DE1564048C3 - Halbleiterschalter für niedrige Schaltspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterschalter, der drei PN-Übergänge zwischen einem Anodengebiet, einem Anodensteuergebiet, einem Kathodensteuergebiet und einem Kathodengebiet von abwechselndem und entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die äußeren Anoden- und Kathodenbereiche über Anschlüsse ohne Gleichrichtereffekt mit zwei Elektroden in Verbindung stehen.

Es sind bereits Vierschicht-Halbleiterbauelemente mit drei PN-Übergängen bekannt, die gesteuerte PNPN-Schalter oder gesteuerte Gleichrichter sind. Derartige auch als Shockley-Dioden bekannte Bauelemente sind z. B. in den deutschen Auslegeschriften 1021891 und 1154 872 beschrieben. ,Zum Verständnis der Wirkungsweise solcher Halbleiterschalter kann man sich das PNPN-Halbleiterbauelement aus zwei NPN- bzw. PNP-Transistoren zusammengesetzt vorstellen, die durch eine Zener-(Schalt-)Diode miteinander verbunden sind, die für eine Mitkopplung zwischen den zwei komplementären Transistoren sorgt.. Derartige Ersatzschaltbilder für eine Vierschicht-Diode sind bereits in »Elektronische Rundschau« (19595), Nr. 2, S. 51 bis 54, und »Frequenz«, Bd. 15 (196I)₁ Nr. 2, S. 33 bis 39, angegeben worden. Es ist jedoch zu beachten, daß es sich hierbei um reine Ersatzschaltbilder handelt, die lediglich eine Funktion theoretisch erläutern sollen. Sie geben keinen tatsächlichen Schaltungsaufbau an. ^l

Die Eigenschaften eines jeden PN-Überganges im Vierschicht-Halbleiterbauelement werden vorteilhafterweise in Transistorausdrücken interpretiert, da die theoretischen Grundlagen, auf denen die Transistoren beruhen, bereits vorhanden und allgemein anerkannt sind. Die vier Zonen eines Vierschicht-Halbleiterbauelementes werden zweckmäßigerweise als Anode, Anodensteuergebiet, Kathodensteuergebiet und Kathode bezeichnet. Die Grenzfläche zwischen der Anode und dem Anodensteuergebiet bildet den Anodenübergang, die Grenzfläche zwischen dem Anodensteuergebiet und dem Kathodensteuergebiet bildet den mittleren oder den Kollektorübergang, und die Grenzfläche

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zwischen dem Kathodensteuergebiet und der Kathode 1163 459 eine Doppel-Halbleiterdiode mit einem bildet den Kathodenübergang. Wenn in einem sol- Halbleiterkörper mit Zonen abwechselnd verschiedechen Halbleiterbauelement das Anodengebiet und das nen Leitungstyps bekannt, bei der parallel zu einem Kathodensteuergebiet P-leitend sind, das Kathoden- äußeren PN-Übergang einer Mehrschicht-Halbleitergebiet und das Anodensteuergebiet dagegen N-leitend, 5 diode eine Esakidiode so geschaltet ist, daß Zonen und wenn man dann an die Anode gegenüber der gleichen Leitungstyps aber mit verschiedener Störstel-Kathode eine positive Spannung anlegt, so ist der lenkonzentration miteinander elektrisch verbunden mittlere PN-Übergang in Sperrichtung vorgespannt. sind. Damit soll erreicht werden, daß die Umschalt-In diesem Fall kann man zeigen, daß sich der Strom punkte der Mehrschicht-Halbleiterdiode von niedrivon der Anode zur Kathode I_ac durch folgenden Aus- io gen Impedanzwerten auf hohe Impedanzwerte und druck beschreiben läßt: umgekehrt konstanter und somit leichter reproduzier

bar gemacht werden.

. ■ _ I₀₀ Die Erfindung bezieht sich jedoch auf die bekann-

^ac 1 — (h ) (h Y ^ten Vierschicht-Dioden (s. die eingangs genannten

te \) \ te i) ₁₅ Literaüirstellen), die ohne Verwendung eines Steuer

signals ausschließlich durch das Anlegen einer aus-

Hierbei bedeuten I_c0 den Sperrstrom im Mittel- reichend hohen Spannung in Durchlaßrichtung geübergang, und h_fel und h_fe2 stehen mit der Strom- zündet werden. Unter diesen Verhältnissen zündet verstärkung oder dem /?-Wert (oder mit der Klein- das Bauelement, wenn die Durchbruchspannung des signal-Kurzschlußstrornverstärkung in Emitterschal- 20 mittleren PN-Übergangs überschritten wird. Diese Art tung) der beiden NPN- und PNP-Transistorteile in des Zündens ist jedoch insofern nachteilig, als hier-Beziehung, in die sich das Vierschicht-Halbleiterbau- für verhältnismäßig hohe Spannungen zwischen der element zerlegen läßt. Wenn das Produkt der beiden Anode und der Kathode herrschen müssen, die bei ß-Werte der beiden Transistoren (oder die Summe den bisherigen Bauelementen mindestens 20 V zu beder beiden α-Werte) kleiner als 1 ist, ist I_ac verhält- 25 tragen haben. Wenn der PNPN-Halbleiterschalter genismäßig klein und besteht im wesentlichen nur aus zündet hat, bleibt er in seinem niederimpedanten Zudem Sperrstrom durch den mittleren PN-Übergang. stand, solange ein Mindeststrom, der Haltestrom ge-Man sagt dann, das Vierschicht-Halbleiterbauelement nannt wird, durch das Bauelement hindurchfließt, der ist in seinem Sperrzustand, in dem es dem Strom von ausreichend ist, um das Produkt der /?-Werte oder die der Anode zur Kathode eine hohe Impedanz entge- 30 Summe der α-Werte der beiden Transistoren gleich gensetzt. oder größer als 1 zu halten. Um ein solches HaIb-

