DE2655622A1

DE2655622A1 - Thyristor mit hohem dv/dt-wert der aenderungsfestigkeit

Info

Publication number: DE2655622A1
Application number: DE19762655622
Authority: DE
Inventors: Masayoshi Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1975-12-08
Filing date: 1976-12-08
Publication date: 1977-06-23
Also published as: JPS5269586A; JPS5943831B2

Description

Thyristor mit hohem dv/dt-Wert der Anderungsfestigkeit
Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit hohem dv/dt-Wert der Anderungsfestigkeit und insbesondere einen als Bestandteil von integrierten Halbleiterschaltungen geeigneten Thyristor.
Ein Thyristor weist vier benachbarte Halbleiterschichten auf, deren Leitfähigkeitstyp abwechselt. An beiden endseitigen Iialbleiterschichten ist eine Anoden- und eine Kathodenelektrode vorgesehen. Die Halbleiterschicht, die der mit der Kathodenelektrode versehenen Halbleiterschicht benachbart liegt, weist eine Steuerelektrode auf. Die vier Halbleiterschichten bilden drei pn-Übergänge.
Liegt zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode eine Impulsspannung mit gewissem Gradienten an (nachfolgend als Rampenspannung oder Rampenfunktion bezeichnet), so erscheint an der Steuerelektrode selbst dann eine Spannung, wenn der Steuerelektrode kein Zündsignal zugeführt wird.
Dieses Phänomen wird üblicherweise als (Spannungs-) Änderungseffekt bezeichnet. Werden die drei pn-Übergänge des Thyristors der Reihe nach von der Anode zur Kathode als erster, zweiter und dritter Übergang bezeichnet, so wird auf die Rampenspannung hin der zweite Übergang in Sperrichtung vorgespannt, wobei sich in diesem Teil eine Sperrschicht ausbildet.
Diese Sperrschicht kann als Kondensator angesehen werden, dessen Verschiebungsstrom zu einer an der Steuerelektrode anliegenden Spannung führt.
Die an der Steuerelektrode auftretende Spannung nimmt proportional zur Amplitude des Verschiebungsstroms zu. Sobald die Spannung die Aktivierungsspannung des dritten Übergangs überschreitet, wird der Thyristor gezündet. Da hierbei kein Steuersignal angelegen hat, erfolgt die Zündung unbeabsichtigt.
Der Wert dv/dt der Spannungsänderung pro Zeiteinheit der Spannung zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode zum Zeitpunkt des ungewollten d.h. fälschlichen Zündensdes Thyristors aufgrund allmählichen Anwachsens des Gradienten der Rampenfunktion bzw. der Zunahme des Verschiebungsstroms, wird als Kriterium des Änderungseffekts herangezogen.
Der dv/dt-Wert bei der ungewollten Zündung des Thyristors wird als dv/dt-Wert der Änderungsfestigkeit oder auch als kritische Spannung der Anstiegsgeschwindigkeit bezeichnet.
Das Fehlzünden kann vermieden und der dv/dt-Wert der Anderungsfestigkeit kann dadurch verbessert werden, daß die Ladung, die der Verschiebungsstrom in der mit der Steuerelektrode versehenen Halbleiterschicht gespeichert hat, so abgeführt wird, daß die an der Steuerelektrode auftretende Spannung nicht ansteigen kann.
Hierzu wurden die Steuerelektrode und die Kathodenelektrode über einen Widerstand miteinander verbunden und der dritte Übergang kurzgeschlossen. Diese Hilfslösung wird allgemein als Emitterkurzschluß (Short-Emitter) bezeichnet.
Solange der Thyristor nicht fehlgezündet, d.h. sich in seinem nicht-leitenden Zustand befindet, kann der erste Übergang als Spannungsquelle angesehen werden, deren Spannung die Schwellwertspannung des Übergangs ist. Weiterhin können der zweite und der dritte Übergang als Kondensatoren angesehen werden. Werden die elektrostatischen Kapazitäten der Kondensatoren mit C2 und C3 bezeichnet und bezeichnet RGK den Widerstandswert des Widerstands für den Emitterkurzschluß, so läßt sich die an der Steuerelektrode aufgrund des Änderungseffekts auftretende Spannung Vs durch folgende Gleichung angeben: hierbei bezeichnet K den Gradienten der Spannung zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode unter der Voraussetzung, daß die Spannung der Spannungsquelle des ersten Übergangs ausreichend kleiner als die Spannung zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode ist.
Der stetige Wert VGS der Spannung VG wird für t in Gleichung 1 erhalten. Dieser Wert ist durch folgende Gleichung gegeben: (2) VGS = R C2 RGK Wenn die Spannung VGS die Aktivierungsspannung VB (etwa 0,7 V) des dritten Übergangs überschreitet, so wird der Thyristor wie obenstehend erläutert fehlgezündet. Wird in Gleichung 2 VB für VGS eingesetzt, so wird für diesen Zeitpunkt K zum dv/dt-Wert der Anderungsfestigkeit. Es ergibt sich folgende Gleichung: Gleichung 3 zeigt, daß zur Erhöhung des dv/dt-Werts der Anderungsfestigkeit die Kapazität C2 des zweiten Übergangs oder der Wert RGK des Emitter-Kurzschlußwiderstands klein gemacht werden muß.
Da jedoch die Kapazität C2 des zweiten Übergangs durch die Größe des Thyristors bestimmt ist und insbesondere in einer integrierten Ilalbleiterschaltung nicht sehr klein gemacht werden kann, wird üblicherweise der dv/dt-Wert der Änderungsfestigkeit durch kleine Werte RGK des Emitter-Kurzschlußwiderstands verbessert.
