DE1464983C2

DE1464983C2 - in zwei Richtungen schaltbares und steuerbares Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1464983C2
Application number: DE1464983A
Authority: DE
Inventors: Frank William Auburn N.Y. Gutzwiller (V.St.A.)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1963-12-19
Filing date: 1964-12-17
Publication date: 1975-07-31
Also published as: GB1057649A; DE1464983B1; SE316533B; US3275909A

Description

Von den bekannten Halbleiterschaltern haben sich die PNPN-Halbleiterbauelemente und insbesondere die Thyristoren durchgesetzt. Sie besitzen den Nachteil, daß sie nur bei einer ganz bestimmten Polarität der an ihnen liegenden Spannung in eine Richtung durchgeschaltet werden können.

Ein Thyristor wird z.B. durchgeschaltet, wenn man über einen dritten Anschluß, den Steueranschluß, einen Steuerstrom zuführt, durch den der Strom durch den Thyristor erhöht wird. Das geht jedoch nur in einer Richtung. In der entgegengesetzten Stromrichtung können Thyristoren nicht leitend gemacht werden. Daher kann immer nur die eine Halbwelle eines Wechselstroms gesteuert werden, während die andere Halbwelle immer gesperrt bleibt. XJm eine Vollwegsteuerung zu erhalten, muß man entweder zwei oder mehrere Thyristoren verwenden oder den Wechselstrom vorher in einen pulsierenden Gleichstrom umwandeln. Beides ist oftmals in wirtschaftlicher Hinsicht nicht vertretbar.

Es ist auch bereits aus der FR-PS 12 91 322 ein Thyristor mit zwei äußeren P-leitenden und einer mittleren N-leitenden Zone bekannt, bei dem in die eine äußere P-leitende Zone eine N-leitende Zone, die mit der P-leitenden Zone eine gemeinsame ohmsche Hauptelektrode aufweist, und eine weitere N-leitende, eine ohmsche Steuerelektrode aufweisende Zone eingelassen sind und bei dem auf der genannten äußeren P-leitenden Zone außerdem noch eine ohmsche Steuerelektrode vorgesehen ist. Durch Anlegen eines negativen, auf die gemeinsame Hauptelektrode bezogenen Potentials an die ohmsche Steuerelektrode der weiteren N-leitenden Zone oder eines positiven, auf die gleiche Hauptelektrode bezogenen Potentials an die ohmsche Steuerelektrode der P-leitenden Zone kann der Thyristor durchgeschaltet werden. Durch Anlegen eines negativen, auf die genannte Hauptelektrode bezogenen Potentials an die ohmsche Steuerelektrode der P-leitenden Zone kann der Thyristor wieder ausgeschaltet werden. Der Hauptstrom kann in diesem Thyristor jedoch ebenfalls nur in eine Richtung fließen.

Es sind jedoch auch schon aus dem DT-Gbm 18 38 035 in zwei Richtungen schaltbare und steuerbare Halbleiterbauelemente bekanntgeworden, die aus fünf Zonen mit abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp bestehen. Drei dieser Zonen sind beispielsweise in der Reihenfolge PNP übereinandergeschich-