Wenn das Vierschicht-Halbleiterbauelement ge- leiterbauelement wieder zu sperren, ist es notwendig, sperrt ist, reicht die positive Mitkopplung zwischen den Anodenstrom bis unter den Haltestrom herunter den beiden Transistoren nicht mehr aus, um den lei- zu drücken. Das kann dadurch geschehen, daß man tenden Zustand wieder herzustellen. Solche Bauele- 35 die Anode in Gegenrichtung vorspannt, oder dadurch, mente sind derart aufgebaut, daß die Stromverstär- daß man Anodenstrom von den PN-Übergängen abkung von mindestens einem der beiden Transistoren, leitet.

in die das Bauelement zerlegbar ist, mit dem Strom in Obwohl die bekannten PNPN-Halbleiterschalter in

Flußrichtung ansteigt, so daß das Produkt der manchen Schaltungen verwendbar sind, weisen sie /?-Werte (oder die Summe der α-Werte) der beiden 40 doch verschiedene ungünstige Eigenschaften auf. Ein-Transistorenabschnitte bei einem Strom von mittlerer mal muß die Steuerspannung zum Schalten zwischen Stärke durch den mittleren PN-Übergang gleich oder die Anode und die Kathode gelegt werden, um den größer als 1 wird. Wenn das Produkt der /?-Werte Halbleiterschalter zu zünden bzw. in seinen nieder- oder die Summe der α-Werte der beiden Transistoren- impedanten Zustand zu bringen. Diese Steuerspanteile gleich oder größer als 1 wird, setzt die positive 45 nung ist durch denjenigen Spannungswert bestimmt, Mitkopplung ein, und das Bauelement zündet. Dann an dem das Produkt der /J-Werte 1 erreicht oder überstellt es für einen Strom von der Anode zur Kathode schreitet. Da nun der yS-Wert für jeden der beiden eine niedrige Impedanz dar. Transistorenteile eine nichtlineare Funktion des Stro-

Ein bekanntes Verfahren, ein solches Bauelement mes und der angelegten Spannung und ganz besonzu zünden, besteht darin, daß der Strom über den 50 ders der Temperatur ist, ist es schwierig, die erfordermittleren PN-Übergang I_c erhöht wird. Hierzu wird liehen Schaltspannungen bzw. die Stabilität der ein Steuersignal in Gestalt eines Basisstroms für einen Schaltspannung genau vorherzusagen,
der beiden Transistoren angelegt. Auf diese Weise Weiterhin ist es außerordentlich schwierig, solche

kann das Bauelement gezündet und in seinen nieder- Halbleiterschalter herzustellen, die Schaltspannungen impedanten Zustand gebracht werden, wenn die Span- 55 benötigen, die ausreichend niedrig sind, also beispielsnung an den verschiedenen in Sperrichtung vorge- weise 10 V oder weniger betragen. Drittens ist es spannten PN-Übergängen noch alle niedriger als die schwierig, solche Halbleiter herzustellen, die sich mit entsprechenden Durchbruchspannungen sind. Diese niedrigen Schaltströmen wie 100 Mikroampere schal-Art des Zündens erfordert jedoch, daß das Bauele- ten lassen. Viertens ist noch die Temperaturabhängigment mit einer dritten Elektrode ausgerüstet ist, um 60 keit der verschiedenen Betriebsparameter eines soldas Steuersignal anlegen zu können. Eine derartige chen Halbleiterschalters sehr hoch.
Anordnung ist in der deutschen Auslegeschrift Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung,

1 133 038 oder der französischen Patentschrift einen Halbleiterschalter mit drei PN-Übergängen zu 1 308 898 beschrieben. Aus der deutschen Auslege- schaffen, der nur eine geringe Schaltspannung und schrift 1133 038 ist darüber hinaus bekannt, zwischen 65 einen kleinen Schaltstrom erfordert. Das Schaltvereiner der äußeren Emitterzonen und der angrenzen- mögen soll dabei möglichst unabhängig von Tempeden Basiszone einen Nebenschluß anzuordnen. ratureinflüssen sein.

Daneben ist aus der deutschen Auslegeschrift Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterschalter

der eingangs genannten Art mit drei PN-Übergängen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die äußeren Anoden- und Kathodenbereiche sowie die dazwischenliegenden Anoden- und Kathodensteuerbereiche nahe der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers eine gemeinsame Oberfläche bilden, in einem der Steuerbereiche ein ebenfalls an die gemeinsame Oberfläche reichender zusätzlicher Bereich mit einem zu dem betreffenden Steuerbereich entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, so daß eine Steuerdiode mit einem N-Bereich und einem P-Bereich, die durch einen PN-Steuerübergang voneinander getrennt sind, hergestellt ist, wobei der zusätzlich ausgebildete Bereich der Steuerdiode über eine Leitung ohne Gleichrichtereffekt mit dem Steuerbereich gleichen Leitfähigkeitstyps verbunden ist, während der andere Bereich der Steuerdiode von dem anderen Steuerbereich, in dem der zusätzliche Bereich liegt, gebildet wird und daß die Durchbruchspannung des Steuerübergänges kleiner ist als die Durchbruchspannung des mittleren PN-Überganges zwischen den Anoden- und Kathodensteuergebieten, so daß bei einer die Durchbruchspannung des Steuerüberganges übersteigenden Spannung an den Elektroden ein Durchlaßstrom von der einen Elektrode über den Anodenübergang, den Steuerübergang, den Kathodenübergang zur anderen Elektrode erzeugbar ist.

Damit ein derartiger Halbleiterschalter in beiden Richtungen zu schalten vermag, d. h. unabhängig davon, ob nun an die eine oder die andere Anschlußelektrode eine positive Schaltspannung angelegt ist, wird der Halbleiterschalter unter Hinzunahme eines weiteren PN-Überganges und eines weiteren Bereiches in der Weise symmetrisch aufgebaut, damit die Reihenfolge der Bereiche und der PN-Übergang von einer Elektrode zur anderen und umgekehrt dieselbe ist.

Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben.