Wird jedoch das Steuersignal in die Betrachtungen mit einbezogen, so muß ein durch den Emitter-Kurzschlußwiderstand im Nebenschluß fließender Strom ebenfalls von einer Steuersignalquelle aufgebracht werden. Bezeichnet IGO den zum Zünden des Thyristors erforderlichen Strom, so muß der durch die folgende Gleichung festgelegte Steuerzündstrom 1G1 von der Steuersignalquelle zum Zünden des Thyristors aufgebracht werden: Aus den Gleichungen 3 und 4 ergibt sich die Beziehung zwischen dem dv/dt-Wert der Xnderungsfestigkeit und dem Steuerzündstrom zu: Unter der Annahme, daß 1G1 sehr viel größer IGo in Gleichung 5 ist, sind der dv/dt-Wert der Änderungsfestigkeit und der Steuerzündstrom 1G1 proportional. Wird zur Stabilitätsverbesserung des Thyristoisder dv/dt-Wert der Anderungsfestigkeit durch Erniedrigen des Werts RGK des Emitterkurzschlußwiderstands verbessert, so nimmt dementsprechend auch der Steuerzündstrom 1G1 zu. Die Zunahme des Steuerzündstroms 1G1 zieht aber eine Kapazitätserhöhung der Steuersignalquelle und eine deutliche Verminderung der Zuverlässigkeit der ganzen Vorrichtung nach sich.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Thyristor mit einem hohen dv/dt-Wert der Änderungsfestigkeit anzugeben, der sich für integrierte Halbleiterschaltungen eignet und die vorstehenden Nachteile vermeidet Insbesondere soll der Thyristor nur eine geringe Steuerleistung erfordern und er soll einfach und mit geringem Platzbedarf in der integrierten Halbleiterschaltung aufgebaut werden können. Neben dem hohen dv/dt-Wert der Änderungsfestigkeit soll er lediglich kleine Halteströme benötigen.
Diese Aufgabe wird bei einem Thyristor, dessen Thyristorelement vier Halbleiterschichten mit abwechselndem Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die Halbleiterschichten aneinander angrenzende pn-LJ#bergänge bilden und die erste Halbleiterschicht mit einer Anodenelektrode, die dritte halbleiterschicht mit einer Steuerelektrode und die vierte llalbleiter-Schicht mit einer Kathodenelektrode beschaltet ist, dadurch gelöst, daß zwischen die Halbleiterschichten, die einen der beiden endseitigen pn-Übergänge des Thyristor-Elements bilden, ein Schalterelement geschaltet ist, daß ein Steuerelement vorgesehen ist, das rasch ansteigende Spannungen zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode des Thyristorelements erfaßt und mittels des Schalterelements den genannten endseitigen pn-Überuang des Thyristorelements kurzschließt, daß das Steuerelement ein durch Sperrschichten beim Vorspannen von pn-Übergängen in Sperrichtung gebildetes Kondensatorelement aufweist und daß die das ondenstoreleent bildenden Sperrschichten aus einer Halbleitersciiicht des einen Leitfähigkeitstyps und einer Vielzahl an diese Halbleiterschicht angrenzender getrennter albleitcrchichtcn des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehen.
Im folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden, und zwar zeigt: Fig. 1 eine teilweise Draufsicht auf eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem erfindungsgemäßen Thyristor; Fig. 2 einen vertikalen Schnitt durch die integrierte Halbleiterschaltung entlang der Linie II-II in Fig. 1; Fig. 3 einen vertikalen Schnitt durch die integrierte Halbleiterschaltung entlang der Linie III-III aus Fig. 1; Fig. 4 einen vertikalen Schnitt durch die integrierte Tfalbleiterschaltung entlang der Linie IV-IV aus Fig. 1; Fig. 5 ein Schaltbild einer Ersatzschaltung des in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Thyristors; Fig. 6 ein Diagramm mit Kurven der Betriebseigenschaften im eingeschwungenen Zustand eines Transistorelements; Fig. 7 und 8 einen vertikalen Schnitt und eine Draufsicht auf ein Modell, das die Bildung einer Sperrschicht beim Vorspannen eines pn-Übergangs in Sperrichtung zeigt; Fig. 9 und 10 einen Vertikalschnitt und eine Draufsicht auf ein Modell, das die Bildung einer Sperrschicht zeigt, wenn als Kondensatoren wirkende pn-Übergänge des Thyristors nach Fig. 1 in Sperrichtung vorgespannt sind; Fig. 11 eine teilweise Draufsicht auf eine integrierte Halbleiterschaltung mit einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thyristors; Fig. 12 einen vertikalen Schnitt durch die integrierte Halbleiterschaltung entlang der Linie XII-XII in Fig. 11; Fig. 13 eine teilweise Draufsicht auf eine integrierte Halbleiterschaltung mit wiederum einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Thyristors; Fig. 14 einen vertikalen Schnitt durch die integrierte Halbleiterschaltung entlang der Linie XIV-XIV in Fig. 13; Fig. 15 einen vertikalen Schnitt durch die integrierte Halbleiterschaltung entlang der Linie XV-XV in Fig. 13; Fig. 16 ein Schaltbild einer Ersatzschaltung des in den Fig. 13 bis 15 dargestellten Thyristors; und Fig. 17 eine teilweise Draufsicht auf eine integrierte Ualbleiterschaltung mit einem abgeänderten Ausführungsbeispiel des in Fig. 1 dargestellten Thyristors.
In den Fig. 1 bis 4 bezeichnet die Bezugszahl lo allgemein eine integrierte Halbleiterschaltung mit einem erfindungsgemäßen Thyristor. In einem aus polykristallinem Silizium bestehenden Trägerbereich 12 eines isolierenden dielektrischen Substrats 11 sind über Siliziumoxidfilme 13 bis 15 Inselbereiche 16 bis 18 aus einkristallinem Silizium eingesenkt. Die Siliziumoxidfilme 13 bis 15 haben isolierende Eigenschaften.
Die Inselbereiche 16 bis 18 aus einkristallinem Silizium sind dementsprechend voneinander und vom Trägerbereich 12 aus polykristallinem Silizium isoliert.