ao tet, und in die beiden P-leitenden Zonen ist je eine äußere N-leitende Zone derart eingelassen, daß je ein Teil dieser äußeren Zone und der benachbarten inneren Zone an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt, so daß beide mit einer gemeinsamen Hauptelektrode versehen werden können. Außerdem ist in beide P-leitende Zonen je eine weitere N-leitende Zone eingelassen, die eine ohmsche Steuerelektrode trägt. Werden bei diesem Halbleiterbauelement zum Steuern eines Wechselstroms in beide Richtungen beide Steuerelektroden verwendet, dann muß beim Steuern in der einen Richtung an die eine Steuerelektrode ein Potential mit einer auf die eine Hauptelektrode bezogenen Polarität und beim Steuern in der anderen Richtung an die andere Steuerelektrode ein Potential mit einer auf die andere Hauptelektrode bezogenen Polarität gelegt werden. Dies ist in schaltungstechnischer Hinsicht nachteilig und außerdem unpraktisch. Ferner ist aus der DT-AS 11 54 872 ein Halbleiterschaltelement mit fünf Schichten bekannt, das Steuerelektroden besitzt, die je mit einer Zwischenschicht verbunden sind. Wenn der eine Hauptanschluß gegenüber dem anderen Hauptanschluß negativ polarisiert ist, dann kann die Vorrichtung durch Anlegen eines Steuerpotentials, das positiv gegenüber dem Potential des ersten Hauptanschlusses ist, an diejenige Steuerelektrode, die dem ersten Hauptanschluß benachbart ist, leitend gemacht werden. In umgekehrter Weise kann die Vorrichtung auch in der anderen Stromrichtung leitend gemacht werden. Wenn der erste Hauptanschluß gegenüber dem anderen Hauptanschluß positiv ist, dann muß zu diesem Zweck ein Steuerpotential, das positiv gegenüber dem Potential des zweiten Hauptanschlusses ist, an diejenige Steuerelektrode angelegt werden, die dem zweiten Hauptanschluß benachbart ist. Diese beiden Steuerwirkungen sind je mit derjenigen eines üblichen Thyristors vergleichbar. Es ist bei dieser Anordnung nicht möglich, die Steuerelektroden mit einem gemeinsamen Steueranschluß zu verbinden, da das Halbleiterbauelement dadurch kurzgeschlossen würde. Die beiden Steuerelektroden müssen vielmehr unabhängig voneinander durch Steuerspannungen gesteuert werden, die jeweils auf das Potential des benachbarten Hauptanschlusses bezogen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, das in zwei Stromrichtungen schaltbare und steuerbare Halbleiterbauelement, das fünf Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps hat, so auszubilden, daß ein Durch-

schalten in beiden Stromrichtungen mit Hilfe eines ständig auf ein und dieselbe Hauptelektrode bezogenen Steuerpotentials an nur einem Steueranschluß möglich ist.

Die Erfindung geht von einem in zwei Stromrichtungen schaltbaren und steuerbaren Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs aus.

Die Erfindung besteht in den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs angegeben Maßnahmen.

Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung hat den Vorteil, daß seine eine Hauptfläche mit einer metallischen Unterlage zur besseren Wärmeableitung verbunden werden kann, während die Steuerung einzig und allein von der anderen Hauptfläche aus erfolgt.

Da ein derartiges Halbleiterbauelement in beide Richtungen leitet, können Schaltungen mit diesem Halbleiterbauelement so ausgelegt werden, daß das Halbleiterbauelement von selbst gegen Überspannungen geschützt ist, so daß hierfür keine zusätzlichen Schaltungsmaßnahmen mehr notwendig sind. Außerdem kann ein solches Halbleiterbauelement zur Vollwegsteuerung von Wechselspannungen verwendet werden. Insbesondere ist noch von Vorteil, daß dabei nur ein Steueranschluß notwendig ist und die Steuerspannung für das Durchschalten in beiden Richtungen auf das Potential derselben Hauptelektrode bezogen wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Figuren ausführlich beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 2 und 4 zeigen je eine Hälfte des Halbleiterbauelements nach der Fig. 1; die eingezeichneten Pfeile dienen zur Erklärung der Wirkungsweise des Halbleiterbauelements;

Fig. 3, 5 und 6 sind Strom-Spannungs-Kennlinien des Halbleiterbauelements nach der F i g. 1.

Das in der F i g. 1 dargestellte, in zwei Richtungen steuerbare und schaltbare Halbleiterbauelement besitzt drei Anschlüsse 1, 2 und 3.

Zwischen den beiden Hauptanschlüssen 1 und 2 fließt in jedem Fall der Hauptstrom, denn diese beiden Anschlüsse werden in den Hauptstromweg desjenigen Schaltkreises geschaltet, in welchem das Halbleiterbauelement als Schalter verwendet wird. Der dritte Steueranschluß 3 wird dagegen an eine Spannungsquelle gelegt, von der Impulse des erforderlichen richtigen Vorzeichens zum Durchschalten des Halbleiterbauelements geliefert werden. Das gezeigte Halbleiterbauelement kann bei Spannungen beliebiger Polarität an den Hauptanschlüssen durchgeschaltet werden. Wenn der Hauptanschluß 1 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 2 ist, dann wird am Steueranschluß 3 ein gegenüber dem Hauptanschluß 2 positiver Impuls benötigt, wohingegen am Steueranschluß 3 ein gegenüber dem Hauptanschluß 2 negativer Impuls das Durchschalten bewirkt, wenn der Hauptanschluß 1 gegenüber dem Hauptanschluß 2 negativ ist.