F i g. 1 zeigt schematisch einen bekannten Vierschicht-PNPN-Halbleiterschalter mit drei PN-Übergängen;

F i g. 2 ist eine Blockschaltung und zeigt ein 2-Transistor-Analogon für den Vierschicht-Halbleiterschalter aus Fig. 1;

F i g. 3 ist ein schematisches Schaltbild des 2-Transistor-Analogons aus F i g. 2 und zeigt die Verbindungen für die positive Mitkopplung zwischen den beiden Transistorteilen;

• Fig. 4 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Halbleiterschalters mit zwei Elektrodenanschlüssen nach der Erfindung;

F i g. 5 ist ein fragmentarischer Schnitt durch eine Ausführungsform eines Halbleiterschalters nach Fig. 4, der nach der Erfindung in Planartechnik hergestellt ist;

Fig. 6 ist ein fragmentarischer Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterschalters nach der Erfindung, der ebenfalls in Planartechnik hergestellt ist; &>

Fig. 7 ist eine schematische Blockdarstellung des Halbleiterschalters aus Fig. 6;

Fig. 8 ist ein fragmentarischer Schnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterschalters nach der Erfindung, der ebenfalls in Planartechnik hergestellt ist;

Fig. 9 ist eine Ausführungsform der Erfindung, die der F i g. 8 ähnlich ist;

Fig. 10 ist eine schematische Blockdarstellung des Halbleiterschalters nach F i g. 9;

Fig. 11 ist ein schematisches Schaltbild des Halbleiterschalters nach F i g. 9;

Fig. 12 zeigt die Stromspannungskennlinien der Halbleiterschalter nach den F i g. 5, 6 und 8;

Fig. 13 ist ein schematisches Blockschaltbild eines Halbleiterschalters nach der Erfindung, der in beiden Richtungen leiten kann und mit zwei Elektroden ausgerüstet ist;

F i g. 14 ist ein fragmentarischer Schnitt durch den Halbleiterschalter nach Fig. 13, der in Planartechnik ausgeführt ist;

Fig. 15 zeigt die Stromspannungskennlinien der Halbleiterschalter nach F i g. 13 und 14.

In der F i g. 1 ist ein Vierschicht-Halbleiterschalter bekannter Art dargestellt, der eine Anode 2, ein Anodensteuergebiet 4, ein Kathodensteuergebiet 6 und eine Kathode 8 aufweist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Anode 2 und das Kathodensteuergebiet 6 P-leitend, während die Kathode 8 und das Anodensteuergebiet 4 N-leitend sind. Ein Halb- Q-leiterbauelement, bei dem die Leitungstypen in den ^ einzelnen Zonen vertauscht sind, arbeitet ebenfalls auf den gleichen Grundlagen, die anschließend noch beschrieben werden. Die Grenzschicht zwischen der Anode und dem Anodensteuergebiet stellt einen Anoden-PN-Ubergang J_A dar, während die Grenzfläche zwischen der Kathode und dem Kathodensteuergebiet einen Kathoden-PN-Übergang J_K darstellt. Die Grenzfläche zwischen dem Anodensteuergebiet 4 und dem Kathodensteuergebiet 6 stellt einen mittleren oder einen Kollektor-PN-Übergang /_c dar. Um nun zu verstehen, wie ein solches Vierschicht-Halbleiterelement arbeitet, soll auf sein 2-Transistor-Analogon zurückgegriffen werden. Das ist möglich, da die Anode, das Anodensteuergebiet und das Kathodensteuergebiet als ein PNP-Transistor aufgefaßt werden können, während das Anodensteuergebiet, das Kathodensteuergebiet und die Kathode als ein NPN-Transistor aufgefaßt werden können, wie es in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Der PN-Übergang J_c ist der Kollektorübergang für beide Transistoren. Die beiden komplementären Transistorenteile arbeiten so, als ob zwischen ihnen eine positive Mitkopplung herrschte. Der Kollektorstrom des PNP-Transistors gibt dann den Basissteuerstrom für den NPN-Transistor ab, während der Kollektorstrom des NPN-Transistors den Basissteuerstrom für den PNP-Transistor darstellt

Der Halbleiterschalter, der schematisch in der F i g. 4 dargestellt ist, ist nach der Erfindung aufgebaut. Er weist vier Gebiete auf, die den Gebieten des Halbleiterschalters nach F i g. 1 ähnlich sind. Zusatz-, lieh ist der Halbleiterschalter nach F i g. 4 mit einem N-leitenden Gebiet 22 und einem P-leitenden Gebiet 24 versehen; die Grenzfläche dieser beiden Gebiete bildet einen Steuerübergang J₂. Diese beiden zusätzlichen Gebiete stellen somit zusammen mit dem PN-Übergang J₂ eine Steuerdiode 26 dar. Das N-leitende Gebiet der Steuerdiode 26 ist über die Verbindung 28 mit dem Anodensteuergebiet 4 ohmisch verbunden, während das P-leitende Gebiet der Steuerdiode mit dem Kathodensteuergebiet 6 über die Verbindung 30 ohmisch verbunden ist. Wenn die Anode 2 gegenüber der Kathode 8 eine Spannung aufweist, die größer als die Durchbruchspannung der Steuerdiode 26 ist, fließt ein Strom durch das Halbleiterbauelement, der dem

Weg folgt, der durch die gestrichelte Linie S dargestellt ist. Dieser Strom fließt durch den Anodenübergang J_A und den Steuerübergang J₂ zum Anodenübergang Z₄.

Die Steuerdiode ist so hergestellt, daß ihre Stromspannungskennlinie bei der Durchbruchspannung einen scharfen Knick aufweist, so daß die Diode nach dem Durchbruch eine sehr niedrige Impedanz aufweist. Es kann somit durch die Diode nach dem Durchbruch ein merklicher Strom fließen, ohne daß sich der Spannungsabfall an der Diode merklich erhöht. Durch den Durchbruch der Diode 26 wird daher durch die PN-Übergänge J_A und J₁^ so viel Strom hindurchgeschickt, daß das Produkt der ß-Werte für die beiden Transistoren (h_{fe 2} und h_fe J auf einen Wert anwächst, der 1 erreicht oder überschreitet. Dadurch wird der ganze Halbleiter gezündet, so daß in der Anode 14 und der Kathode 16 nur eine niedrige Impedanz herrscht. Wenn der Halbleiterschalter gezündet hat, bleibt er so lange im niederimpedanten Zustand, als ein ausreichender Strom fließt, um das Produkt der /3-Werte der beiden Transistoren gleich oder größer 1 zu halten.