In den Inselbereich 16 aus einkristallinem Silizium ist ein Thyristorelement und ein als Steuerelement dienendes Kondensatorelement integriert. Der Inselbereich 16 aus einkristallinem Silizium ist n-leitend und ist damit vom zweiten Leitfähigkeitstyp dieses Ausführungsbeispiels. Die Zeichnung zeigt eine rechteckförmige llalbleiterschicht 20 und eine weitere Halbleiterschicht 19, die, im wesentlichen U-förmig, die Halbleiterschicht 20 umgibt. Die Halbleiterschichten 19 und 20 haben voneinander einen festen Abstand und werden nach bekannten Verfahren durch selektives Eindiffundieren von p-leitenden Verunreinigungen in den einkristallinen Silizium-Inselbereich 16 hergestellt.
Im Gegensatz zur n-Leitfähigkeit als zweitem Leitfähigkeitstyp soll die p-Leitfähigkeit als erster Leitfähigkeitstyp bezeichnet werden.
Weiterhin wird in der p-leitenden Halbleiterschicht 20 durch selektives Eindiffundieren einer n-leitenden Verunreinigung eine U-förmige n-leitende Halbleiterschicht 21 gebildet.
Andererseits werden mit den p-leitenden Halbleiterschichten 19 und 20 drei voneinander isolierte p-leitende Halbleiterschichten 22 bis 24 im einkristallinen Siliziuminselbereich 16 mit festgelegtem Abstand voneinander geschaffen. Beim Bilden der n-leitenden Halbleiterschicht 21 wird zwischen der p-leitenden Halbleiterschicht 19 und den p-leitenden Halbleiterschichten 22 bis 24 eine n-leitende Halbleiterschicht 25 hoher Konzentration gebildet.
16a bezeichnet den verbliebenen Teil des einkristallinen Siliziuminselbereichs 16, in den weder p-leitende noch n-leitende Verunreinigungen eindiffundiert wurden. Das Thyristorelement Thy. besteht somit aus einer ersten p leitenden Halbleiterschicht 19, der n-leitenden, zweiten Halbleiterschicht 16a, der p-leitenden dritten Halbleiterschicht 20 und der n-leitenden vierten Halbleiterschicht 21.Weiterhin ist ein paralleles Kondensatorelement C entstanden, das aus der n-leitenden Halbleiterschicht 16a und den p-leitenden Halbleiterschichten 22 bis 24 besteht.
Die Funktion der n-leitenden Halbleiterschicht 25 wird untenstehend noch erläutert.
In dem einkristallinen Silizium-Inselbereich 17 ist ein als Schalterelement dienendes Transistorelement vorgesehen.
Da der einkristalline Silizium-Inselbereich 17 n-leitend ist, werden zunächst rechteckförmig p-leitende Verunreinigungen eindiffundiert, die eine zweite p-leitende Halbleiterschicht 27 bilden. In die Halbleiterschicht 27 werden n-leitende Verunreinigungen selektiv eindiffundiert. Auf diese Weise entstehen parallele n-leitende erste und dritte Halbleiterschichten 26 bzw. 28 mit festem Abstand voneinander. Der gebildete npn-Transistor Trs. besteht also aus der n-leitenden ersten Halbleiterschicht 26, der p-leitenden zweiten Halbleiterschicht 27 und der n-leitenden dritten Halbleiterschicht 28.
Im einkristallinen Silizium-Inselbereich 18 wird durch selektives Eindiffundieren von p-leitenden Verunreinigungen eine zick.zackförmige p-leitende Halbleiterschicht 29 gebildet.
Die Halbleiterschicht 29 wird als Widerstand R benutzt.
Die gesamte Fläche des isolierenden dielektrischen Substrats 1i ist mit einem Siliziumoxidfilm 30 (in Fig. 1 weggelassen) überzogen, der die frei liegenden Endflächen der durch die verschiedenen p-leitenden und n-leitenden IIalbleiterschichten gebildeten pn-Ubergänge stabilisiert.
Der Siliziumoxidfiim 30 weist auf der p-leitenden ersten Halbleiterschicht 19 eine öffnung auf, durch die hindurch eine Aluminiumbeschaltung 31 in ohm'schem Kontakt mit der p-leitenden ersten Halbleiterschicht 19 gehalten ist. Die Beschaltung 31 dient als Anodenelektrode. In den über der p-leitenden dritten Halbleiterschicht 20, der n-leitenden ersten halbleiterschicht 26 und einem Ende der p-leitenden Halbleiterschicht 23 gelegenen Teil des Siliziumoxidfilms 30 sind weite#öffnungen vorgesehen. Eine auf dem Siliziumoxidfilm 30 aufgebrachte Aluminiumbeschaltung 32 steht durch diese öffnungen hindurch in ohm'schem Kontakt mit den Ilalbleiterschichten 20, 26 und 29 und dient als Gate- oder Steuerelektrode. In den über den nleitenden vierten Halbleiterschicht 21, der n-leitenden#tten Halbleiterschicht 28 und dem anderen tnde der p-leitenden iialbleiterschicht 29 gelegenen Teil des Siliziumoxidfilms 30 sind schließlich öffnungen vorgesehen, durch die eine Aluminiumbeschaltung 33 in ohm'schem Kontakt mit den Halbleiterschichten 21, 28 und 29 tritt. Die Aluminiumbeschaltung 33 ist auf dem Siliziumo#idfilm 30 aufgebracht und dient als Rathodenelcktrode.
Weitere öffnungen sind in den über den p-leitenden Halbleiterschichten 22 bis 24 und der p-leitenden zweiten TTalbleiterschicht 27 gelegenen Teilen des Siliziumoxidfilms 30 vorgesehen. Eine Aluminiumbeschaltung 34 erstreckt sich einstückig auf dem Siliziumoxidfilm 30 und steht durch die öffnungen hindurch in ohm'schem Kontakt mit den Halbleiterschichten 22 bis 24 und 27.
