektroden 28 - 28c. Die Hauptanschlüsse des Schalters, die AnodenansohlÜBse 26 - 26b und der Kathodenansohluss sind so in einen Hauptetrompfad geschaltet, daß die Anode 26 - 26b in Bezug auf die Kathode 27 positiv ist. Sie Steueransohlüsse 28 bis 28c sind mit einer Stromquelle

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verbunden, die ein Einschaltsignal liefert, wenn der Strompfad zwischen den Hauptanschlüssen 26 - 26c und 27 leitend (eingeschaltet) werden soll und die ein Ausschalteignal liefert, wenn dee innere Strompfad zwischen den Hauptanschlüssen hoohohmig (ausgeschaltet) werden soll*

Um eine Anschlussmöglichkeit für die Anodenzuführungen 26 - 26 b zu schaffen, sind jeweils ohmsehe Kontakte 36 - 36b auf den Teilen der oberen p-dotierten Emitter- * schicht 33 vorgesehen. An die ohaschen Kontakte 38 - 38c auf der oberen Oberfläche der inneren n-dotierten Basiszone oder Steuerschicht 3o werden die Steuerelektroden 28 - 28c angeschlossen. Die untere Oberfläche des Schalters auf der unteren η-dotierten Emitterschieht 32 ist mit einem ohmschen Kontakt 37 versehen, an dem die Kathodenzuführung 27 angeschlossen wird.

Die jeweils nieder- und hochohmigen η-dotierten Zonen 34- und 35 der inneren η-dotierten Basis- oder Steuerschicht 3o haben im wesentlichen die gleichen !Funktionen wie die dualen Schichten der Ausführung von Pig. 3· Infolgedessen . ist anzunehmen, daß eine weitere Erläuterung der Wirkungsweise dieser Teile und der Ausführung insgesamt nicht weiter erforderlich ist. Es sei jedoch noch erwähnt, daß die Abmessungen der entsprechenden dualen Schichten und die relativen Konzentrationen der Fremdatome in diesen Schichten für beide Ausführungen die gleichen sein sollen.

So sollte z.B. die obere p-dotierte Emitterschieht 33 der Aueführung von Pig. 4- ungefähr 18 μ dick sein und eine Oberflächenkonzentration von Fremdatomen von ungefähr 10 Atomen pro ecm haben, wie dies bei der dualen Schicht (der oberen η-dotierten Emitterschicht 18) der Ausführung

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Von Pig. 3 der fall ist. So sollte die innere n-dotierte Steuerschicht 3o der Ausführung von Pig. 4 zwischen den Oberen Emitterübergangen 1« und der mittleren Sohioht I_n eine Dioke von 15 feie und 2o /u haben. Die innere n- ! dotierte hoohohmige Zone 33 der inneren n-dotierten Basis oder Steuersohioht 3o kann zwischen 8 und 13 ja dick sein und eine mittlere Konzentration an Premdatomen von ungefähr 10 Atomen pro com haben, während die niederohnigen Zonen 34 der Sohioht eine Dioke von ungefähr 25 fx und eine Konzentration von Premdatomen von

I ft

1 -5 · Io Atomen/oom haben können. Die innere pdotierte Basissohioht 31 sollte eine Dioke von ingefähr Ho μ und eine Konzentration von Premdatomen von 2,7 x10 ^ Atomen pro obm haben.

Die untere η-dotierte Emitterschioht 32 ist ungefähr 33 /i dick und hat eine Oberflächenkonzentration von ungefähr "Lfi

10 Fremdatomen pro com.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Halbleiterschalter, der in einen Hauptstroapfad geschaltet und zwischen hohen und niedrigen Impedanzzustanden gesteuert werden kann und der drei Anschlüsse enthält, wobei Hauptanschlüsse in einen Hauptstrompfad geschaltet werden können, der Anoden- und Steueranschlüsse enthält, vonßenen die Steueranschlüsse den Halbleiterschalter zwischen seinen Zuständen hoher und niedriger Impedanz hin- und herschalten, der eine monokristalline Halbleiterpille enthält,bestehend aus vier Scüchten entgegengesetzter Dotierung, die aufeinanderfolgend angeordnet sind und so jeweils eine erste, zweite, dritte und vierte Schicht bilden, wobei die ersten und vierten Schichten aussen und die zweiten und dritten innen liegen, dadurch gekennzeichnet, daß aneinander grenzende Schichten entgegengesetzt dotiert sind, so daß drei innere pn-Übergänge entstehen, Wobei die zweite Schicht aus zweä schichtähnlichen Zonen gleicher Dotierung, aber jeweils hohem und niedrigem spezifischem Widerstand besteht, so daß eine innere Nahtstelle in dieser Schicht gebildet wird, während die Zone mit niedrigem spezifischem Widerstand an die erste, zunächstliegende äußere Schicht grenzt, weiterhin . dadurch gekennzeichnet, daß ohmsche Kontakte an den ersten und vierten Schichten angebracht sind, und an jedem einer der Hauptanschlüsse angeschlossen sind, so daß di vier Schichten im Hauptstrompfad des Schalters liegen, daß ohmsche Eontakte an der Zone der zweiten Schicht, die einen niedrigen spezifischen Widerstand hat, angebracht und an die Steuerelektroden angeschlossen sind, wodurch der Schalter wahlweise zwischen den Zuständen hoher und niedriger Impedanz, entsprechend den Steuersignal», auf die Staeransohlüsse, hin- und hergeschaltet werden kann.

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2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch g e k e η nzeichnet, dsß die in der zweiten Schielt enthaltene Zone mit niedrigem spezifischem Widerstand einen gleichmäßigen spezifischen Widerstand hat.

3. Halbleiterschalter nach Anspruch l_ydadurc h gekennzeichnet, daß die in der zweiten Schicht enthalime Zone mit niedrigem spezifischem Widerstand epitaxial aufgebracht ist.

4. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» daß die erste Schicht aus-mehreren Teilen zusammengesetzt ist.

5. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die an die zweite Schicht angeschlossenen ohmechen Kontakte ein ohmsohes Kontaktpaar enthalten, das auf beiden Seiten der ersten Schicht angebacht und so angeordnet ist, daß der geometrische Mittelpunkt jedes Teils der ersten Schicht gleichen Abstand von dem geometrischen Mittelpunkt jedes Paares der angrenzenden ohmechen Kontakte hat.

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