Da es nach dem bisherigen Stand der Technik keine Schwierigkeiten bereitet, die Steuerdiode 26 so herzustellen, daß sie eine genaue bestimmte Durchbruchsspannung aufweist, sieht man, daß das Zünden oder Umschalten des Halbleiterschalters vom hochimpedanten zum niederimpedanten Zustand spannungsabhängig ist und recht genau bei einer vorgegebenen Spannung durchgeführt werden kann. Darüber hinaus kann dieser Halbleiterschalter bei niedrigen Spannungen gezündet werden, die 10 V oder weniger betragen, ohne daß ein zusätzliches Steuersignal an einer zusätzlichen Elektrode erforderlich wäre. Die Zündspannung ist vielmehr ausschließlich von der Durchbruchspannung der Steuerdiode bestimmt.

Aus der Erörterung des Halbleiterschalters nach F i g. 4 geht hervor, daß die zum Zünden des Halbleiterschalters erforderliche Spannung gleich der Summe aus der Durchbruchsspannung der Steuerdiode und dem Spannungsabfall ist, der an den beiden PN-Übergängen J _A und J_K in Durchflußrichtung herrscht. Die Durchbruchsspannung des Steuerüberganges J₂ sollte kleiner als die Durchbruchsspannung des mittleren PN-Überganges /_c sein, um sicherzustellen, daß die Umschaltspannung für den Halbleiterschalter nur von den Eigenschaften der Steuerdiode abhängt. Wenn der Halbleiterschalter gezündet hat, fällt der Spannungsabfall an der Steuerdiode auf einen Wert ab, der zu klein ist, um die Steuerdiode im Durchbruchsgebiet leitend zu halten, so daß dann die Steuerdiode wie ein geöffneter Stromkreis wirkt. Die Wirkung des Ausschaltens der Steuerdiode aus dem Stromkreis besteht darin, daß der Haltestrom, der nun durch den mittleren PN-Übergang J_c fließt, größer als der ursprüngliche Schaltstrom ist, der seinen Weg über den PN-Übergang J₂ der Steuerdiode nimmt.

Ein zusätzlicher wichtiger Vorteil eines Halbleiterschalters nach der Erfindung besteht darin: Es ist bekannt, daß man solche Steuerdioden herstellen kann, deren Durchbruchsspannung eine bestimmte Funktion der Temperatur ist. Weiterhin ist bekannt, daß der Temperaturkoeffizient einer solchen Steuerdiode in bekannter Weise von der Durchbruchspannung einer solchen Diode abhängt. Man kann daher den Temperaturkoeffizient der Durchbruchsspannung derart wählen, daß der Spannungsabfall an den Dir odenübergängen J_A und J_K in Flußrichtung, der bekanntlich ebenfalls temperaturabhängig ist, entweder gänzlich oder mit jeder gewünschten Genauigkeit auf diese Temperaturabhängigkeit hin kompensiert werden kann. Wenn beispielsweise zur Herstellung der Steuerdiode und der vier Zonen 2, 4, 6 und 8 aus F i g. 4 Silizium verwendet wird, kann man die Durchbruchsspannung der Steuerdiode mit einem positiven Temperaturkoeffizienten für die Durchbruchsspannung versehen, der ausreicht, um die negativen Koeffizienten des Spannungsabfalls in Durchlaßrichtung an den beiden Diodenübergängen J_A und J_K zu kompensieren, wenn man der Steuerdiode eine Durchbruchsspannung zwischen 7 und 10 V gibt. Genauso wie bei dem Halbleiterschalter nach F i g. 1 kann man auch bei dem Halbleiterschalter nach F i g. 4 und den weiteren noch zu beschreibenden Ausführungsformen der Erfindung die Leitungstypen in den ver-

ao schiedenen Zonen vertauschen, ohne daß dadurch ihre Wirkungsweise eine andere wird, sofern man nur die Polarität der angelegten Spannung ebenfalls ändert.

In der F i g. 5 ist ein Halbleiterschalter nach der Erfindung gezeigt, der dem Halbleiterschalter nach F i g. 4 elektrisch äquivalent ist. Der Halbleiterschalter nach F i g. 5 ist jedoch aus einer Halbleiterpille in Planartechnik hergestellt. Die verschiedenen Teile des Halbleiterschalters nach F i g. 5, die elektrisch den entsprechenden Teilen des Halbleiterschalters nach F i g. 4 äquivalent sind, sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. In der F i g. 5 sind die Anode, ^as Anodensteuergebiet, die Kathode und das Kathodensteuergebiet mit dem N- und dem P-Gebiet der Steuerdiode in einer einzigen Pille 31 eines einkristallinen Halbleitermaterials vereinigt, das Silizium sein kann. Alle PN-Ubergänge/4, J_K, J_c und J₂ enden an der oberen Oberfläche der Halbleiterpille und sind durch eine Schicht 32 abgedeckt, die beispielsweise aus Siliziumoxid bestehen kann. Oben auf der Schicht 32 ist eine elektrisch leitende Strecke 28^4 ausgebildet, die aus einem passenden Metall wie beispielsweise Aluminium hergestellt sein kann. Die elektrisch leitende Strecke 28^4 verbindet das N-Gebiet 22 der Steuerdiode mit der N-leitenden Anodensteuerzone 4, die an einer Stelle 29 gezeigt ist. Das Anodensteuergebiet an der Stelle 29 ist ausreichend stark N-leitend dotiert, um sicherzustellen, daß der Kontakt zwischen der elektrisch leitenden Strecke 28.4 und dem Anodensteuergebiet 4 ein ohmscher Kontakt ist.