Die Bezeichnungen der Aluminiumbeschaltungen wurden mit Hinblick auf das Thyristorelement Thy gewählt. Liegt die Betonung auf dem Transistorelement Trs, so bildet die Aluminiumbeschaltung 32 eine Kollektorelektrode, die Aluminiumbeschaltung 34 eine Basiselektrode und die Aluminiumbeschaltung 33 eine Emitterelektrode.
In Fig. 1 sind die in ohm'schem Kontakt mit den verschiedenen Halbleiterschichten stehenden Teile der Aluminiumbeschaltungen schraffiert dargestellt.
Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild des in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Thyristors. Im folgenden soll seine Betriebsweise erläutert werden. Liegt im Rampenbetrieb die Anodenelektrode 31 auf höherem Potential als die Kathodenelektrode 33, so fließt ein Ladestrom 1c der drei parallelen, durch die n-leitende zweite Halbleiterschicht 16a des Thyristorelements Thy und die p-leitenden Halbleiterschichten 22 bis 24 gebildeten Kondensatoren C zur p-leitenden zweiten Halbleiterschicht 27 des Transistorelements Trs und bringt das Transistorelement Trs in den Sättigungszustand. Der Wert des äquivalenten Sättigungswiderstands des Thyristorelements Thy, gesehen von der Steuerelektrode 32 bzw. der Kathodenelektrode 33 ist damit klein, womit gemäß der vorstehenden Gleichung 3 der Wert der Anderungsfestigkeit dv/dt verbessert wird.
Selbst wenn der Anodenelektrode 31 des Thyristors Thy ein plötzlich ansteigender Spannungsimpuls zugeführt wird, bringt der im Moment des Ansteigens sofort erzeugte ausreichende Ladestrom 1 das Transistorelement Trs in einen Zustand mit c niedrigem Widerstandswert, womit die Gatter- und Kathodenelektroden 32 bzw. 33 bzw. der dritte Übergang des Thyristors Thy kurzgeschlossen wird. Eine aufgrund des Änderungseffekts erzeugte Spannung zwischen der Steuerelektrode 32 und der Kathodenelektrode 33 bleibt deshalb klein, womit auch irrtümliches Arbeiten des Thyristorelements Thy. vermieden wird.
Das durch die p-leitende Halbleiterschicht 29 gebildete Widerstandselement R ist hochohmig. Solange die Rampenspannung nicht auftritt, bleibt der Kreis zwischen der Steuerelektrode 32 und der Kathodenelektrode 33 hochohmig. Ein der Steuerelektrode 32 zugeführtes Zündsignal wird nur geringfügig im Nebenschluß über das Widerstandselement R und das Transistorelement Trs. geleitet und kann das Thyristorelement Thy. zufriedenstellend zünden. Die Steuersignalleistung kann somit klein gehalten werden.
Im folgenden soll erläutert werden, wie der dv/dt-Wert der Änderungsfestigkeit für einen derartigen Thyristor erhöht werden kann.
Mit k soll im folgenden der Gradient der Rampenfunktion bzw. Rampenspannung bezeichnet werden. C4 bezeichnet die resultierende elektrostatische rvapazität der durch die n-leitende zweite Halbleiterschicht 16a des Thyristorelements und die p-leitenden Halbleiterschichten 22 bis 24 gebildeten Kondensatoren. Der Verschiebungsstrom im zweiten Übergang des Thyristorelements und der Ladestrom 1c der parallelen Kondensatoren kann dann durch folgende Gleichungen ausgedrückt werden: (6) I2 = k C2 (7) 1c = k c4 Die sich im stetigen Zustand bei Vorliegen einer Rampenspannung ergebende Betriebskennlinie des Transistorelements Trs. ist in Fig. 6 mit Ii bezeichnet.
Der Verschiebungsstrom I2 des Thyristorelements Thy.
fließt hauptsächlich in die n-leitende erste Ijalbleiterschicht 26 des Transistorelements Trs., da der Widerstandswert des Widerstandselements R vergleichsweise hoch ist und die ollektor-Emitter-Sättigungsspannung VCE (n-leitende erste und dritte Halbleiterschichten 26 und 28) des Transistorelements Trs.
höchstens o,5 V beträgt.
ko bezeichnet den Gradienten der Rampenspannung und 10 bezeichnet den Wert des Verschiebestroms 12 zu dem Zeitpunkt, zu dem im stetigen Zustand der Arbeitspunkt S erreicht wird. Die Spannung VCE zwischen dem Kollektor 26 und dem Emitter 28 beträgt zu diesem Zeitpunkt V0. Die Spannung V0 ist hierbei niedriger als die Aktivierungsspannung VB (etwa o,7 V) des dritten Übergangs des Thyristorelements Thy., so daß das Thyristorelement Thy. nicht gezündet wird.
Wenn der Gradient k der Rampenspannung allmählich zunimmt, so verschiebt sich der Arbeitspunkt entlang der Kurve vom Punkt S zum Punkt p, obwohl sich der Verschiebungsstrom 12 abhängig vom Gradienten k der Rampenspannung ändert.
Wenn der Arbeitspunkt den Punkt p erreicht, wird die Kollektor-26-Emitter-28-Spannung VCE gleicher Aktivierungs-Spannung VB des Thyristorelements Thy. Uberschreitet der Arbeitspunkt den Punkt p, so wird das Thyristorelement Thy. gezündet. Der Gradient k der Rampenspannung entspricht zu diesem Zeitpunkt dem dv/dt-Wert der Anderungsfestigkeit.
Sofern der in die p-leitende zweite Halbleiterscfficht 27 des Transistors Trs. fließende Strom, d.h. der Ladestrom Ic, auf irgendeine Weise auf 1c1 erhöht werden kann, so verschiebt sich die Kennlinie von l nach 12. Der Arbeitspunkt auf der Kurve 12 liegt für den Kollektorstrom 1. beim Punkt q.