Der Halbleiterkörper 10 des Halbleiterbauelements nach der Fig. 1 besteht aus fünf Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps. Zu beiden Seiten einer mittleren N-leitenden Zone 11 sind zwei innere P-leitende Zonen 12 und 13 vorgesehen. In einem Teil der P-leitenden Zone 13 ist eine äußere N-leitende Zone 14 eingelassen, die von der Zone 13 durch einen PN-Übergang J₃ getrennt ist. In einen Teil der P-leitenden Zone 12 ist ebenfalls eine äußere N-leitende Zone 20 eingelassen, die von der P-leitenden Zone 12 durch einen PN-Übergang J₅ getrennt ist. Die N-leitende Zone 20 ist dabei derart in die P-leitende Zone 12 eingelassen, daß sie von den beiden Seitenflächen des Halbleiterkörpers 10 einen Abstand

ίο aufweist und auf beiden Seiten von ihr ein Teil der inneren P-leitenden Zone 12 an die Oberfläche des Halbleiterkörpers 10 tritt.

Auf den beiden Hauptflächen des Halbleiterkörpers 10 sind die ohmschen Hauptelektroden 15 und 16 vorgesehen. Die Hauptelektrode 15 berührt sowohl die äußere N-leitende Zone 20 als auch einen an die Oberfläche tretenden Teil der angrenzenden inneren P-leitenden Zone 12, so daß durch sie der PN-Übergang J₅ kurzgeschlossen ist. Sie hat außerdem von den beiden Seitenflächen des Halbleiterkörpers 10 einen Abstand. Die andere Hauptelektrode 16 berührt sowohl die äußere N-leitende Zone 14 als auch einen an die Oberfläche tretenden Teil der inneren P-leitenden Zone 13, so daß durch sie der PN-Übergang /₃ kurzgeschlossen ist. Die Hauptelektroden 15 und 16 sind mit den Hauptanschlüssen 2 bzw. 1 elektrisch verbunden.

Wenn beim Betrieb dieses Halbleiterbauelements der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 positiv ist, dann wirkt die P-leitende Zone 12 als Emitter und der PN-Übergang J₁ zwischen ihr und der angrenzenden mittleren Zone 11 als Emitter-PN-Übergang, während die P-leitende Zone 13, die von der Zone 11 durch einen PN-Übergang J₂ getrennt ist, als Basis wirkt. Gleichzeitig wirkt die N-leitende Zone 14 als Emitter und der PN-Übergang J₃ als Emitter-PN-Übergang. Wenn dagegen umgekehrt der Hauptanschluß 2 gegenüber dem Hauptanschluß 1 negativ ist, dann wirkt die P-Ieitende Zone 13 als Emitter und die P-leitende Zone 12 als Basis und gleichzeitig die N-leitende Zone 20 als Emitter und der PN-Übergang/, als Emitter-PN-Übergang. Halbleiterbauelemente dieser Art sind beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 11 54 872 bekannt.

Zum Steuern und Durchschalten des Halbleiterbauelements sind zwei Steuerelektroden 18 und 19 vorgesehen. Die Steuerelektrode 18 ist als ohmsche Elektrode auf einer weiteren N-leitenden Zone 17 ausgebildet, die nahe demjenigen Bereich der inneren P-leitenden Zone 12 in diese Zone 12 eingelassen ist, der mit der Hauptelektrode 15 in Berührung ist. Die Steuerelektrode 18 ist mit dem Steueranschluß 3 verbunden. Die andere Steuerelektrode 19 ist eine ohmsche Elektrode, die neben der äußeren N-leitenden Zone 20 auf der inneren P-leitenden Zone 12 an einer Stelle angebracht ist, an der die Hauptelektrode 15 nicht mit der P-leitenden Zone 12 in Berührung ist. Die Steuerelektrode 19 ist ebenfalls mit dem Steueranschluß 3 verbunden. Der Grund dafür, die Steuerelektrode 19 an einer von der Steuerelektrode

18 entfernten Stelle anzubringen, ist der, daß ein elektrischer Kurzschluß zwischen der Steuerelektrode

19 und der Hauptelektrode 15 vermieden werden soll. Da in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Strompfad zwischen der Steuerelektrode 19 und dem Teil der Hauptelektrode 15, der mit der inneren P-leitenden Zone 12 in Berührung ist, ausreichend lang ist und einen hohen elektrischen Widerstand

darstellt, sind die Elektroden 19 und 15 als elektrisch voneinander getrennt zu betrachten.

