DE2131747A1

DE2131747A1 - Verzahnt aufgebautes Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2131747A1
Application number: DE19712131747
Authority: DE
Inventors: Storm Herbert Frederick
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1970-06-26
Filing date: 1971-06-25
Publication date: 1971-12-30
Also published as: FR2096511A1; DE2131747C2; GB1343794A; US3609476A; JPS5347672B1; FR2096511B1; DE7124567U; CA926028A

Description

Dr.-Ing. Wilhelm Reichel DipHng. Wolfgang Reichel

6 Frankfurt a. M. 1
Parksiraße 13

GEEERAL ELECTRIC COMPANY, Schenectady, Ή.Ί. VStA

Verzahnt aufgetautes Harble it erbaue leine nt

Die Erfindung bezieht sich auf verzahnt aufgebaute Halbleiterbauelemente mit äußeren Halbleiterschiohten und mit .mindestens einer inneren Schicht, die einen bestimmten Leitfähigkeitstyp aufweist und die mit einer Steueranschlußklemme verbunden ist. Die Erfindung befaßt sich insbesondere mit der Geometrie von verzahnt aufgebauten Anordnungen für Halbleiterbauelemente, beispielsweise mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Thyristoren und Transistoren, die durch das Vorliegen oder die Abwesenheit eines Steuerstroms an einer Steuerelektrode nicht leitend gemacht werden können.· Die Erfindung befaßt sich dabei besonders mit Emitter-Basisanordnungen, die in Form von Evolventen miteinander verzahnt sind, um Pestkörperbauelemente für höhere Leistungen und bei höheren Frequenzen zu verwenden.

Der mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbare Thyristor oder Siliciumgleichrichter ist ein Vierschichtenhalbleiterbauelement, welches dem üblichen Thyristor ähnlich ist, weil es nämlich dadurch in den leitenden Zustand gebracht wird, daß ein Stromimpuls seiner Steuerelektrode zugeführt wird. Anders als bei üblichen Thyristoren wird der durch mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Thyristoren

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fließende Laststrom durch einen Stromimpuls entgegengesetzter Polarität abgeschaltet, der dem Steueranschluß zugeführt wird, wodurch keine besonderen Kommutierungsbauelemente notwendig sind, die den erforderlichen Raum, die Größe und den komplizierten Aufbau von üblichen !Dbyristorschaltungen vergrößern würden. Wegen der kürzeren Abschaltzeit ergibt sich als ein weiterer, häufig übersehener Vorteil die Anwendungsmöglichkeit bei höheren !Frequenzen. Trotz dieser sehr erwünschten Eigenschaften wird der mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbare Thyristor, der auch als "GTO-Schalter oder GTO-SCR" bekannt ist, nicht in dem weiten Maße verwendet, und zwar insbesondere deshalb, weil die verfügbaren Bauelemente nur eine geringe Leistung aufvieisen vobei sie einenLaststrom von nicht mehr als einigen Ampore aufnehmen können. Das Problem besteht dabei darin, daß bei höheren Katodenströmen die Steuerelektrode ein Abschalten nicht mehr ausführen kann. Um den fließenden Strom in einem Thyristor mit Hilfe des Steueranschlusses zu unterbrechen, muß die gesamte Eläche des mittleren Übergangs zwischen den beiden inneren Halbleiterschichten gleichzeitig abgeschaltet werden. Wenn zunächst ein Teil der Übergangsflache abgeschaltet wird, dann konzentriert sich der Laststrom auf die übrigen Teile und erhöht die Stromdichte und die Temperatur dieser übrigen Teile, wodurch es noch schwieriger oder unmöglich wird den Strom vollständig abzuschalten. Wenn man den Aufbau eines mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Thyristors größerer Leistung untersucht, dann ergibt sich als Hauptproblem die Entfernung der überschüssigen Ladungsträger aus dem gesamten Querschnitt der Übergangsfläche, wobei diese Entfernung der Ladungsträger mit nur wenigen YoIt Steuerspannung erreicht werden muß. Größere mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbare Thyristoren lassen sich auf dem Gebiet der Leitungselektronik beispiels-

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weiöe bei Wechselrichtern, Zyklokonvertern, Radarimpulsgebern und leistungsfaktorsteuerschaltungen verwenden.

Es ist gut bekannt, daß ein Transistor eine Halbleiteranordnung mit drei Schichten ist und daß er vom nichtleitenden Zustand in den leitenden Zustand dadurch umgeschaltet und im leitenden Zustand dadurch gehalten wird, daß ein Steuerstrom der Basisschicht zugeführt wird. Im Gegensatz zum mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Thyristor, bei dem das Problem beim Abschalten liegt, ergibt sich beim Leistungstransistor keine Schwierigkeit beim Abschalten sondern es 1st schwierig ein vollständiges Einschalten über den gesamten Querschnitt der leitenden !Fläche zu erreichen. Wenn der Transistor so arbeitet, daß nur ein Teil der leitenden Fläche, beispielsweise 50 #, leitet, dann wird der Wirkungsgrad entsprechend vermindert. Wenn man die Leistungswerte der Üblichen gesteuerten Siliciumleistungsgleichrichter als Bezug nimmt, dann werden Transistoren meistens nur als Bauelemente mit geringer Leistung verwendet. Es besteht also ganz allgemein der Wunsch nach Transistoren mit größerer Leistung.

Bei größeren mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Thyristoren ist eine Verzahnung der Emitter-Steueranschlußfläche notwendig und es führen die gleichen Überlegungen auch zu einer verzahnten Emitter-Basisanordnung für einen Leistungstransistor. Wenn die einzelnen Emitter- und Steueroder Basiselemente in parallelen Streifen angeordnet sind, deren Abmessungen so sind, daß der seitliche Widerstand des Steueranschlusses oder der Basis einheitlich und gering ist, dann erreicht man ein gleichzeitiges Abschalten aller Elemente an der Übergangsfläche durch eine geringe Steuerleistung. Ein rechteckig verzahntes Muster auf einer runden Halbleiterscheibe führt jedoch zu einer unvorteilhaften

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Raumausnutzung an den Rändern der Scheibe. Der Verlust an verfügbarer Übergangsfläche durch die ungünstige Raumausnutzung ist deshalb eine Begrenzung für den Stromwert. Folglich ist eine rechteckförmige Anordnung auf einer kreisförmigen Scheibe nicht für Bauelemente mit größerer Leistung geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Pestkörperschaltvorrichtungen mit gesteuertem Einschalten und gesteuertem Abschalten größerer Leistung zu schaffen, beispielsweise einenmit Hilfe des Steueransohlusses abschaltbaren Thyristor öder einen Transistor, die in ihrer Verzahnung verbessert angeordnet sind, so daß eine kreisförmige Halbleiterscheibe maximal oder optimal ausgenutzt wird.