Da Ii größer ist als Io, nimmt der dv/d#-Wert der Anczeruncisfestigkeit um das 11/I0-fache zu, weil die Amplitude des Kollektorstroms oder des Verschiebungsstroms proportional zum Gradienten k der Rampenspannung ist.
Die parallelen Kondensatorelerente C gemäß dieser Erfindung sollen den Ladestrom Ic erhöhen und damit auch entsprechend den obenstehenden überlegungen den dv/dt-Wert der Anderungsfestigkeit weiter verbessern.
Im folgenden sollen Gründe erläutert werden, die zur Erhöhung des Ladestroms 1 führen. Die Fig. 7 und 8 zeigen c die Ausbildung einer Raumladungszone oder Sperrschicht 43 für den Fall daß in einer n-leitenden Halbleiterschicht 41 durch selektrives Eindiffundieren einer p-leitenden Verunreinigung eine rechteckförniige p-leitende Halbleiterschicht 42 ausgebildet ist und die beiden Halbleiterschichten 41 und 42 in Sperrrichtung vorgespannt sind. In beiden Figuren bezeichnet eine gestrichelte Linie einen zwischen den fIalbleiterschichten 41 und 42 gebildeten pn-Übergang 44.
Wird der pn-Übergang 44 in Sperrichtung vorgespannt, so breitet sich die Sperrschicht 43 entsprechend der Form des pn-Übergangs 44 aus, wobei ihre Breite t mit wachsender Amplitude der anliegenden Spannung größer wird. Sofern man die gekrvirmten Teile der vier Ecken außer Acht läßt und annimmt, daß die Seiten- und Bodenflächen parallel seien, so läßt sich die elektrostatische Sapazitat Cc der Sperrschicht 43 durch folgende Gleichung beschreiben: (8) Cc = t (a b + 2 a h + 2 b h hierbei bedeuten a, b und h die Abmessungen nach den Ficr. 7 und 8 und g die Dielektrizitätskonstant#.
Es ergibt sich folgendes Problem. Die Dicke t nimmt mit der anliegenden Spannung zu und die Tiefe ho des pn-Übergangs kann mit Rücksicht auf die Bildung anderer Schaltungselemente beim Diffusionsprozeß nicht willkürlich groß gemacht werden.
Gleichermaßen kann die Breite a und die Länge b mit Rücksicht auf die anderen Schaltungselemente beim Entwurf des Schaltungs musters nicht willkürlich vergrößert werden. Die für die Seerrschicht 43 zur Verfügung stehende Fläche ist somit nicht sehr groß. Daraus folgt aber, daß sich die elektrostatische Kapazität Cc nicht auf Werte vergrößeren läßt, die den dv/dt-Wert der Anderungsfestigkeit verbessern würden.
Wie die Fig. 1, 2 und 5 zeigen, wird die p-leitende Halbleiterschicht erfindungsgemäß aufgeteilt und bildet parallele Kondensatorelemente. Entsprechend den Fig. 9 und lo breiten sich Sperrschichten 35 bis 37 jeweils entlang geteilter pn-Übergänge 38 bis 40 aus, die durch die n-leitende zweite Halbleiterschicht 16a und die p-leitenden Halbleiterschichten 22 bis 24 gebildet werden. Die sich ergebende elektrostatische Kapazität CCM ist hierbei im wesentlichen gegeben durch: (9) CCM = # { k1 a b + 2 k2 (a h + b h) + 4 a h} hierbei sind k1 und k2 Korrekturkoeffizienten für die Unterteilung der p-leitenden Halbleiterschicht deren Werte geringfügig größer als Eins sind. Die Größen # , a, b, h und t sind die gleichen wie in Gleichung 8.
Angenähert vergrößert sich die Fläche um 4 a h gegenüber dem durch Gleichung 8 beschriebenen Kondensatorelement mit einer einzigen p-leitenden Halbleiterschicht. Damit kann aber auch der dv/dt-Wert der Änderungsfestigkeit durch Vergrößeren der elektrostatischen Kapazität verbessert werden.
Wenn, wie es in den Fig. 1 und 9 dargestellt ist, die unterteilten p-leitenden Halbleiterschichten 22 bis 24 gemeinsam durch die auf dem Siliziumoxidfilm 30 sich erstreckende Aluminiumbeschaltung 34 miteinander verbunden sind, so bilden diese gemeinsame Beschaltung und die n-leitende zweite I-Ialbleiterschicht 15a einen Streukondensator, dessen Dielektrikum der Siliziumoxidfilm 30 ist. Da der Streukondensator parallel zu den parallelen Kondensatorelementen C erscheint, wird die effektive elektrostatische Kapazität, wie Experimente zeigen, um etwa So % vergrößert, womit auch der dv/dt-Wert der Anderungsfestigkeit weiter erhöht wird.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die n-leitende zweite Halbleiterschicht 16a des Thyristorelements Thy. also zur Bildung eines parallelen kondensatorelements C mit ausgenutzt.
Es sind also auch keine speziellen einkristallinen Siliziuminselbereiche zur Bildung der parallelen Kondensatorelemente erforderlich, womit sich auch eine Aluminiumbeschaltung hierfür erübrigt. Die integrierte Halbleiterschaltung kann somit vorteilhaft weiter vereinfacfitund miniaturisiert werden.