Zwischen der weiteren N-leitenden Zone 17 und der inneren P-leitenden Zone 12 liegt ein PN-Übergang/^ Die weitere Zone 17 bildet zusammen mit der P-leitenden Zone 12 und der N-leitenden Zone 11 einen Transistor mit den PN-Übergängen/₄ und J₁. Da auch die weitere N-leitende Zone 17 unter bestimmten Bedingungen als Emitter wirkt, kann man sie auch als »entfernt liegende Emitterzone 17« bezeichnen.

Zum Verständnis der Wirkungsweise des Halbleiterbauelements nach der Fig. 1 denke man sich den Halbleiterkörper 10 in zwei Abschnitte unterteilt, die in den F i g. 2 und 4 dargestellt sind. Der in der F i g. 2 gezeigte Teil des Halbleiterbauelements ist ein einfacher Thyristor, während man den in der F i g. 4 gezeigten Teil des Halbleiterbauelements als Thyristor mit »entfernter Emitterzone« betrachten kann.

Es sei angenommen, daß der Hauptanschluß 1 positiv gegenüber dem Hauptanschluß 2 ist. Da an der P-leitenden Emitterzone 13 ein positives und an der N-leitenden Emitterzone 20 ein negatives Potential liegt, sind die beiden PN-Übergänge J₂ und J₅ in Durchlaßrichtung vorgespannt, so daß am mittleren PN-Übergang J₁ Löcher und Elektronen gesammelt werden. Der PN-Übergang J₁ ist jedoch in Sperrichtung vorgespannt, so daß normalerweise kein Strom durch das Halbleiterbauelement fließt. Man kann das Halbleiterbauelement dadurch durchschalten, daß man entweder die an ihm liegende Spannung bis zur Durchbruchsspannung des PN-Übergangs Z₁ erhöht oder daß man über den Steueranschluß 3 einen Strom zuführt, durch den die Ladungsträgerkonzentrationen im Bereich des PN-Übergangs J₁ entsprechend verlängert werden. Legt man an den Steueranschluß 3 ein gegenüber der Hauptelektrode 2 positives Potential, dann wirkt die N-leitende Zone 20 als Emitter, von dem Elektronen in die P-leitende Zone 12 injiziert werden. Die Elektroneninjektion erfolgt im Bereich des Emitter-PN-Übergangs J₅, jedoch nicht gleichmäßig, da die Dichte des injizierten Elektronenstroms exponentiell von der Spannung zwischen der inneren P-leitenden Zone 12 und der äußeren N-leitenden Zone 20 abhängt. Da der Potentialabfall längs des PN-Ubergangs/_? durch Majoritätsladungsträger (Löcher) bedingt ist, die von der Steuerelektrode 19 herkommen, erhält man längs des PN-Übergangs J₅ einen Spannungsabfall in Querrichtung, wobei die Spannung zwischen den Zonen 12 und 20 nahe der Steuerelektrode 19 am größten ist und von dort in Querrichtung abnimmt.

Die injizierten Elektroden diffundieren zum PN-Übergang/,, werden dort gesammelt und erniedrigen das Potential der mittleren N-leitenden Zone 11 bezüglich der inneren P-Ieitenden Zone 13 an den der Elektroneninjektion gegenüberliegenden Stellen. Als Folge davon werden Löcher aus der P-leitenden Zone 13 in die mittlere N-leitende Zone 11 injiziert. Diese Löcher diffundieren zum PN-Übergang J₁, wodurch das Potential der inneren P-leitenden Zone 12 gegenüber der mittleren N-leitenden Zone 11 erhöht wird und noch mehr Elektronen aus der N-leitenden Zone 20 in die P-leitende Zone 12 injiziert werden. Wenn sich in der P-leitenden Zone 12 Löcher bilden, dann wächst die Spannung zwischen dieser Zone 12 und der N-leitenden Zone 20 an, so daß auf Grund des Löcherstroms in Querrichtung größere Teile der P-leitenden Zone 12 positiv werden und aus einem größeren Flächenabschnitt der N-leitenden Emitterzone 20 Elektroden injiziert werden. Ein ähnlicher Vorgang spielt sich in der mittleren N-leitenden Zone Hab.