Diese Aufgabe v/ird dadurch gelöst, daß mehrere längliche verzahnte Steuerkontaktelemente und Halbleiteraußenschichtelemente von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp eine konstante Breite aufweisen, evolventenförmig ausgebildet sind und parallel zueinander an der Oberfläche der inneren Halbleiterschicht angeordnet sind und daß durch Kontakteinrichtungen eine elektrische Parallelschaltung der evolventen-.förmigen Halbleiteraußenschichtelemente und unabhängig davon eine elektrische Parallelschaltung der evolventenförmigen Steuerkontaktelemente vorgesehen ist.

Gemäß der Erfindung ist also eine verzahnte Emitterschicht-Basisschicht (oder Emitterschicht-Steueranschlußscbicht)-anordnung in der Porm von Evolventen auf einer kreisförmigen Scheibe gebildet. Da die Scheibenfläche besser ausgenutzt ist, lassen sich damit Halbleiterbauelemente mit größeren Nennleistungen verwirklichen. Die Konturen der evolventenförmigen verzahnten Emitter- und Basiskontaktelemente sind gleich, wodurch die Herstellung von Masken erleichert ist

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und ein gleichzeitiges Abschalten der gesamten Übergangsfläche bei einem mit Hilfe eines Steueranschlusses abschaltbaren !Thyristor und ein gleichzeitiges Einschalten, bei einem Transistor gewährleistet ist.

Wenn die Terzahnte Emitterschicht-Basisanschlußanordnung mit Evolventengeometrie bei Leistungshalbleiterbauelementen verwendet wird, dann wird die Nennleistung und das Frequenzverhalten bei hohen Frequenzen verbessert.

Wenn mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbare Leistungsthyristoren und leistungstransistoren den verzahnten Aufbau der oben angegebenen Art aufweisen, dann lassen sich solche Bauelemente mit geringen Steuer- oder Basisspannungen steuern.

Gemäß der Erfindung ist eine verbesserte verzahnte Anordnung für ein Mehrschichten-Halbleiterbauelement vorgesehen, welches Außenschichten und mindestens eine Innenschicht aufweist, die mit einer Steueranschlußklemme verbunden ist, um das Abschalten und Einschalten des Bauelements zu steuern. Auf einer kreisförmigen Halbleiterinnen(oder -basis-)schicht eines Leitfähigkeitstyps sind mehrere längliche verzahnte Halbleiteraußenschicht(oder Emitter)-elemente entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet und ferner Steuerkontakt (oder Basis)-elemente die alle eine gleichbleibende Breite haben. Alle diese Elemente sind evolventenförmig ausgebildet und auf einer Oberfläche der inneren Halbleitersohicht parallel zueinander angeordnet. Kontaktvorrichtungen bilden eine parallele elektrische Verbindung für die evolventenförmigen Halbleiteraußenschichtelemente und sie bilden fernes eine davon unabhängige parallele elektrische Verbindung für die Steuerkontaktelemente· Sie Evolute der Evolventenkurven, die die Elemente "begrenzen, ist vorzugweise ein. Kreis

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und die zuletzt erwähnten Kontaktvorrichtung©!! sind auf der inneren Harbleitersohicht innerhalb des evoluten Kreises gebildet oder sie sind als ringförmiges Kontaktelement am Umfang der Halbleiterscheibe oder zwischen der Evolute und dem Umfang vorgesehen. Die Evolventen können, wenn man es wünscht, mit entgegengesetzter Steigung versehen sein· Die Evolventenanordnung erleiQktei'ti uiu gleichzeitiges Abschalten und ein Schalten aller Seile der Übergangslasche bei einem mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren !Thyristor bzw. bei einem Iransistor und ermöglicht durch die Verwendung eines größeren Seils der Halbleiterscheibenfläche größere Nennleistungen.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen beispielshalber beschrieben. Dabei zeigen:

Pig. 1 ein schematiscbes Sahaltbild eines mit Hilfe des Steueranschlusses absehaltbaren PNHf-Ihyristors mit dessen Hilf® das Prinzip solch eines Bauelements erklärt

Pig. 2 einen schematise hen. Schnitt duiab.einen mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren PÜTIT-Thyristor mit einer verzahnten Ejaitter-Steueranschlußanordnung, wobei diese Pig&u auch kennzeichnend ist für einen Schnitt äuvch ein Bauelement mit einer Verzahnung in Paris einei? Evolvente * wie sie in Pig· 5 dargestellt ist, ]

Pig. 5 eine 9tellansi.ob$ eiser verzahnten Emitter-Steueran« sohluSanordnung yqu oben» bei der Quadrante eines Kreises verwetidet werden und durch die dargestallt werden soll, wie die Halbleiterscheibe besser ausgenutzt werden kaust» wann man ©ine Evolvent β nan σ iSciung verwendet, - _ '-■:_ ' ' ,

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Pig. 4 eine Ansicht, aus der sich die Geometrie einer Evolvente ausgehend von einem Kreis ergibt,

Pig. 5 eine Teilansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Emitter-Steueranschlußverzahnung in Form einer aus einem Kreis erzeugten Evolvente auf einer kreisförmigen Halbleiterscheibe,

Pig. 6, 7 und 8 abgewandelte Ausführungsformen der bevorzugten Ausführungsform nach Pig. 5» wobei die Figuren Teilansichten der anderen verzahnten evolventen Anordnungen gemäß der Erfindung sind,

Pig. 9 ein schematisches Schaltbild ähnlich Pig. 1 eines HPff-leistungstransistors und

Fig. 10 einen schematischen Schnitt ähnlich dem nach Fig. 2 eines NPN-leistungstransistors mit einer verzahnten Emitter-Basisanordnung·

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Der in Fig. 1 dargestellte mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbare Thyristor 15 ist eine Einrichtungs-Tbyristortriode, die einen Halbleiterkörper mit vier Schichten aufweist, der auch durch ein Steuersignal an dem Steueranschluß durchgeschaltet wird. Das Bauelement 15 ist vorzugsweise ein mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbarer Siliciumthyristor mit einer PUTW-Halbleiteranordnung, der jedoch auch als UPNP-Anordnung ausgeführt sein kann und aus anderen Halbleiterwerkstoffen wie Silicium, beispielsweise aus Germanium hergestellt sein kann. Die äußere Pi-Schicht 16, die" oit einer Anodenanschlußklemme A verbunden ist, ist als Anoden- oder Kollektorschicht bekannt, während die andere äußere 1T2-Schicht 19, die mit einer Katodenanschlußklemme C verbunden ist, als Katoden- oder Emitterschicht bekannt ist. Innere ΒΓ1- und P2-Schichten 17 und 18 sind die Steuer- oder !Basisschichten. Eine Steueranschlußklemme G- ist mit der Steuerschicht 18 verbunden und eine Steuerdurchschalt- und -abschaltschaltung 20 ist zwischen die Steueranschlußklemme G und die Kätodenanschlußklemme G geschaltet. Wenn man einmal annimmt, daß das Potential an der Anodenanschlußklemme positiv gegenüber dem Potential an der Katodenanschlußklemme ist, dann wird bei Zuführung eines positiven Steuerimpulses an der Steueranschlußklemme G von der Steuerschaltung 20 das Bauelement von seinem Sperrzustand mit großer Impedanz durchgeschaltet und leitend gemacht, so daß ein Laststrom I^ durch das Bauelement fließt. Um dann von dem leitenden Zustand geringer Impedanz in den Sperrzustand mit hoher Impedanz wieder umzuschalten, wird ein negativer Abschaltimpuls der Steueranschlußklemme G von der Steuerschaltung 20 zugeführt, was dazu führt, daß der Steuerstrom I„ zu der Steuerschicht 18 unterbrochen wird und daß ein Zustand eingestellt wird, durch den das Bauelement nicht leitend wird. Der mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbare Thyristor läßt sich als