Die n-leitende Halbleiterschicht 25 hoher Konzentration hat folgende Bedeutung. Bei Auftreten einer Rampenfunktion bzw. Spannung, können die n-leitende zweite Halbleiterschicht 16a und die p-leitenden alhleiterschichten 22 bis 24 als unterteilte pn-Übergänge angesehen werden, die parallele Kondensatorelemente bilden. Befindet sich andererseits das Thyristorelement Thy. in seinem leitenden Zustand, können die obenstehenden Halbleiterschichten und die p-leitende erste Halbleiterschicht 19 als parasitärer pnp-Transistor aufgefaßt werden. Der Hauptstrom des Thyristorelements Thy. wirkt als Basisstrom des parasitären pnp-Transistors. Damit fließt ein Strom vom parasitären pnp-Transistor zur zweiten Palbleiterschicht 27 des Transistorelements Trs. Wenn das Transistorelement Trs. durchschaltet, fließt ein Teil des Hauptstroms des Thyristors Thy. nunmehr durch den Transistor Trs. und erhöht den Haltestrom.
Im vorliegenden Fall verringert die n-leitende Halbleiterschicht 25 hoher Konzentration die Stromverstärkung des durch die p-leitende erste Halbleiterschicht 19, die n-leitende zweite Halbleiterschicht 16a und die p-leitenden Halbleiterschichten 22 bis 24 gebildeten, parasitären pnp-Transistors und hält das Transistorelement Trs. selbst dann im ungesättigten hochohmigen Zustand, wenn das Thyristorelement Thy leitet.
Dieser Effekt kann auch durch Vergrößern des Abstands zwischen der p-leitenden ersten Halbleiterschicht 19 und den p-leitenden Halbleiterschichten 22 bis 24 erreicht werden.
Aus Gleichung 9 folgt unmittelbar, daß die Anzahl der voneinander getrennt angeordneten p-leitenden r#albleiterschichten 22 bis 24 nicht auf drei beschränkt ist. Die elektrostatische Kapazität kann durch Erhöhen der Anzahl vergrößert werden.
Die unterteilten p-leitenden Halbleiterschichten können unter Beachtung der Beschaltungs- und Anordnungs-Gesichtspunkte in einem einkristallinen Siliziuminselbereich frei verteilt angeordnet sein.
Beispielsweise können die unterteilten p-leitenden Halbleiterschichten außerhalb der p-leitenden ersten Halbleiterschicht 19 durch die n-leitende Halbleiterschicht hoher Konzentration, die die Stromverstärkung verringert, geführt sein und durch eine kontinuierliche Aluminiumbeschaltung miteinander verbunden sein.
Die Fig. 11 und 12 zeigen ein anderes erfindungscJer.aßes Ausführungsbeispiel einer integrierten Halbleiterschaltung So.
Diese weist ein isolierendes dielektrisches Substrat 51 auf in das in einem Trägerbereich 52 aus polykristallinem Silizium über einen Siliziumoxidfilm 53 ein einkristalliner Siliziuminselbereich 54 eingesenkt ist.
Wie im Ausfüiirungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist auch hier in den einkristallinen Siliziuminselbereich 54 ein Thyristorelement und ein Kondensatorelement integriert. unter schiedlich ist jedoch das Anordnungsmuster des Thyristorlements und des Kondensatorelements.
Durch selektives Eindiffundieren einer p-leitenden Verunreinigung ist im einkristallienen Siliziuminselbereich 5t, der vom n-Leitfähigkeitstyp ist, nach bekannten Verfahren eine rechteckförmige rialbleiterschicht 55 und eine U-förmige Ilalbleiterschicht 56, die von der Iialbleiterschicht 55 gleichbleibenden Abstand hat, eindiffundiert.
Auch bei dieser Ausführungsform soll die p-Leitfähigkeit als erster Leitfähigkeitstyp und die n-Leitfähigkeit als zweiter Leitfähigkeitstyp bezeichnet werden.
In die U-förmige Halbleiterschicht 56 sind entlang dieser Form selektiv n-leitende Verunreinigungen ebenfalls in U-Forra eindiffundiert; diese bilden eine n-leitende Halbleiterschicht 57. Zusammen mit den p-leitenden Halbleiterschichten 55 und 56 werden neun voneinander isolierte p-leitende Halbleiterschichten 58 bis 66 gebildet, die von der p-leitenden Halbleiterschicht 56 einen festen Abstand haben.
54a bezeichnet den verbleibenden Teil des einkristallinen Siliziuminselbereichs 54 in den weder p-leitende noch n-leitende Verunreinigungen eindiffundiert wurden. Das Thyristorelement besteht aus vier Schichten: der p-leitenden ersten Halbleiterschicht 55, der n-leitenden zweiten Halbleiterschicht 54a, der p-leitenden dritten Halbleiterschicht 56 und der n-leitenden vierten Halbleiterschicht 57. Die parallelen Kondensatorelemente umfassen die n-leitende zweite Halbleiterschicht 54a und die p-leitenden Halbleiterschichten 58 bis 66.
über die gesamte Oberfläche des dielektrischen isolierenden Substrats 51 ist, wie in Fig. 12 dargestellt, ein Siliziumoxidfilm 67 aufgebracht, der die freiliegenden Endflächen der durch die verschiedenen p-leitenden und n-leitenden Halbleiterschichten gebildeten pn-Übergänge stabilisiert.
In den über der p-leitenden ersten Halbleiterschicht 55, der p-leitenden dritten Halbleiterschicht 56, der n-leitenden vierten Halbleiterschicht 57 und den p-leitenden Halbleiterschichten.58 bis 66 gelegenen Bereichen des Siliziumoxidfilms 67 sind Löcher vorgesehen, durch die, wie in den Zeichnungen dargestellt, aufgedampfte Aluminiumbeschaltungen 68 bis 71 treten. Die Aluminiumbeschaltung 68 dient als Anodenelektrode, die Aluminiumbeschaltung 69 als Steuerelektrode und die Aluminiumbeschaltung 70 als Kathodenelektrode. Zur Erläuterung dieser Beschaltungen wird auf die Beschreibung der Fig. 1 bis 5 Bezug genommen.
Bereiche der Aluminiumbeschaltungen 68 bis 71, die mit den vorstehend erwähnten Halbleiterschichten des einkristallinen Siliziuminselbereichs 54 in ohm'schen Kontakt treten, sind in Fig. 11 schraffiert dargestellt.