Beim Herstellen eines Halbleiterschalters nach Fig. 5 wird ein N-leitender Silizium-Einkristall verwendet, dessen spezifischer Widerstand in der Nähe von beispielsweise 1 Ohm · cm liegt. Die Oberfläche des Silizium-Einkristalls wird mit einer Schicht aus Siliziumdioxid versehen, deren Dicke etwa 10 000 Ä beträgt. Die Oberflächenschicht wird dann abgedeckt, so daß sich Fenster aus der Oberflächenschicht herausätzen lassen, durch die hindurch in die Gebiete 2 und 6 Akzeptoren wie beispielsweise Bor eindiffundiert werden, um die Gebiete 2 und 6 P-leitend zu machen. Unter Verwendung einer ähnlichen photolithographischen Technik werden anschließend die

N-leitenden Gebiete 8 und 22 hergestellt. Das kann beispielsweise durch Eindiffusion von Donatoren, wie beispielsweise von Phosphor, durchgeführt werden.
Nun wird wiederum unter Anwendung der bekann-

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ten Maskentechnik die Metallschicht 28^4 aufgedampft, so daß sie sich auf der Oberfläche des HaIbleiterschalters niederschlägt und teilweise in die Oberfläche einlegiert. Dabei entstehen zwischen der elektrisch leitenden Schicht und dem N-leitenden Glied 22 der Steuerdiode sowie dem N+-leitenden Gebiet 29 des Anodensteuergebiets jeweils ohmsche Kontakte. Ebenso werden das Anodengebiet 2 und die Kathode 8 mit Elektroden 14 und 16 versehen. Man kann auf bekannte Weise mehrere Pillen 31 aus einem einzigen Einkristall gleichzeitig herstellen und diesen Einkristall anschließend in enzelne Pillen zerschneiden. Anschließend können die Pillen im Sockel montiert oder anderweitig weiter verarbeitet werden.

Wenn in dem Halbleiterschalter nach F i g. 5 die Durchbruchspannung für den Steuerübergang J₂ überschritten wird, fließt in dem Teil des Kathodensteuergebiets 6 zwischen dem Steuerübergang J₁ und dem Kathodengebiet 8 ein Strom, der durch die gestrichelten Linien 50 und 51 dargestellt ist. Wenn durch den PN-Übergang J_K ein genügend großer Strom fließt, so daß das Produkt der ß-Werte der beiden analogen Transistoren, in die die Gebiete 2, 4, 6 und 8 zerlegt werden können, gleich oder größer als 1 wird, zündet der Vierschicht-Halbleiterschalter und schaltet in seinen niedrigimpedanten Zustand um.

Wenn man die Größe des Schaltstromes genauer bestimmen will, der zum Umschalten des Halbleiterschalters in seinen niederimpedanten Zustand erforderlich ist, kann man entweder den PN-Übergang J_AZ° und/oder den PN-Übergang J_K durch einen Widerstand überbrücken, so daß für einen oder für beide dieser PN-Übergänge beim Fließen des gewünschten Schaltstroms zur Anode hin eine innere Vorspannung in Durchlaßrichtung erzeugt wird. Ein Beispiel für einen derart abgewandelten Halbleiterschalter ist in der F i g. 6 gezeigt, in der ein solcher ohmscher Widerstand als Nebenschluß zum PN-Übergang J_K geschaltet ist. Der Halbleiterschalter aus F i g. 6 entspricht in allem dem Halbleiterschalter nach F i g. 5, nur ist zusätzlich zwischen die Kathodenelektrode 16 und einem ohmschen Kontakt 42 an dem Kathodensteuergebiet 6 ein ohmscher Widerstand 40 geschaltet. Dieser Widerstand 40 kann nach bekannten Verfahren, wie man sie üblicherweise bei der Herstellung von integrierten Schaltungen verwendet, direkt in der Pille 31 hergestellt werden. Man kann aber auch eine Schicht aufbringen oder auch einen getrennten, festen oder veränderlichen Widerstand verwenden.

Die F i g. 7 zeigt das Halbleiterbauelement nach F i g. 6 in einer schematischen Blockdarstellung, wie sie auch in der F i g. 4 verwendet wurde. Wenn in dem Halbleiterschalter nach Fig. 6 der Durchbruch am Steuerübergang J₂ erfolgt ist, fließt der Strom in das Kathodensteuergebiet 6 über den Widerstand 40 zur Kathodenelektrode 16, wie es durch gestrichelte Linien 50 und 53 dargestellt ist. Der dem Produkt aus dem Widerstand 40 und dem Strom durch diesen Widerstand entsprechende Spannungsabfall hebt nun das Potential im Kathodensteuergebiet 6 gegenüber dem Kathodengebiet 8 an, so daß der PN-Übergang J_K in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Dadurch wird durch den Übergang J_K hindurch ein ausreichender Strom ausgelöst, durch den das Produkt der ß-Werte der beiden analogen Transistoren größer als 1 wird, so daß der Halbleiterschalter in seinen niederimpedanten Zustand übergeht. Die Größe des ohmschen Widerstandes 40 bestimmt daher die untere Grenze des Stromes, der durch ihn hindurchfließen muß, um den PN-Übergang J_K derart in Durchlaßrichtung vorzuspannen, daß der Halbleiterschalter in seinen niederimpedanten Zustand übergehen kann. Die Größe des Widerstandes 40, der dem Kathodenübergang parallel gelegt ist, bestimmt daher den kleinsten Wert des Anodenstroms, von dem an der Halbleiterschalter zünden kann.

Wie bereits erläutert wurde, kann man den Widerstand 40 auch als Nebenschluß dem PN-Übergang T₄ parallel legen. In diesem Fall wird der Übergang J_A in Durchlaßrichtung vorgespannt, wenn durch den Widerstand 40 ein ausreichender Schaltstrom fließt, so daß das Halbleiterschaltelement zündet, wenn das Produkt der /3-Werte der beiden analogen Transistoren 1 überschreitet. Als weitere Möglichkeit, die jedoch nicht gezeigt ist, können beide PN-Übergänge J_A und J_K durch Widerstände überbrückt werden, so daß die Einstellung der Steuerströme noch flexibler möglich wird.