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Festkörperschalter sowohl in G-leichstroinschaltungen als auch in Wechselstromschaltungen verwenden und wenn er an eine Wechselstromquelle angeschlossen wird, dann wird seine Speisespannung, wie bei einem gewöhnlichen Thyristor bei den natürlichen Stromnulldurchgängen oder bei Änderung der Polarität der leitungsspannung umgeschaltet.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist zwar unabhängig von der relativen Stärke und dem spezifischen Widerstand der vier Halbleiterschichten 16 bis 19, jedoch sei zur Erläuterung angenommen, daß die N1-Steuerschicht 17 eine wesentlich größere Stärke und einen wesentlich größeren spezifischen Widerstand hat als die anderen Schichten. Ferner hat die P2-Steuerschicht 18 einen spezifischen Widerstand, der einige Größenordnungen größer ist als der der N2-Emitterschicht Wenn der Thyristor in Rückwärtsrichtung vorgespannt ist, wobei die Katodenanschlußklemme C positiv gegenüber der Anodenanschlußklemme A ist, dann übernimmt ein Übergang J1 zwischen der P1-Schicht 16 und der HI-Schicht 17 die Spannungssperrfähigkeit. Es bilden sich Verarmungszonen auf beiden Seiten des Übergangs J1, jedoch sind im Hinblick auf das hohe Steuerverhältnis der spezifischen Widerstände der ΙΓ1 -Schicht in bezug auf die P1-Schicht die Dicke der Verarmungszone und die an der P1-Schicht abfallende Spannung vernachlässigbar klein gegenüber der Dicke der Verarmungszone und der an der H1-Schicht abfallenden Spannung. Ein Übergang J3 zwischen der P2-Schicht 18 und der N2-Schicht erhöht die Spannungssperrfähigkeit nur um einen geringen Betrag, da die P2-Schicht 18 eine große leitfähigkeit aufweist. Wenn der Thyristor in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, wobei die Anodenanschlußklemme A positiver ist als die Katodenanschlußklemme C, dann ist durch einen Übergang J2 zwischen der Fl-Schictat 17 und der P2-Schicht 18 die Vorwärts-Durehbruchsspannungseigenschaft gegeben, bis das

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Bauelement durch das Zuführen von positiven Steuerstromimpulsen zu der P2-Steuerschicht leitend gemacht wird. Wenn das Bauelement einmal leitend gemacht ist, dann kann der Steuerstromimpuls abgeschaltet werden und das Bauelement "bleibt leitend wie ein üblicher Thyristor. Wenn das Bauelement 15 sich in seinem leitenden Zustand mit geringer Impedanz befindet, dann fällt an dem mittleren Übergang J2 eine Vorwärtsspannung oder Vorwärt s-EMC (elektromotorische Kraft) ab. Ein Abschalten des Bauelements wird dadurch erreicht, daß die Spannung an dein mittleren Übergang von der Vorwärtsrichtung in die Gegen-EMK-Richtung umgekehrt wird. Die Spannungsumkehrung wird in zwei Stufen ausgeführt, wobei bei der ersten die Vorwärts-EM auf Full vermindert wird und bei der zweiten die G-egen-EMK aufgebaut wird. Die Theorie, die diesen Mechanismen zugrunde liegt, ist in der Veröffentlichung des Erfinders mit dem !Titel "Introduction to Turn-off Silicon-Controlled Rectifiers", AIEE Transactions on Gomminication and Electrons, JuIi 1963₃ S. 375 bis 383, erklärt. Die Verminderung der vorwärts-EMC auf Hull, wodurch das Bauelement ζα& !"bsohalt-m des Lastst-^z'omes eingestellt wird, wird dadurch erreicht, daß der nogaiive Steuerstrom Ip, an der Steueranschlußklemme G abgeschaltet wird. Um ein rasches Entfernen von angehäuften Ladungsträgern durch ein Abziehen von der gesamten 3?läche des mittleren Übergangs J2 zu ermöglichen, ist es notwendig, eine verzahnte Emitter-Steueranschluß-Anordnung, d.h. riischen der P2-Schicht 18 und H2-Schicht 19 zu verwenden. Das rasche Entfernen von Ladungsträgern durch Abziehen ermöglicht eine große Erholgeschv/indigkeit utid folglich ein Arbeite ι des Bauelements 'bei hohen Preq/asasäe-ö, während andererseits die Ladungsträger durch den langsameren Vorgang der Rekombination verschwinden. Die negative Steuerspannung, die dazu verwendet wird, die angesammelten Ladungsträger abzuziehen₉ muß jedoch

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relativ gering sein, da der Übergang J3 keine große Steuerspannung Vg aushält. Pur den Übergang J3 ist die Rückwärtsdurchbruchsspannung bei einem typischen mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Thyristor, wie er zur Erläuterung vorgesehen ist, etwa 10 bis 20 Volt. Deshalb muß die Steuerspannung V_& viel geringer als dieser Wert sein. Es ist ferner eine mittlere Steuerspannung erwünscht, um die erforderliche Steuerleistung zu vermindern. Wenn der mit Hilfe des Steueratisehlusses abschaltbare !Thyristor einmal abgeschaltet worden ist, dann ist der negative Steuerstrom nicht langer notwendig um den Sperrzustand mit hoher Impedanz aufrechtzuerhalten.

Pig. 2 zeigt einen typischen Schnitt durch einen mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren !Thyristor, mit einer verzahnten Emitter-Steueranschluß-Anordnung. Die P1-Anodenschicht 16, die H"1-Steuerschicht 17 und P2-Steuerschicht überdecken sich undverlaufen über die gesamte Breite des Bauelements. Es sind mehrere voneinander getrennte abwechselnde Emitter (Katoden)-Elemente 19* und Steuer(Basis)-kontaktelemente 21 auf der P2-Stsaerschicht 18 gebildet oder niedergeschlagen. Die miteinander verzahnten Emitterelemente und Steuerkontaktelemente21 sind wohl bei den bekannten Anordnungen gradlinig ausgebildet und sie verlaufen damit senkrecht auf der Papierebene und erscheinen von oben als eine Reihe voneinander getrennten Streifen oder Bändern. Alle Emitterelemente 19' sind durch eine Katodendruckscheibe 22 oder in ähnlicher Weise miteinander verbunden, beispielsweise dadurch, daß die Zwischenräume mit Siliciumdioxid aufgefüllt werden und daß eine Eontaktmetallisierung auf den bündigen Oberflächen des B"2-Elements niedergeschlagen wird. Die einzelnen Steuerkontaktelemente 21 sind parallelgeschaltet miteinander verbunden, wie es schematisch dadurch angedeutet ist, daß die Zuleitungen, die mit der Quelle

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für die Steuerspannung V_& miteinander verbunden sind. Es ist auch ein Kontakt mit der P1-Schicht 16 vorgesehen, die beispielsweise durch den üTiedersehlag einer Metallkontaktschicht 23, die beispielsweise aus Silber oder Aluminium besteht, hergestellt. Die metallischen Steuerkontaktelemente 21 können aus den gleichen Metallen hergestellt werden.