In einem derartigen Thyristor fließt der Hauptstrom im leitenden Zustand des Thyristors im wesentlichen von der Anodenelektrode 68 zur Kathodenelektrode 70, während die Leckströme zu den p-leitenden Halbleiterschichten 58 bis 66 sehr gering sind. Die Strukturen des Thyristorelements und der parallelen Kondensatorelemente können somit unabhängig voneinander gestaltet werden. Darüberhinaus ist keine n-leitende Halbleiterschicht hoher Konzentration, die die Stromverstärkung reduzieren soll, erforderlich, so daß die für den einkristallinen Siliziuminselbereich 54 benötigte Fläche verringert werden kann.
Die Fig. 13 bis 15 zeigen wiederum ein anderes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer integrierten Halbleiterschaltung loo.
Ein dielektrisches isolierendes Substrat lol ist so gestaltet, daß in einem Trägerbereich 102 aus polykristallinem Silizium über Siliziumoxidfilme 103 bis 105 einkristalline Siliziuminselbereiche 706 bis 108 eingesenkt sind.
In den n-leitenden einkristallinen Siliziuminselbereich 106 ist ein Thyristorelement und ein Rondensatorelement integriert. Durch bekannte selektive Diffusionsverfahren werden in dem einkristallinen Siliziuminselbereich 106 eine p-leitende erste Halbleiterschicht 109 und eine p-leitende dritte Halbleiterschicht 11o gebildet. In der p-leitenden dritten Halbleiterschicht 110 wird eine n-leitende vierte Halbleiterschicht 111 und vier isolierte n-leitende Halbleiterschichten 112 bis 115 gebildet. Der verbleibende Teil des einkristallinen Siliziuminselbereichs 106, in den keine p-leitenden Verunreinigungen eindiffundiert wurden, ist mit 106a bezeichnet und bildet eine n-leitende zweite Halbleiterschicht. Das Thyristorelement besteht aus den Halbleiterschichten 109, 1o6a, 110 und 111, während die parallelen Kondensatorelemente durch die Halbleiterschichten 110 und 112 bis 115 gebildet werden.
Durch bekannte selektive Diffusionsverfahren werden in dem n-leitenden einkristallinen Siliziuminselbereich 107 eine p-leitende erste Halbleiterschicht 116 und eine p-leitende dritte Halbleiterschicht 117 gebildet. Der Teil des Inselbereichs, in dem keine Verunreinigungen eindiffundiert wurden, ist mit lo7a bezeichnet. Die Halbleiterschichten 116, 107a und 117 bilden auf diese Weise ein integriertes pnp-Transistorelement.
Im n-leitenden einkristallinen Siliziuminselbereich 1o8 wird durch bekannte selektive Diffusionsverfahren eine p-leitende Halbleiterschicht 118 gebildet, die als Widerstandselement benutzt wird.
Über der gesamten Oberfläche des dielektrischen isoliexenden Substrats lol ist ein die Oberfläche stabilisierender, in Fig. 13 nicht dargestellter Siliziumoxidfilm 124 aufgebracht.
An vorbestimmten Stellen der Halbleiterschichten sind in dem Siliziumoxidfilm 124 Löcher vorgesehen, durch die aufgedampfte Aluminiumbeschaltungen treten. Die Aluminimbeschaltungen stehen mit den Halbleiterschichten in ohm'schem Kontakt und verbinden zugeordnete Halbleiterschichten. Die Aluminiumbeschaltungen bilden eine Anodenelektrode 119, eine Steuerelektrode 120 und eine Kathodenelektrode 121. Die Aluminiumbeschaltung 12Z verbindet die n-leitenden Halbleiterschichten 112 bis 115 des Transistorelements und die n-leitende zweite Halbleiterschicht 1o7a. Die Aluminiumbeschaltung 123 verbindet die n-leitende zweite Halbleiterschicht 106a des Thyristorelements und die p-leitende zweite Halbleiterschicht 117 des Transistorelements.
Fig. 16 zeigt ein Ersatzschaltbild des in den Fig. 13 bis 15 dargestellten Thyristors.
Wird der Kathodenelektrode 121 ein Spannungsimpuls mit steilem Spannungsabfall zugeführt, so wird der erste Übergang des Thyristorelements, bzw. der durch die p-leitende erste Ilalbleiterschicht 109 und die n-leitende zweite Halbleiterschicht lo6a gebildete pn-Übergang mit Hilfe des pnp-Transistorelements und der parallelen ronclensatorelemente kurzgeschlossen. Ein Fehlbetrieb des Thyristorelements aufgrund des Änderungseffekts wird auf diese Weise unterbunden.
Die p-leitende Ilalbleiterschicht ist erfindungsgemäß in vier lIalbleiterschicllten 112 bis 115 unterteilt. Es wird ein ausreichend großer Ladestrom Ic erhalten, der der n-leitenden zweiten Ilalbleiterschicht 107a des Transistorelements zugeführt wird. Das Transistorelement schaltet daraufhin vom hochohmigen, ungesättiguen Zustand in den niederohmigen gesättigten Zustand und schließt den ersten Übergang des Thyristorelements kurz.
Fig. 17 zeigt als Abänderung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 einen Teil einer integrierten Halbleiterschaltung 150. In diesem Ausführungsbeispiel sind ein Thyristorelement und ein Parallelkondensatorelement in isolierte einkristalline Siliziuminselbereiche integriert.