Die F i g. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Vierschicht-Halbleiterschalters nach der Erfindung. Wie aus der Fig. 8 hervorgeht, steht das N-leitende Gebiet 22 der Steuerdiode an der Grenzfläche 28 B in direktem ohmschem Kontakt mit dem N-leitenden Anodensteuergebiet 4, so daß die äußere elektrisch leitende Strecke 28^4 aus Fig. 5 weggelassen werden kann. Ebenso wird auch die Funktion des Widerstandes 40, die im Vorspannen des PN-Überganges J_K in Durchlaßrichtung besteht, nun vom Eigenwiderstand eines Teils des Kathodensteuergebietes 6 übernommen, so daß ein besonderer Widerstand 40 nicht mehr notwendig ist. Das wird dadurch erreicht, daß der Strompfad zwischen dem Kathodensteuergebiet 6 und der Kathode 8 teilweise mit einer metallisch leitenden Schicht 33 überbrückt wird, die so angeordnet ist, daß sie die Kathodensteuerschicht 6 an einer Stelle kontaktiert, die vom PN-Übergang J₂ aus gesehen noch jenseits des Kathodengebietes 8 liegt. Wenn die Anode 2 positiv gegenüber der Kathode 8 ist, und wenn der Durchbruch am PN-Übergang J₂ bereits erfolgt ist, der Halbleiterschalter aber noch nicht gezündet hat, so nimmt der Strom durch den Halbleiterschalter einen Weg, der zwischen der Anode 2 und dem PN-Übergang J₂ durch die gestrichelte Linie 60 und zwischen dem Übergang J_z und der Kathode 8 durch die gestrichelte Linie 61 dargestellt ist. Der Nebenschlußkontakt 33 macht es möglich, daß zu Beginn Strom von dem PN-Übergang J₂ zur Kathode 8 gelangen kann, und daß dieser Strom direkt neben dem PN-Übergang J_K durch einen Teil des Kathodensteuergebietes 6 hindurchgehen kann. Die Länge der Strecke 61 und der Widerstand, der sich dem Strom im Kathodensteuergebiet 6 entgegensetzt, hängt von den relativen Anordnungen, den Abmessungen der Diffusionstiefe und dem Konzentrationsverlauf des Dotierungsmaterials in den Gebieten 6, 8 und 22 sowie vom Kontakt 33 ab. Genauso wie der Strom durch den Widerstand 40 in F i g. 6, erhöht auch der Strom, der vom Übergang J₂ aus durch das Kathodensteuergebiet 6 zum Kontakt 33 fließt, das Potential im Kathodensteuergebiet 6 sowie die Vorspannung am Übergang J_K in Durchlaßrichtung. Dadurch kann ein Strom auch durch den Übergang J_K fließen, der die positive Mitkopplung zwischen den beiden analogen Transistorenteilen auslöst, so daß der Halbleiterschalter zünden kann. Genauso, wie die Größe des Widerstandes 40 aus F i g. 6 den Minimal-

strom bestimmt, der zum Vorspannen des Überganges J_K und zum Auslösen des Schaltvorganges erforderlich ist, bestimmt nun der Widerstandswert der Leitungsstrecke 61 den geringsten Schaltstrom. Gegenüber dem Halbleiterbauelement nach F i g. 6 ermöglicht es der Aufbau des Halbleiterelementes nach Fig. 8, die Halbleiterpille 31 für einen gegebenen Nennstrom in Durchlaßrichtung kleiner zu machen. Außerdem hat die Ausführungsform nach F i g. 8 den Vorteil, daß die Größe der Widerstandsstrecke im Kathodensteuergebiet 6, die für die Vorspannung des Kathodenüberganges J_K verantwortlich ist, durch die relativen Anordnungen, durch die Abmessungen in Querrichtung, durch die Diffusionstiefen und durch die spezifischen Widerstände in den Gebieten 6, 8 und 22 sowie durch den Kontakt 33 genau bestimmt werden kann.

Die Fig. 12 zeigt nun eine Stromspannungskennlinie für einen Halbleiterschalter, wie er beispielsweise in den Fig. 5, 6 und 8 dargestellt ist. Auf der Ordinate ist der Strom von der Anode 2 zur Kathode 8 aufgetragen, während auf der Abszisse die Spannungsdifferenz zwischen der Anode und der Kathode aufgetragen ist. Wie aus der Fig. 12 hervorgeht, sind diese Schalter richtungsabhängige Schalter, d. h., sie zünden nur, wenn an die Anode 2 eine positive Schaltspannung angelegt wird, zünden jedoch nicht in der entgegengesetzten Richtung, es sei denn, daß eine verhältnismäßig große Spannung in Gegenrichtung angelegt wird, die erforderlich ist, um einen Durchbruch in den PN-Übergängen J_K und J_A hervorzurufen. Es wurden Halbleiterschalter nach Fig. 8 aufgebaut, bei denen der ß-Wert für den PNP-Transistorteil zwischen 0,05 und 0,5 und der /?-Wert für den NPN-Transistorteil zwischen 20 und 100 lag. Die Schaltspannungen für solche Halbleiterschalter lagen zwischen 6 und 10 V, während als Schaltströme Anodenströme zwischen 60 und 250 Mikroampere erforderlich waren. Der Schaltvorgang selbst zeigte eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit und änderte sich zwischen —50 und +150⁰C nur um 0,1 °/o. Der Haltestrom betrug etwa 500 Mikroampere. Bei einem Anodenstrom von 200 Milliampere betrug der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung 1,5 V. Ein typischer Wert für die Durchbruchsspannung in Sperrrichtung, das ist die Spannung, um die die Anode gegenüber der Kathode negativ gemacht werden muß, lag bei 50 V.

Wenn die Halbleiterschalter nach den F i g. 5, 6 und 8 gezündet haben, geht der Hauptstrom nicht mehr durch die Steuerdiode und durch den Übergang J₂ hindurch, sondern fließt unmittelbar von der Anode 2 zum Anodensteuergebiet 4 und anschließend durch das Kathodensteuergebiet 6 und die Kathode 8. Der Spannungsabfall an der Steuerdiode wird dann kleiner als die Durchbruchsspannung der Steuerdiode, so daß die Steuerdiode an der Stromleitung des Hauptstromes keinen Anteil mehr hat. Der Stromleitungsmechanismus in dem Schalter ändert sich daher, wenn der Halbleiterschalter gezündet hat. Hieraus erklärt sich der Unterschied im Schaltstrom und im Haltestrom, der in der F i g. 12 dargestellt ist. .