Bei dar verzahnten Geometrie erstreckt sich ein einziges mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbares Bauelement von der Mitte eines Emitterelements 19' bis zu der Mitte ines danebenliegenden Steuerkontaktelements 21. Bei dem in Pig. 2 dargestellten abssissen Koordinatensystem erstreckt sieh der Einheitsthyristor 11a zwischen 0 und x,, während der spiegelbildliche Einheitsthyristor 11b, der mit ihm das mittlere Emitterelement 19* gemeinsam hat, sich zwischen O and'Xs erstreckte Ein Einheitsthyristor 11a^f der ein Steuerkontaktelement 21 mit dem Sinheitthyristor 11b gemeinsam hat, der jedoch sonst im Aufbau gleich dem Einheitsthyristor 11a ist, erstreckt sich von -x^ bis -x^ und ein Sinheitsthyristör 11b* erstreckt sich von x~ bis x*. Man erkennt, daB die Anordnung, die zwischen -x~ und x~ dargestellt ist» sich seitlich wiederholt und als Verzahnung vorgesehen ist. Der gesamte Laststrom It fließt rechtwinklig zu den Übergängen der Halbleiterplatte und teilt sich gleichmäßig auf die Einheitthyristoren auf, wobei jeder von ihnen einen Einheitslaststrom I., führt. Es sei nun für die folgend© Betrachtung auf den Einheitsthyristor 11a Bezug genommen, wobei dann in jedem Einheitsthyristor der Einheitslaststi'om X-, eine konstante Stromdichte erzeugt, wenn er von der P2-Steo,erschicht 18 in eine Emittereinheit oder ein Halbelement 19' fließt, wie es durch die gleichen Pfeile angedeutet ist« Der negative Einheitssteuerabschaltstrom I

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in der P2-Steuerschicht 18 fließt seitlich unter dem Smittereinheitselement 19* und tritt in die dane"benliegende Steuerkontakteinheit oder das Steuerkontakthalbelement 21 ein. Wie bereits oben erwähnt wurde, ist die Steuerspannung Y„ zum Abschalten negativ gegenüber der Katode. Damit ist die P2-Steuerschicht 18 bei einer abszissen Koordinate x^ am meisten negativ und sie wird weniger negativ, wenn sich χ dem Wert Mull nähert.

Um ein vollständiges Abschalten auf dem gesamten Querschnitt der leitenden Fläche an dem mittleren Übergang J zu erreichen, muß die Steuerspannung Y„ die angesammelten Ladungsträger von der gesamten leitenden Pläche entfernen und damit das Schaltungselement zum Abschalten des Laststromes einstellen. Die Abschaltsteuerspannung hängt im allgemeinen von der Größe des Abschaltsteuerstroms , dem Pläehenwiderstand der P2-Steuerschicht 18 und der Geometrie der Emitter-Steueranschluß-Yerzahnung ab. Wie bereits oben festgestellt wurde, ist die P2-Steuerschicht 18 bei x~ am meisten negativ und sie wird weniger negativ, wenn sich χ dem Wert Hull nähert. Der seitliche Steuerwiderstand, durch den die Steuerspannung

Yp wirken muß, damit der Abschaltsteuerstrom I_ abgeleitet «■ g

werden kann, kann in zwei Eeile aufgeteilt werden, nämlich in den seitlichen Steuerwiderstand zwischen 0 und x.. und den seitlichen Steuerwiderstand zwischen x^ und x*. -^³- ^man den erforderlichen Abschaltsteuerstrom I„ und den errechneten seitlichen Steuerwiderstand kennt, läßt sich die erforderliche negative Steuerspannung Y„ aufgrund des ohmschen Gesetzes bestimmen. Pur den Seil der P2-Steuerschicht 18, der sich unter der Hälfte des Emitterelements 19' befindet, ergibt sich dißam meisten negative Spannung bei X-. und die Wiederherstellung des Sperrzustandes des mittleren Übergangs J2 beginnt in dieser Umgebung. Während der Laststrom abgeschaltet wird, ziehen sich die Laststromfäden nach χ « 0 hin

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2u:nück, was dazu führt, daß der Sperrzustand des Übergangs nach Innen sich verschiebt« Während dieses Wiederherstellungsvorgangs erhöhen sich die L&ststromdichte und ebenso der yorwärtsspannungsa,"bfall as dem Thyristor, was zu einer Verminderung der Größe des Laststromes führt. Dieser Vorgang wird solange fortgesetzt, Ms kein Laststrom mehr fließt. Man kann anhand von bekannten Verfahren zeigen, daß die Steuerspannung₉ die erforderlich ist, die angesammelten ladungsträger zwischen 0 und x* abzuziehen, proportional dem Plächenwiderstand des Halbleiterwerkstoffes der P2-Steuer-S-Ohiebt 18 und su der Laststroisdichte ist, daß sie ferner proportional zu dem Quadrat des Abstandes d.. unter dem Emitterhalbeleiaent 19* ist und daß sie umgekehrt proportional zur Steuerstrom-Absohalwerstärkung ist, wobei die Steuerstromabschaltverstärkung gleich dem Verhältnis !-,/!„ ist. Es ist dabei wichtig festzustellen, daß die erforderliche Steuerspannung, für den Abstand d^ unter dem Emitterhalbelement 19' proportional zn äem Quadrat des Abstandes d^ ist. Dies' ^aigt die WisfesasSseit der Verzahnung bei der Verminderung 4es s@itliefe@ß Steaerwiderstaads. Polglich ist eine verisaliute EMtt^^-Sijasp-eaESchlufianordnung wesentlich bei eines größerem mit Hilf© des Steuesansohlusses abschaltbaren Ihyristor, dei" für gsoBer©'I»ast3tröae ausgelegt ist. Die gesamte erforderliche Steuerspannung enthält auch die Steuerspanmmg, die esforderliöh ist um die Ladungsträger zwischen^ aa& z« herauszazlehea· iian kann zeigen, daß dieser !eil der Steuerspamm&g propostiaaal zu dem Plächenwiderstand, der Laststromaichte,, des Produkts d^ (d₂ + 1/2 d^) und ungefähr proportional zvl der SteuOTS^iisabschaltverstärkung ist* ¥enn man die gesamte erforderliche Steuerspannung für ein besonderes £hyristoriaodell "berechnet, dann kann man annehmen, daß der seitliche Steuerwiderstand etwas durch Abwandlungen das spezifischen Leitfähigkeit vermindert ist.