Durch die Anreicherung von Ladungsträgern in den beiden Zonen 11 und 12 wird das Raumladungsgebiet am PN-Übergang J₁ zerstört, so-daß ein zusätzlicher Strom durch das Halbleiterbauelement (und die Last des Schaltkreises) fließt. Dieser sich selbst verstärkende Prozeß dauert so lange, bis er über den gesamten Querschnitt des Halbleiterkörpers 10 ausgebreitet ist.

In der Fig. 3 ist eine Strom-Spannungs-Kennlinie des in der F i g. 2 gezeigten Teils des Halbleiterbauelements nach der Fig. 1 gezeigt. Auf der Ordinate ist der Strom durch das Halbleiterbauelement und auf der Abszisse die Spannung zwischen den Haupt-

ao elektroden aufgetragen. Positive Spannungen am Hauptanschluß 1 sind dabei mit wachsender Größe nach rechts und positive Spannungen am Hauptanschluß 2 mit wachsender Größe nach links aufgetragen. Als positive Ströme werden vom Haupt-

s5 anschluß 1 zum Hauptanschluß 2 fließende Ströme bezeichnet. Wenn am Hauptanschluß 1 eine positive Spannung anliegt, dann ist der Strom bei steigender Spannung in Vorwärtsrichtung bis zur Durchbruchsspannung nahezu konstant. Beim Anwachsen der Spannung über die Durchbruchsspannung hinaus steigt der Strom schnell an, bis der PN-Übergang J₁ in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Das Halbleiterbauelement befindet sich dann im leitenden bzw. durchgeschalteten Zustand. Bei umgekehrt gepolter Spannung an den Hauptelektroden sind die beiden PN-Übergänge J₂ und J₅ in Sperrichtung vorgespannt, so daß ein Durchschalten mittels der Steuerelektrode 19 nicht möglich ist. Der in F i g. 2 gezeigte Teil des Halbleiterbauelements kann daher nur in einer Richtung durchgeschaltet werden. Mit größer werdenden Steuerströmen wird das Intervall zwischen dem Durchbruchsstrom und dem Haltestrom schmaler, und die Größe der Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung nimmt ab.

Im folgenden wird nun die Wirkungsweise des in F i g. 4 gezeigten Teils des Halbleiterbauelements nach der Fig. 1 beschrieben. Dieser Teil kann als Thyristor mit einer zusätzlichen, »entfernt liegenden Emitterzone« bezeichnet werden. Er dient dazu, daß das Halbleiterbauelement nach der F i g. 1 auch dann durchgeschaltet werden kann, wenn der in der Fig. 2 gezeigte Teil des Halbleiterbauelements mittels der Steuerelektrode 19 nicht durchgeschaltet werden kann, d. h. wenn am Hauptanschluß 2 ein gegenüber dem Hauptanschluß 1 positives Potential anliegt.

Es sei daher angenommen, daß bei dem in der F i g. 4 gezeigten Teil des Halbleiterbauelements der Hauptanschluß 2 auf positivem und der Hauptanschluß 1 auf negativem Potential liegt. Damit liegt die innere P-leitende Zone 12 auf positivem Potential und wirkt als Emitter, wohingegen an der äußeren N-leitenden Zone 14 ein negatives Potential liegt, so daß sie ebenfalls als Emitter wirksam ist. Die PN-Übergänge J₁ und J₃ sind bei dieser Polarität in Durchlaßrichtung vorgespannt und daher Emitter-PN-Übergänge, während der PN-Übergang J₂ in Sperrichtung vorgespannt ist. Man kann diesen Teil des Halbleiterbauelements durchschalten, indem man

entweder die Spannung an ihm stark erhöht und eine Stromleitung durch den PN-Übergang J₂ erzwingt oder indem man die Steuerelektrode 18 bzw. den Steueranschluß 3 gegenüber der Hauptelektrode 15 bzw. dem Hauptanschluß 2 negativ vorspannt und dadurch die Ladungsträgerkonzentrationen im Bereich des PN-Übergangs J₂ verändert.