Vierschicht-Halbleiterschalter nach der Erfindung können in verschiedensten Schaltungen verwendet werden, in denen auch die bisherigen Halbleiterschalter der hier interessierenden Art verwendet wurden.

Man kann sie beispielsweise besonders gut als Schalter in Kreuzschienenverteilern wie beispielsweise in Telefonvermittlungen verwenden, in Oszillatoren, in Zählschaltungen, in Schaltungen, die einen negativen Widerstand erfordern, als Zündschaltungen für gesteuerte Halbleitergleichrichter sowie in zahlreichen Schaltkreisen.

Der Halbleiterschalter nach F i g. 9 ist dem Halbleiterschalter nach F i g. 8 ähnlich. Der Nebenschlußkontakt, der das Kathodensteuergebiet und die Kathode überbrückt, ist nun jedoch auf derjenigen Seite des Kathodengebietes 8 angeordnet, die dem PN-Übergang J₂ der Steuerdiode benachbart ist. Der Nebenschlußkontakt liegt also nicht mehr wie in F i g. 8 auf der anderen Seite des Kathodengebietes 8.

Ein schematisches Blockschaltbild des Halbleiterschalters nach Fig. 8 ist in der Fig. 10 dargestellt, während das analoge Schaltbild selbst in Fig. 11 gezeigt ist. Wenn im Halbleiterschalter nach Fig. 9 der Durchbruch am PN-Übergang J₂ der Steuerdiode er-

ao folgt ist, fließt der Strom von der Anode durch den Übergang J₂ der Steuerdiode direkt zum Kathodenanschluß 16, wie es durch die gestrichelte Linie 101 dargestellt ist. Wenn dieser Strom durch den PN-Übergang J_A fließt, so erzeugt er durch Transistorwirkung einen gewissen Strom im Kollektorübergang J_c-Die Größe dieses anfänglichen Stromes im PN-Übergang Jq ist gleich dem Strom durch den Übergang J_A multipliziert mit dem /S-Wert des analogen PNP-Transistorteils des Halbleiterschalters. Der Weg von diesem letzteren Strom ist zwischen den Übergang J_A und den Übergang Jq durch die gestrichelte Linie 102 dargestellt, während dieser Strom zwischen dem Übergang J_K einen Weg nimmt, der durch die gestrichelte Linie 40 B dargestellt ist. Wie man sieht, führt der Stromweg 40ß im Kathodensteuergebiet der Anordnung des Kontaktes 33 wegen am Kathodenübergang J_K entlang. Dieser Strom, der durch den Stromweg 40ß dargestellt ist, ruft auf Grund des Widerstandes des Kathodensteuergebietes 6, durch das er hindurchgeht, eine Spannungserhöhung im Kathodensteuergebiet 6 hervor, die ausreicht, den Übergang J_K in Durchlaßrichtung vorzuspannen. Dadurch wird das Umschalten des Halbleiterschalters in seinen niederimpedanten Zustand ausgelöst. Der Nebenschlußwiderstand von dem Kathodensteuergebiet zur Kathode wird in dem Bauelement nach F i g. 9 durch denjenigen Teil des Kathodensteuergebietes gebildet, durch den der Stromweg 40 ß hindurchgeht. Schematisch ist dieser Widerstand40 B in den Fig. 10 und 11 dargestellt. Wie beim Halbleiterschalter nach F i g. 8 bestimmt auch hier wieder die Größe dieses Widerstandes den Anfangsstrom, der zum Zünden des Halbleiterschalters erforderlich ist. Die Größe dieses Widerstandes kann man durch die relativen Anordnungen, die Querdimensionen, die Diffusionstiefen sowie die spezifischen Widerstände in den Gebieten 2, 6, 8 und 22 sowie durch den Kontakt 33 einstellen.

Die F i g. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die den Halbleiterschaltern nach F i g. 8 und 9 ähnlich ist. Der Halbleiterschalter nach F i g. 14 ist jedoch in der Lage, in beiden Richtungen zu schalten, d. h. in seinen niederimpedanten Zustand überzugehen, wenn eine positive Schaltspannung ent-

weder an die Anode 2 oder an die Kathode 8 angelegt wird. Wie aus der F i g. 14 und dem dazu äquivalenten schematischen Blockschaltbild aus Fig. 13 hervorgeht, fließt der Strom bei positiver Anode F 2 nach

Erreichen des Durchbruchs am PN-Übergang J_FZ, jedoch noch vor Zünden des Halbleiterschalters einen Weg entlang, der durch die gestrichelte Linie F dargestellt ist. Dieser Stromweg verläuft von der Anodenelektrode F14 zur Anode Fl, zum AnodensteuergebietF4, zum Kathodensteuergebiet F 6 und zum Kathodenanschluß F16. Wenn die Anode R 2 dagegen gegenüber der Kathode R 8 positiv ist, so fließt der Strom nach dem Durchbruch des PN-Überganges J_RZ, jedoch vor dem Zünden des Schalters, über einen Weg, der durch die gestrichelte Linie R dargestellt ist. Dieser Weg verläuft von der Anodenelektrode R14 aus durch die Anode R 2 und das Anodensteuergebiet R 4 bis zum Kathodensteuergebiet R 6 und zur Kathode R 8 hin. Für den Strom von der Anode F 2 bis zur Kathode F 8 ist der PN-Übergang der Steuerdiode der Übergang J_FZ, der zwischen dem N-leitenden Gebiet F 22 und dem P-leitenden Gebiet F 24 des KathodensteuergebietesFö liegt. Fließt dagegen der Strom von der Anode R 2 zur Kathode R 8, so ist der Steuerdiodenübergang /^₂ derjenige PN-Übergang, der zwischen dem N-leitenden Gebiet R 22 und dem Kathodensteuergebiet R 6 liegt. Die Kennlinie des Halbleiterschalters nach Fig. 14, der in zwei Richtungen schalten kann, ist nun in der F i g. 15 dargestellt. Die Kennlinie nach Fig. 15 ähnelt der Kennlinie nach Fig. 12. Die bistabilen Eigenschaften der Kennlinie im ersten Quadranten der F i g. 12 finden sich im ersten Quadranten der F i g. 15 wieder. Zusätzlich wiederholen sich jedoch diese bistabilen Eigenschaften auch im dritten Quadranten der Fig. 15.