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Ferner ist das Abschalten bei gegenüber den normalen Raumtemperaturen erhöhten Temperaturen schwieriger, weil sich der seitliche Steuerwiderstand mit der Temperatur erhöht und weil ferner die Stromverstärkungen mit der Temperatur abnehmen, wobei beide Effekte zu einer geringeren Steuerstromabschaltrerstärkung führen·

Tatsächlich sollten der Steuerstrom und die Steuerspannung größer sein als die Werte, die man erhält, wenn man auf diese Weise rechnet, damit man Übermäßige Abschaltverluste vermeidet und damit man auch eine höhere Erholgeschwindigkeit erhält.

Wenn der Thyristor abgeschaltet wird, dann bewegt sich der Laststrom von dem Rand des Emitterelements oder -Streifens 19* in sein inneres. Dabei vergrößert sich die Stromdichte und auch die Wärmeerzeugung pro Einheitsfläohe unter dem Emitterelement. Es wurde bereits oben darauf hingewiesen, daß das Abschalten des Thyristors bei höheren Temperaturen schwierig'wird und das Abschalten kann sogar tatsächlich, wenn die Temperatur au sehr anwächst, vollständig unmöglich werden. Solch ein Zustand kann äwm austrete«, wenn der Steuerflächenwiderstand nicht einheitlich ist» wodurch die laststromdichte stellenweise zu. groß wird. In ähnlicher Weise können sich bei einer Anordnung, bei der die Ränder der Steuerkontaktmetallelemente 21 nicht gleichen Abstand von den Rändern an den Mittellinien der Emitterelemente 19* haben, Ungleichmäßigkeiten in der laststromdichte hervorrufen, was zu Fehlern beim Abschalten führt· Wegen dieses speziellen Problems bei mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Thyristoren sollte die Entfernung, über die die überschüssigen ladungsträger von dem Emitter zu dem Steueransohluß bewegt werden sollen, konstant sein. Um ferner die Abschaltsteuerspannung niedrig zu halten, sollte das längen-Breiten-Verbältnis der Elemente groß sein.

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Wenn eine in geraden linien verzahnte mit Hilfe der Steueranschlußklemme abschaltbare Thyristoranordnung auf einer runden Halbleiterplatte gebildet wird, dann hat dies· den Nachteil, daß die Plattenfläche nicht vollständig ausgenutzt werden kann. Da die gleitende Fläche kleiner ist als die Übergangsflache, ist der.laststromwert begrenzt. Dieser Nachteil kann dadurch vermindert werden, wenn man der verzahnten Emitter-Steueranschlußanordnung ein kreisförmiges Muster gibt, wie es in Pig. 3 dargestellt ist. Eine Halbleiterplatte 25 hat. einen Radius Il und der innere Rand der verzahnten Anordnung wird durch einen Kreis mit dem Radius r gebildet. Die verzahnten Emitterelemente 19' und Steuerkontaktelemente 21 sind als konzentrischer Streifen oder Bänder ausgebildet und sie sind durch vier radial angeordnete Sammelstromwege 26 in vier Quadrate aufgeteilt, die den Steuerstrom zu dem Mittelstück 27 der Platte innerhalb des Radius r leiten, an dem eine Steueranschlußleitung mit dem Bauelement in Kontakt ist. Die Steuerkontaktelemente 21, die radialen Sammelstromwege 26 und das Mittelstück 27 sind elektrisch durch eine durchgehende Metallschicht miteinander verbunden. Die Emitterelemente 19' haben eine Breite von 2d^, die Steuerkontaktelemente 21 haben eine Breite von 2d^ und der Abstand zwischen den Rändern der Steuerkontaktelemente und der Emitterelemente ist d₂· Neben einer unvollständigen Ausnutzung der Fläche der Platte hat das konzentrisch, kreisförmig verzahnte Muster, welches in Pig. 3 dargestellt ist, den weiteren Nachteil, daß die verschiedenen Emitterelemente 19¹ und die Steuerkontaktelemente 21 nicht einander gleich sind. Pur ein gleichzeitiges Abschalten des mittleren Übergangsbereichs (J2) müssen alle Emitterelejnente gleich oder im wesentlichen gleich sein und die entsprechenden Steuerkontaktelemente müssen ebenfalls gleich oder im wesentlichen gleich sein. Wenn die Anordnungen nur im Hinblick auf den

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Widerstand gleich sind, jedoch nicht im Hinblick auf die Induktivität, dann verursacht die ungleiche Induktivität den Skineffekt und dies führt zu einem nicht einheitlichen Abschalten des mittleren Übergangs.

Die Emitter-Steueranschlußanordnung auf einer kreisförmigen Halbleiterplatte wird zweckmäßigerweise in "Form einer Evolvente verzahnt. Dies hat den Vorteil, daß die Plattenfläche maximal oder optimal ausgenutzt wird und folglich wird ein größerer Strom für eine kreisförmige Platte möglich. Die Emitterelemente konstanter Breite und die Steuerkontaktelemente, die evolventenförmig ausgebildet sind, erleichtern ein vollständiges Abschalten und sie erleichtern auch die Herstellung eines Bauelements, da sich die gleiche Kurve immer wiederholt, was zu einer Vereinfachung des Maskenmusters führt. Die Geometrie der Evolventen Kurve wird anhand der Skizze in Pig. 4 erklärt, in der die Evolvente eines Kreises dargestellt ist, wobei der Kreis als Evolute bekannt ist. Es sei angenommen, daß das eine Ende eines Fadens an dem Umfang des Kreises 28 mit dem Radius r befestigt ist und daß der Faden im Uhrzeigersinn um den Umfang des Kreises geschlungen ist, bis sein Endpunkt den Punkt Y erreicht. Wenn dann der Faden unter Spann-ung abgewickelt wird, dann verläuft der Endpunkt des Fadens auf der Kurve 29, die die evolvente des Kreises 28 ist. Die Senkrechten 31 bis 33 der Evolvente 29 sind Tangenten an dem Kreis mit dem Radius r, d.h. an der Evolute. Wenn eine zweite Evolvente 30 dadurch gebildet wird, daß der Punkt Z als Anfangspunkt für das Abwickeln des Fadens benutzt wird, dann sind die Senkrechten immer kürzer als die Senkrechten der ersten evolventen Kurve 29» und zwar um einen festen Betrag, der gleich der Länge des Bogens zwischen den Punkten Y und Z ist. Damit haben irgendzwei Evolventen der gleichen Evolute immer gleichen Abstand voneinander.