Bei dieser Polarität wirkt die Zone 17 der Steuerelektrode 18 als Emitter, so daß von ihr Elektronen in die angrenzende P-leitende Zone 12 injiziert werden. Die Elektronen diffundieren zum PN-Übergang Z₁, wo sie auf Grund der Raumladungsschicht des PN-Übergangs J₁ als Minoritätsladungsträger gesammelt werden. Dadurch wird das Potential der mittleren N-leitenden Zone 11 gegenüber der inneren P-leitenden Emitterzone 12 erniedrigt, und es werden von der P-leitenden Zone 12 mehr Löcher in die Zone 11 injiziert, was wiederum zur Folge hat, daß die Sperrspannung am PN-Übergang J₂ in eine

J₁ gesammelt wird, und I_e der Steuerstrom. Durch Umrechnung der Gleichung (2) erhält man die Gleichung (3):

Iah = Il +Cc₃I₁₁. (3)

Setzt man die Gleichung (3) in die Gleichung (1) ein, dann erhält man

I₁ = /_s + (X₁ (I_L + a_slg) + (X₂IlI

J _α

Das Halbleiterbauelement wird daher durchgeschaltet, wenn die Summe X₁+Oc₂ gegen 1 geht. Diese Wirkungsweise ist kennzeichnend für die Art der Steuerung eines Thyristors mit entfernt liegender Emitterzone bzw. mit entfernt liegender Steuerelek-

besteht deswegen, weil die Stromdichte an den PN-Übergängen J₁ und J₃ auf Grund einer Erhöhung des Steuerstroms anwächst.

In der F i g. 5 ist die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Thyristors mit entfernt liegender Steuerelektrode gezeigt, der dem in der Fig. 4 gezeigten Teil des Halbleiterbauelements nach der Fig. 1 entspricht. Der Strom ist auf der Ordinate und die Span-

Durchlaßspannung verwandelt wird und dieser Teil ao trode im Sinne der obigen Ausführungen. Diese Bedes Halbleiterbauelements wie ein einfacher Thyristor dingung gilt auch für die einfachen Thyristoren. Sie leitet. Das Ergebnis ist also das gleiche, wie wenn
man die Steuerelektrode direkt mit der mittleren
N-leitenden Zone 11 verbindet und direkt ein gegenüber der Hauptelektrode 15 negatives Potential an- as
legt. Aus diesem Grund wird dieser Teil des Halbleiterbauelements auch als Thyristor mit entfernt
liegender Steuerelektrode bezeichnet. Im Gegensatz
zu einem solchen Thyristor hat ein einfacher

Thyristor den Nachteil, daß bei Polung in Sperr- 30 nung auf der Abszisse aufgetragen. Positive Spanrichtung (Hauptanschluß 1 positiv), also bei gesperr- nungen am Hauptanschluß 1 werden mit wachsender tem Emitter-PN-Übergang J₁, sein Steueranschluß Größe nach rechts, positive Spannungen am Hauptwährend dieser Halbwelle gegenüber dem Hauptan- anschluß 2 mit wachsender Größe nach links aufgeschluß2 auf einem hohen Potential liegt. Bei dem tragen. Als positiver Strom wird ein Strom bezeich-Thyristor mit entfernt liegender Steuerelektrode er- 35 net, der vom Hauptanschluß 1 zum Hauptanschluß 2 scheint jedoch dasjenige Potential, das während der fließt. Ist bei dem in der F i g. 4 gezeigten Teil des gesperrten Halbwelle an der mittleren N-leitenden Halbleiterbauelements der Hauptanschluß 2 positiv Zone 11 liegt, nicht mehr an der Steuerelektrode 18. bzw. in Vorwärtsrichtung vorgespannt, dann bleibt Zum besseren Verständnis des Halbleiterbauele- der Strom durch diesen Teil des Halbleiterbauelements nach der Erfindung seien im folgenden die im 40 ments bis zur Durchbruchsspannung in Vorwärts-Halbleiterbauelement fließenden Ströme betrachtet. richtung nahezu konstant, während an dieser Stelle

der Lawinendurchbruch einsetzt. Bei größeren Spannungen als der Durchbruchsspannung steigt der (1) Strom schnell an, bis die Summe der Stromverstär-

45 kungsfaktoren x₀ und a_t größer als 1 und das HaIb- I_L bedeutet in dieser Gleichung den Laststrom und leiterbauelement durchgeschaltet ist.
/_s den Strom des PN-Übergangs J₁, wenn dieser in Das Intervall zwischen dem Durchbruchsstrom

Sperrichtung vorgespannt ist, also den thermisch er- und dem Haltestrom wird auch hier eingeengt, wenn zeugten Strom (s. Fig. 4). der negative Steuerstrom größer wird. Durch stei-