Die erfindungsgemäßen Halbleiterschalter, seien sie nach den F i g. 5, 6, 8 oder 9 ausgebildet, oder sei es ein in zwei Richtungen leitender Halbleiterschalter nach Fig. 14, weisen eine Anzahl entscheidender Vorteile auf, die ein lange gehegtes Bedürfnis befriedigen. Einmal kann man diese Halbleiterschalter gegenüber Temperaturschwankungen außerordentlich unempfindlich machen. Weiterhin kann man diese Schalter mit sehr niedrigen, vorhersagbaren Spannungen schalten, die zwischen 7 und 10 V liegen können und durch die Durchbruchsspannung der Steuerdiode

ίο 26 bestimmt sind. Weiterhin kann man die erfindungsgemäßen Schalter mit sehr niedrigen Strömen schalten, die zwischen 60 und 100 Mikroampere liegen können. Das hängt von der Größe der Widerstände 40, 61 und 40ß ab, die für die Vorspannung am Emitterübergang der analogen Transistoren sorgt. Weiterhin lassen sich die erfindungsgemäßen Halbleiterschalter einfach herstellen, und zwar unabhängig davon, ob sie in einer Richtung oder in zwei Richtungen leiten. Hierzu kann man übliche photolithographische Verfahren und Abdeckverfahren verwenden, die von der Herstellung von Planartransistoren her bekannt sind. Alle PN-Übergänge J_A, J_c, J_K und J₁ können durch ein Oxid oder ein anderes Material dauernd abgedeckt werden, um störende Kriechströme auf ein Minimum zu reduzieren. Weiterhin kann man die erfindungsgemäßen Halbleiterschalter entweder in einem Gehäuse hermetisch abschließen oder sie auch, was billiger ist, in einem Kunststoff einkapseln. Die erfindungsgemäßen HaIbleiterschalter können so hergestellt werden, daß sie alle obenerwähnten günstigen Eigenschaften gleichzeitig aufweisen, und zwar unabhängig davon, ob die Halbleiterschalter in einer oder in zwei Richtungen leiten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Halbleiterschalter mit einem Halbleiterkörper, der drei PN-Übergänge zwischen einem An^u odengebiet, einem Anodensteuergebiet, einem Kathodensteuergebiet und einem Kathodengebiet von abwechselndem und entgegengesetztem Leit-.

f ähigkeitstyp aufweist, wobei die äußeren Anoden- und Kathodenbereiche über Anschlüsse ohne Gleichrichtereffekt mit zwei Elektroden in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Anoden- und Kathodenbereiche (2; 8) sowie die dazwischenliegenden Anoden- und Käthodensteuerbereiche (4; 6) nahe der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers (31) eine gemeinsame Oberfläche bilden, in einem der Steuerbereiche (4; 6) ein ebenfalls an die gemeinsame Oberfläche reichender zusätzlicher Bereich (22) mit einem zu dem betreffenden Steuerbereich ent- ao gegengesetzten Leitfähigkeitstyp ausgebildet ist, so daß eine Steuerdiode (26) mit einem N-B ereich und einem P-Bereich, die durch einen PN-Steuerübergang (I₂) voneinander getrennt sind, hergestellt ist, wobei der zusätzlich ausgebildete Bereich (22) der Steuerdiode (26) über eine Leitung (28 A, 29) ohne Gleichrichtereffekt mit dem Steuerbereich (4) gleichen Leitfähigkeitstypes verbunden ist, während der andere Bereich (24) der Steuerdiode (26) von dem anderen Steuerbereich (6), in dem der zusätzliche Bereich (22) liegt, gebildet wird, und daß die Durchbruchspannung des Steuerüberganges (I₂) kleiner ist als die Durchbruchspannung des mittleren PN-Überganges (7_C) zwischen den Anoden- und Kathodensteuergebieten (4; 6), so daß bei einer die Durchbruchspannung des Steuerüberganges (I₂) übersteigenden Spannung an den Elektroden (14; 16) ein Durchlaßstrom von der einen Elektrode (14) über den Anodenübergang (I_A), den Steuerübergang (I₂), den Kathodenübergang (/^) zur anderen Elektrode (16) erzeugbar ist.

2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Bereich (22) ein N-leitender Bereich ist und innerhalb des P-leitenden Kathodensteuerbereiches (6) ausgebildet ist.

3. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchspannungen des Steuerüberganges (I₂) und des ersten Emitter-Basis-Überganges (I_A) so gewählt sind, daß ihre jeweiligen Temperaturkoeffizienten im wesentlichen kompensiert sind. .

4. Halbleiterschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Elektroden (14; 16) über eine Verbindung ohne Gleichrichter-. effekt auch mit dem benachbarten Steuerbereich (4; 6) verbunden ist.

5. Halbleiterschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad zwischen dem Steuerübergang (I₂) und mindestens einer der beiden Elektroden (14; 16) durch einen Strombegrenzungswiderstand (40) überbrückt ist, der diese Elektrode mit einem etwa in der Mitte des Strompfades liegenden Punkt verbindet.

6. Halbleiterschalter nach einem oder mehreren

der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Bereich (22) sich von dem betreffenden Steuerbereich (6) über den mittleren PN-Übergang (/,.) in den anderen Steuerbereich (4) erstreckt und dadurch an der Grenzfläche (28 B) in direktem ohmschem Kontakt mit diesem Steuerbereich gleichen Leitfähigkeitstyp (4) steht, während der andere Bereich (24) der Steuerdiode über eine metallisch leitende Schicht (33) ohne Gleichrichtereffekt, die den Strompfad zwischen dem Kathodengebiet (6) und der Kathode (8) teilweise_x überbrückt, mit der zugehörigen Elektrode (16) verbunden ist.

7. Halbleiterschalter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 mit richtungsunabhängiger Schaltfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterschalter unter Hinzunahme eines weiteren PN-Überganges und eines weiteren Bereiches in der Weise symmetrisch aufgebaut ist, daß die Reihenfolge der Bereiche und der PN-Übergänge von einer Elektrode zur anderen und umgekehrt dieselbe ist ■