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Deshalb ist die Breite des Bandes oder Streifens, der mit den zwei Evolventen 29 und 30 verbunden ist, !constant und die Evolventen die von irgendeinem anderen Punkt auf dem Kreis 28 ausgehen, haben gleiche Form. Wenn man den Paden um den Kreis 28 in umgekehrter Richtung wickelt und ihn im Uhrzeigersinn und nicht im Gegenuhrzeigersinn abwickelt, dann ist eine Evolvente 34₅ die dadurch erzeugt wird, daß man bei dem Punkt Y beginnt, ein Spiegelbild der Evolvente und sie hat eine entgegengesetzte Neigung. Da die Länge der Evolventen größer wird, bilden alle Evolventen angenähert einen Kreis. Die Evolute, von der parallele Evolventen abgeleitet werden, kann andere Pormen als. ein Kreis haben, sie kann beispielsweise quadratisch sein.

In Fig. 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Emitter-Steueranschlußanordnung in Porm einer Evolvente verzahnt ist. Die Evolute der parallelen evolventen Kurven, die die Ränder der sich ändernden, voneinander getrennten Emitterstreifen 19' und der Steuer— anschlußkontaktstreifen 21 bilden, ist vorzugsweise ein Kreis, beispielsweise der Kreis 28», es kann jedoch auch irgendeine andere geeignete ebene Kurve sein. Bei dieser verzahnten geometrischen Anordnung sind alle Emitterelemente 19' einander gleich, ebenso wie die Steuerkontaktelemente 21. Man sieht, daß der Halbleiterquerschnitt nach Pig. 2, der ursprünglich für eine gradlinige Emitter-Steueranschlußverzabnung gezeichnet und anhand einer solchen Verzahnung erklärt wurde, auch der Querschnitt der evolventenförmigen verzahnten Emitter-Steueranschluß- Anordnung ist, wenn man sich längs irgendeiner der Senkrechten (siehe linien 31 bis 33 in Pig, 4) der evolventen Kurven bewegt. Die Evolventenanordnung ermöglicht vorteilhafterweise ein großes längen-Breiten-Verhältnis der Emitter- und Steueranschluß-Kontaktstreifen, wie man aus der weiter unten beschriebenen Gleichung ersieht.

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. - 19 -

Die Formel für die Länge einer einzigen Evolventenkurve in Pig. 5 lautet

1 SS

r'

Der besondere Vorteil der verzahnten evolventen Anordnung besteht jedoch darin, daß sich mit dieser Geometrie die Fläche der kreisförmigen Halbleiterscheibe 25 maximal oder optimal verwenden läßt. Wie in Pig. 3 ist die mittlere kreisförmige Fläche 27 mit einer Metallschicht bedeckt, die in die Metallschichten der Steuerkontaktelemente 21 übergeht, und es wird diese mittlere Fläche als Verbindung zu der Steueranschlußleitung verwendet. ¥enn man einmal annimmt, daß die Radien R, r und die Streifenabmessungen d^, &₂ und d, in Fig. 3 und Fig. 5 gleich sind, dann ergibt sich ein beträchtliches Anwachsen in der Gesamtemitterfläche, wenn man die radialen Steuerstromsammeiwege 26 in der konzentrischen Streifenanordnung nach Fig. 3 wegläßt. Als Folge der evolventen Anrodnung ergibt sich eine größere gleitende Übergangsfläche und größerer Laststromgrenzwert. Für das Herstellungsverfahren ergibt sich als beträchtlicher Vorteil die einfachere Herstellung von Masken, da sich ein und dieselbe Kurve mehrfach wiederholt. Diese Masken werden bei zahlreichen Herstellungsschritten bei der Halbleiterherstellung verwendet, beispielsweise zum Fotoätzen oder zum Diffundieren von ausgewählten Bereichen der Halbleiterscheibe. Die Evolventenanordnung ermöglicht es ferner, daß die Emitterstreifen 19* und die Steuerkontaktstreifen 21 verschiedene Breiten aufweisen können.

An der Schnittstelle des Endes der Emitterstreifen 19' mit dem Umfang der kreisförmigen Halbleiterscheibe 25 kann es notv/endig sein, die Form der Enden der Emitterstreifen abzuwandeln. An einer Stelle 35, an der der Rand eines angrenzenden Steuerkontaktelements 21 den Umfang der Halbleiterscheibe

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25 schneidet, ist der Einheitsthyristor, zu dem die Hälfte des danebenliegenden Emitterelements gehört, im v/eiteren Verlauf unvollständig, v/eil kein Steuerkontaktelement direkt angrenzt, welches den Steuerabschaltstrom ableitet. Deshalb endet das Emitterhalbelement vorzugsweise an einer linie 36, die an der Stelle 35 senkrecht auf der entsprechenden Evolventenkurve angeordnet ist. Die angenähert dreieckförmige Fläche 37 hat keinen oder nur einen kleinen Anteil an dem Leitvorgang, jedoch ist die Größe der dabei verlorengehenden Emitterfläche gering. In einigen Fällen ist das Entfernen der Emitterfläche 37 nicht notv/endig, da eine vollständige oder absolute Übereinstimmung zwischen den verschiedenen Emitterelementen 19¹ und den Steuerkontaktelementen 21 nicht erforderlich ist. Eine angenäherte Gleichheit zwischen den .Emitterelementen und den Steuerkontaktelementen führt zu einer ausreichenden Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung.

In den Fig. 6, 7 und 8 sind abgewandelte Ausführungsformen der verzahnten evolventen Anordnung nach Pig. 5 dargestellt. In Fig. 6 sind die evolventen Kurven, die die Emitterstreifen 19' und die Steuerkontaktstreifen 21 begrenzen, ebenso wie in Fig. 5 durch den Kreis 28· mit dem Radius r bestimmt . Die verzahnte Evolventenanordnung beginnt jedoch bei dem Kreis 28"der einen Radius r¹ aufweist, der größer ist als der Radius r. Dementsprechend ist die Mittelfläche 27^f größer als die entsprechende Fläche 27 in Fig. 5. Dabei wird die Steueranschlußleitung nicht an dieser Stelle kontaktiert sondern es ist eine ringförmige Steuerkontaktfläche 38 am Umfang der Halbleiterscheibe 25 vorgesehen. Die ringförmige Steuerkontaktfläche 38 ist mit einer niedergeschlagenen Kontaktmetallschicht beschichtet, die in die Metallschichten übergeht, die die Steuerkontaktelemente bilden.

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Gemäß Pig. 7 hat die Terzahnte Evolventenanordnung ihren Ursprung in dem evoluten Kreis 28^!, der dem evoluten Kreis nach I¹Ig. 5 gleicht, jedoch befindet sich die ringförmige Steuerkontaktflache 38' in der Mitte des Abschnitts der Halbleiterscheibe 25, die von der verzahnten Anordnung bedeckt ist und die sich mitten zwischen dem Radien R und r befindet. Andererseits kann natürlich die Mittelfläche 27 in Pig. 7 auch mit der Steuerkontaktmetallschicht bedeckt sein und es kann eine ähnliche abgewandelte Anordnung auch an der Metallschicht für die mittlere Fläche 27' in Pig. 6 vorgesehen sein.