X₁ ist der Stromverstärkungsfaktor desjenigen 50 gende negative Steuerströme wird außerdem die PNP-Transistorabschnitts, der die P-leitende Zone 12 Durchbruchsspannung in Vorwärtsrichtung verminenthält; er bestimmt also denjenigen Bruchteil des dert. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der beiden Stroms am unteren Emitter-PN-Übergang J₁, der vom Teile des Halbleiterbauelements nach der F i g. 1 sind PN-Übergang J₂ gesammelt wird. x₂ ist der Ström- daher für alle praktischen Anforderungen bis auf die verstärkungsfaktor desjenigen NPN-Transistorab- 55 180°-Phasenverschiebung der Spannungen und Schnitts, der die N-leitende Zone 14 enthält; er be- Ströme gleich.

stimmt also denjenigen Bruchteil des Stromes vom Auf Grund der Zentralsymmetrie der Strom-Span-

PN-Übergang J₃, der am PN-Übergang J₂ gesammelt nungs-Kennlinien der in den F i g. 2 und 4 gezeigten wird. I_AH ist der Strom durch das Halbleiterbauele- Teile des Halbleiterbauelements wird der eine Teil leiment am unteren Hauptanschluß 2 abzüglich des 60 tend, wenn am Hauptanschluß 2 eine gegenüber dem Basisstroms zum Betreiben des Transistorabschnitts, Hauptanschluß 1 positive Spannung anliegt, während

bei entgegengesetzt gepolter Spannung der andere Teil leitend wird. Die gesamte Strom-Spannungs-Kennlinie ist in der F i g. 6 gezeigt. Sie setzt sich aus

I_AH = I_L + I_x — (1 — X₃)Ig. (2) 65 der Strom-Spannungs-Kennlinie im ersten Quadran

ten der F i g. 3 und der Strom-Spannungs-Kennlinie im dritten Quadranten der Fig. 5 zusammen. Bei ausreichend hohen Steuerströmen verschwindet das

Es gilt zunächst die Gleichung:

h — «Jah + «2h +

der den PN-Übergang /₄ enthält, d. h., man kann I_AH durch die Gleichung (2) ausdrücken:

In dieser Gleichung ist <x₃ derjenige Anteil des Stroms am PN-Übergang/₄, der am PN-Übergang

509 631/317

Sperrgebiet sowohl im ersten als auch im vierten Quadranten, so daß man eine Strom-Spannungs-Kennlinie erhält, die der Strom-Spannungs-Kennlinie zweier mit entgegengesetzter Polung zueinander parallelgeschalteter PN-Gleichrichter entspricht.

Die Halbleiterbauelemente nach der Erfindung können nach den bekannten Verfahren hergestellt werden, die man auch bei der Herstellung der bekannten Thyristoren anwendet.

10

Der Aufbau eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung kann auch zu dem des Halbleiterbauelements nach der F i g. 1 komplementär sein. Komplementär bedeutet, daß die Schichtenfolge und der sonstige Aufbau bis auf die jeweils entgegengesetzte Dotierung gleich sind und daß die Strom-Spannungs-Kennlinien der beiden Teile des Halbleiterbauelements zentralsymmetrisch zu denen sind, die in den F i g. 3 und 5 gezeigt sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

In zwei Stromrichtungen schaltbares und steuerbares Halbleiterbauelement mit einem aus fünf Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps bestehenden Halbleiterkörper und mit je einer gemeinsamen ohmschen Hauptelektrode an einer äußeren und an dem an dieselbe Hauptfläche tretenden Teil der benachbarten inneren Zone, und mit zwei Steuerelektroden, von denen die eine eine ohmsche Steuerelektrode an dem an die Hauptfläche tretenden Teil einer inneren Zone ist und entfernt von demjenigen Teil der Hauptelektrode angebracht ist, der mit derselben inneren Zone in Berührung ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Hauptelektrode (16) die einzige Elektrode an der einen Hauptfläche ist, daß an der anderen Hauptfläche eine mit einer ohmschen Elektrode (18) versehene Steuerzone (17) von entgegengesetztem Leitungstyp in die äußere Oberfläche der inneren Zone (12), die die Steuerelektrode (19) trägt, nahe demjenigen Teil der ersten Hauptelektrode (15), der mit dieser inneren Zone (12) in Berührung steht, eingelassen ist und gegenüber dem Übergang (Z₃) zwischen den beiden mit der zweiten Hauptelektrode (16) in Berührung stehenden · Zonen (14, 13) liegt und daß ein gemeinsamer Steueranschluß (3) mit den beiden Steuerelektroden leitend verbunden ist.