Die Abwandlung der in Pig. 8 dargestellten Ausführungsform besteht darin, daß die evolventen Kurven, die die Geometrie der verzahnten Anordnung bestimmen, sowohl positive als auch negative Steigung haben. Anhand von Pig. 4 wurde schon erläutert, daß die Evolventen 29 und 34» die zwar beide bei Y beginnen, entgegengesetzte Steigung aufweisen. Der Verlauf der Evolvente 29 ergibt sich durch den Verlauf des Endes eines Padens, der von dem Umfang der Evolute 28 im G-egenuhrzeigersinn abgewickelt wird, wohingegen sich der Verlauf der Evolvente 34 aus dem Verlauf des Endes eines Padens ergibt, der in entgegengesetzter Richtung auf die Evolute 28 aufgewickelt ist und dann im Uhrzeigersinn abgewickelt wird. In Pig. 8 ist die Evolute sowohl für die evolventen positive als auch negative Steigung der Kreis 28' und der in. der Mitte angeordnete Steuerkontaktring 38^f wird wie in Pig. 7 verwendet. Die Mittelfläche 27 innerhalb deren Evolute 23» ist entweder mit einer Metallschicht bedeckt oder auch nicht, je nachdem wie es erforderlich ist« Zwischen dem evoluten Kreis 28^f und dem Steuerkontaktring 38^f haben die verzahnten, Emitter- und Steuerkontaktstreifen 19¹ und 21 das gleiche Muster wie in Pig. 5, sie haben jedoch zwischen dem Steuerkontaktring 28» und dem Umfang der Scheibe 25 entgegengesetzte Steigung.

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Die entgegengesetzte Steigung aufweisende verzahnten evolventen Anordnungen sind sozusagen spiegelbildlich zuein— ^ ander.

Die Evolventenverzahnung der Emitter- und Steuer(oder Basis)-' Schichten läßt sich auch bei anderen Leistunghalbleiterbauelementen, beispielsweise bei Leistungstransistoren anwenden. Die Zwei-Transistor-Analogie des Thyristors ist gut bekannt. Andererseits kann man sich vorstellen, daß ϊΤΡϊΤ-Transistor ein TNPN-Thyristor minus der äußeren P-Schicht ist, die für den !Transistor als eine Triggerschicht wirkt. Die gleichen Verhältnisse liegen bei einem PITP-Transistor und einem NPNP-Thyristor vor. Bei einem Leistungstransistor ist jedoch ein gleichzeitiges Einschalten aller Teile der leitenden Übergangsfläche notwendig, um die Wirksamkeit dieses Bauelements möglichst groß zu machen. Im Gegensatz zu dem mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Thyristor ergeben sich keine Schwierigkeiten beim vollständigen Abschalten des Bauelements dadurch daß der Basissteuerstrom abgeschaltet wird. Wenn man Pig. 9 mit Pig- 1 vergleicht, dann erkennt man, daß der Leistungstransistor 40 nur die drei UPH-Schichten 17, 18 und 19 enthält und daß die beiden Lastanschlußklemmen eine Emitteranschlußklemme E und eine Kollektoranschlußklemme C sind. Eine Basisanschlußklemme B ist mit der P-Schicht 18 verbunden und eine Basissteuerschaltung 41 ist zwischen die Anschlußklemmen B und E geschaltet und sie führt einen Basisstrom Lg zu, wodurch der Transistor leitend gemacht wird. Ferner wird durch Vermin&erungdes seitlichen Steuerwiderstands der Hochfrequenzbereich des !Transistors verbessert.

Der Transistor 40 ist auf einer kreisförmigen Halbleiterscheibe angeordnet, wobei irgendeine der evolventenförmigen

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verzahnten Emitter-Basisanordnungen, die in den Pig. 5 "bis 8 dargestellt sind, verwendet wird. Ein Schnitt, der dem Schnitt nach Pig. 2 ähnlich ist und der die verzahnte Transistoranordnung zeigt, ist in Pig. 10 dargestellt, wobei er an derselben Stelle vorgenommen wird, wie die Schnittlinie 2 - 2 in Pig. 5, wobei angenommen sei, daß die Halbleiterscheibe nur drei Schichten anstelle von vier Schichten aufweist. Pig. 10 gleicht Pig. 2 mit der Ausnahme, daß die zweite P-Schicht (P1-Schicht 16) bei dieser Anordnung nicht vorhanden ist. In der Transistorterminologie ist die IT-Schicht 17 die Kollektorschicht, die P-Schicht 18 die Basisschicht und die verzahnten Elemente 21 werden als Basiskontaktelement oder -streifen bezeichnet. Es sind vier Einheitstransistoren, die durch die Bezugszeichen 40a, 40b, 40a» und 40b¹ bezeichnet sind, dargestellt. Die verzahnte Emitter-Basisevolventenanordnung ermöglicht ein gleichzeitiges Einschalten der gesamten Pläche des Basis-Kollektorübergangs J1 aus dem gleichen Grund wie beim gleichzeitigen Abschalten von mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Thyristoren.

Die verzahnte Evolventenanordnung ist auch für übliche Thyristoren zweckmäßig, d.h. solche Bauelemente, wie übliche gesteuerte Siliciumgleichrichter, die gewöhnlich eine Kommutierungsschaltung zur Kommutierung erfordern, wenn· sie bei höheren Prequenten betrieben werden sollen. Da elektrische ladungsträger von der gesamten mittleren Übergangsfläche entfernt werden können, wird die gespeicherte ladung vermindert und es wird damit die Abschaltzeit vermindert. Bei dieser Betriebsweise arbeitet die zusätzliche Steuerabschaltschaltung gleichzeitig mit der äußeren Kommutierungsschaltung um das Bauelement aus dem leitenden in den nichtleitenden Zustand zu schalten.

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Als besonderes Beispiel einer praktischen Ausführungsform der Erfindung seien die physikalischen Parameter für einen mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbaren Leistungsthyristor für 1000 Volt und 100 Ampdiceangegeben. Der Modelthyristor hat einen PNPU-Aufbau, wie er in Pig, 1 dargestellt ist und er v/eist das bevorzugte verzahnte Emitter-Steueranschluß-Evolventenmuster nach Pig. 5 auf. Wenn man mit der HI-Schicht 17 beginnt, dann v/erden die übrigen Halbleiterschichten auf der kreisförmigen Scheibe nach den üblichen Ablagerungs- und Diffusionsverfahren hergestellt, bei denen Potomaskierungsverfahren verwendet werden um die Emitterstreifen 19¹ und die Steueranschluß- oder Basiskon-

21
taktstreifen/abzugrenzen. In der folgenden Tabelle sind die Terunreinigungskonzentrationen IC und IL, (wobei Bor und

el U.

Phosphor als Aktivatorverunreinigungen verwendet werden), die Breite w jeder Schicht und der spezifische Widerstand Q jeder Schicht angegeben. Die spezifischen Widerstände sind sowohl bei 27⁰C als auch bei 125⁰C gegeben.

IM Ή2 P1 P2

	cm""⁵	I.7.IO	14 ₁₀20	9·	10¹⁶	9-	10¹⁶
	cm	150	25
ti	Mm	30	ΙΟ""³	50		25
ς (27⁰C)	ohm-cm	63	ΙΟ"⁵	0.	3	0.	3
« (125⁰C)	ohm-cm		0.	VJl	0.	5

Gemäß Pig. 5 ist der Scheibenradius R = 9 mm, der Radius des Evolventenkreises r = 2,6 mm, die Breite der Emitterstreifen 2d- = 0,8 mm, die Breite der Steuerkontaktstreifen 2d~ = 0,4 min und die Emitter und Kontaktstreifentrennung dg = 0,1 mm. Bei diesen Abmessungen ist die Länge 1 der evolventen Kurve gleich 16,8 mm und die gesamte Emitterfläche

2'

ist etwa 135 mm . Wenn man die gleichen Abmessungen für

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das verzahnte Muster vorsieht, wobei dann Quadrante der Kreise, so wie es in Fig. 3 dargestellt ist, verwendet werden, (die Breite der. Radialsammelleitungen 26 ist etwa

1,0 mm) dann ist die gesamte Emitterfläche etwa 119 mm . Durch Verwendung der evolventen Anordnung ergibt sich eine Vergrößerung der verfügbaren Emitterfläche um 14 $ . Wenn man die Steuerabschaltspannung V_& in der oben erwähnten Weise berechnet, dann ergibt sich als erforderliche Steuer-

abschaltspannung für eine laststromdichte von 100 Ampdre/cm ein Wert von weniger als 10 Volt. Bei einer theoretischen Berechnung ist die Steuerabschaltspannung 3 Volt. Sowohl bei Raumtemperaturen als auch bei höheren Temperaturen weist der ModeBthyristor sowohl Durchlaß- als auch Sperrspannungseigenschaften auf, die die erforderlichen 1000 Volt überschreiten.

Es sei noch einmal zusammengefaßt, daß eine verzahnte Emitter-Basis(Steueranschluß)anordnung evolventenförmig auf einer kreisförmigen Mehrschichten-Halbleiterscheibe gebildet ist. Die verzahnten evolventenförmigen Emitterelemente und Basis (oder Steueranschluß) -kontaktelemente sind untereinander gleich, wodurch ein gleichzeitiges Abschalten aller iDeile der Übergangsfläche solcher Bauelemente, wie dem mit Hilfe des Steueranschlusses abachalfbareη Thyristor sichergestellt ist, ebenso wie ein gleichzeitiges Einschalten von solchen Bauelementen, beispielsweise Transistoren. Die sich wiederholenden gleichen Elemente vereinfachen ferner die Herstellung der Maske für die Fabrikation, des Bauelements. Das wichtigste Merkmal der evolventen Anordnung ist jedoch die bessere Verwendung der Fläche bei einer kreisförmigen Halbleiterscheibe. Die vergrößerte Übergangsfläche ermöglicht größere Stroiiiwerte, so daß beispielsweise ein mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbarer Thyristor für 1000 Volt und 100 Ampere bei einer

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mittleren Steaorspanriung von weniger als 10 Volt abgeschaltet werden kann.

./27

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Claims

Patentansprüche

1./Verssahnt aufgebautes Halbleiterbauelement mit äußeren Halbleiterschichten und mit mindestens einer inneren Schicht, die einen bestimmten Leitfähigkeitstyp aufweist und die mit einer Steueranschlußklemme verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere längliche verzahnte Steuerkontaktelemente (21) und Halbleiteraußenschichtelemente (19¹) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp eine konstante Breite aufweisen, evolventenförmig ausgebildet sind und parallel zueinander an der Oberfläche der inneren Halbleiterschicht (18) angeordnet sind und daß durch Kontakteinrichtungen (.., 26, 27) eine elektrische Parallelschaltung der evolventenförmigen Halbleiteraußenschichtelemente (19¹) und unabhängig davon eine elektrische Parallelschaltung der evolventenförmigen Steuerkontaktelemente (21) vorgesehen ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die innere Halbleiterschicht (18) kreisförmig ist und daß die Evolute der Evolventen, die die evolventenförmigen Steuerkontaktelemente (21) und die Halbleiteraußenschichtelemente (19¹) festlegt, zu dem Mittelpunkt der inneren Halbleiterschicht zentriert ist.

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3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontakteinrichtungen (26, 27) die eine parallele elektrische Verbindung der Steuerkontaktelemente (21) vorsehen, auf der inneren Halbleiterschicht (18) innerhalb der zentrisch angeordneten Evolute (28^T) gebildet sind.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontakteinrichtungen, die eine parallele elektrische Verbindung der Steuerkontaktelemente (21) vorsehen als ringförmiger Kontakt (38) auf der kreisförmigen inneren Halbleiterschicht (18) an ihrem Umfang ausgebildet sind.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Kontakteinrichtungen, die eine parallele elektrische Verbindung der Steuerkontaktelemente (21) vorsehen, ein ringförmiger Kontakt (38·) sind, der auf der kreisförmigen inneren Halbleiterscbicht zwischen seinem Umfang und der Evolute (28¹) gebildet ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß die Evolventen zu beiden Seiten des ringförmigen Kontakts (38¹) entgegengesetzte Steigung aufweisen (Pig. 8).

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Evolute ein Kreis (28«) ist.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die evolventenföriaigen Steuerkontaktelemente (21) und die Halbleiteraußenschichtelemente (19¹) ungleiche Breite haben und daß die

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Kontakteinrichtungen (27) ι die eine parallele elektrische Verbindung der Steuerkontaktelemente (21) vorsehen, auf der inneren Halbleiterschicht innerhalb der Evolute (28«) gebildet sind.

9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7_f dadurch gekennzeichnet , daß der Anfang der evolventenförmigen Steuerkontaktelemente (21) und der äußeren Halbleiteraußenschichtelemente (190 radial außerhalb der Evolute (28«) liegt.

10. Halbleiterbauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Verwendung als Leistungsbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß eine kreisförmige Mehrschichtenhalbleiterscheibe vorgesehen ist, die als innere Schicht eine Basissohicht eines bestimmten Leitfähigkeitstyps aufweist, und daß die Steuerkontaktelemente als Basiselemente (21) und die Halbleiter- ^% außenschichtelemente als Emitterhalbleiterelemente (19') ausgebildet sind.

11. Halbleiterbauelement nach Anspruoh 10 in Abhängigkeit von den Ansprüchen 2 und 9» dadurch gekennzeichnet , daß die Kontakteinrichtungen, die eine parallele elektrische Verbindung der Basiselemente (21) bilden, auf der Basisschicht innerhalb des evoluten Kreises (28») gebildet sind.

12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiterscheibe neben der Basisschicht nur eine Kollektorschicht aufweist und daß es als leistungstransistor ausgebildet ist.

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13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Halbleiterscheibe zwei Halbleiterschichten neben der Basisschicht aufweist und daß es ein mit Hilfe des Steueranschlusses abschaltbarer Mehrschichten-Iieistungsthyristor ist.

14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Enden der evolventenförmigen Emitterelemente am Umfang der kreisförmigen Halbleiterscheibe in ihrer Breite vermindert sind.

Rei/Ho

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