Die einkristallinen Siliziuminselbereiche 154 und 155 sind über SiliziumoxidfiLrne 152 und 153 in einen Trägerbereich 151 aus polykristallinem Silizium eingesenkt. Der n-leitende einkristalline Siliziuminselbereich 154 enthält das Thyristorelement, welches aus einer p-leitenden ersten f1albleiterschicht 156, einer n-leitenden zweiten Halbleiterschicht 154a, einer p-leitenden dritten Iialbleiterschicht 157 und einer nleitenden vierten llalbleiterschicht 158 besteht. Das Thyristorelement ist entsprechend den Thyristorelementen der Fig. 1 und 2 konstruiert. Der n-leitende einkristalline Siliziuminselbereich 155 enthält drei isolierte p-leitende Halbleiterschichten 159 bis 161.
Auf der Oberfläche des dielektrischen isolierenden Substrats 151 ist ein nicht dargestellter, stabilisierender Siliziumoxidfilm aufgebracht. An vorbestimmten Stellen der Halbleiterschichten sind im Siliziumoxidfilm Löcher vorgesehen, durch die hindurch aufgedampfte Aluminiumbeschaltungen 162 bis 166 in ohmschem Kontakt mit den flalbleiterschichten stehen. Die Bereiche des ohm'schein Kontakts sind schraffiert eingezeichnet.
Die Aluminiumbeschaltungen bilden eine Anodenelektrode 162, eine STeuerelektrode 163 und eine Kathodenelektrode 164.
Die Aluminiumbeschaltung 165 verbindet die n-leitende zweite Halbleiterschicht 154a, die ein dem Anodenpotential des Thyristorelements entsprechender Bereich ist, mit einer n-leitenden Halbleiterschicht 155a des einkristallinen Siliziuminselbereichs 155, der das Parallelkondensatorelement bildet.
Die Aluminiumbeschaltung 166 verbindet das Parallerkondensatorelement mit dem Transistorelement.
Wird der Anodenelektrode 162 ein Spannungsimpuls mit steilem Anstieg, d.h. mit Rampenverhalten zugeführt, so wird über die Aluminiumbeschaltung 165 auf die durch die n-leitende Halbleiterschicht 155a und die Halbleiterschichten 159 bis 161 gebildeten pn-Übergänge ein Potential übertragen, das sie in Sperrichtung vorspannt. Über die in Sperrichtung vorgêspannten pn-Übergänge bzw. Parallelkondensatoren fließt ein großer Ladestrom, der das nicht dargestellte Transistorelement in den Sättigungszustand treibt und die Steuer- und Kathodenelektroden des Thyristorelements kurzschließt, ein Fehl zünden des Thyristors also verhindert.
In jedem der obenstehend erläuterten Ausführungsbeispiele wurde zur Isolierung ein dielektrisches isolierendes Substrat benutzt. Gleichermaßen können jedoch andere Isoliersysteme verwendet werden, beispielsweise die Isolierung durch pn-Übergänge,durch Luftisolierung und ombinationen dieser Systeme.
Als Schalterelemente wurden lediglich pnp- oder npn-Transistoren erwähnt; es können aber auch Feldeffekttransistoren oder Unijunction-Transistoren benutzt werden.

Claims

Patentansprüche Thyristor, dessen Thyristorelement vier Halbleiterschichten mit abwechselndem Leitfähigkeitstyp aufweist, wobei die Halbleiterschichten drei aneinander angrenzende pn-Übergänge bilden und die erste Halbleiterschicht mit einer Anodenelektrode die dritte Halbleiterschicht mit einer Steuerelektrode und die vierte Halbleiterschicht mit einer Rathodenelektrode beschaltet ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen die Halbleiterschichten (20, 21; 56, 57; 1o6a, 109i 157, 153), die einen der beiden endseitigen pn-Übergänge des Thyristorelements (Thy) bilden, ein Schalterelement (Trs) geschaltet ist, daß ein Steuerelement (C) vorgesehen ist, das rasch ansteigende Spannungen zwischen der Anodenelektrode (31; 68; 119; 162) und der Kathodenelektrode (33; 70; 121; 164) des Thyristorelements (Thy) erfaßt und mittels des Schalterelements (Trs) den genannten endseitigen pn-Übergang des Thyristorelements (Thy) kurzschließt, daß das Steuerelement (C) ein durch Sperrschichten beim Vorspannen von pn-Übergängen in Sperrichtung gebildetes Kondensatorelement (C) aufweist, und daß die das Kondensatorelement (C) bildenden Sperrschichten aus einer Halbleiterschicht (16a; 54a; 110; 155a) des einen Leitfähigkeitstyps und einer Vielzahl an diese Halbleiterschicht angrenzender, getrennter Halbleiterschichten (22 - 24; 58 - 66; 112 - 115; 159 - 161) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehen
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Schalterelement (Trs ) als npn-Transistor (26 --28) ausgebildet ist und zwischen die Steuerelektrode (32) und die Kathodenelektrode (33) des Thyristoreler:ients (Thy) geschaltet ist.
3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Kondensatorelement (C) durch eine n-leitende einer ersten, mit der Anodenelektrode (31; 68; 162) beschalteten, p-leitenden Halbleiterschicht (19; 55; 156) benachbarte zweite flalbleiterschicht (16a; 54a; 155a) sowie eine Vielzahl an die zweite, n-leitende Halbleiterschicht (16a; 54a; 155a) angrenzende, unterteilte, p-leitendo IIalbleiterschichten (22 - 24; 58 - 66; 159 - 161) gebildet ist.
4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die erste (19; 55) und die dritte (20; 56) Halbleiterschicht des Thyristorelements (Thy) durch in einen n-leitenden, einkristallinen Siliziuminselbereich (16; 54) eines Isoliersubstrats (11; 51) eindiffundierte pleitende Verunreinigungen gebildet sind, daß die vierte Halbleiterschicht (21; 57) durch in die dritte Halbleiterschicht (20; 56) eindiffundierte n-leitende Verunreinigungen gebildet ist und die n-leitende zweite Halbleiterschicht (16a; 54a) ohne Eindiffundieren von Verunreinigungen gebildet ist und daß das Kondensatorelement (C) durch die n-leitende zweite Ilalbleiterschicht (16a; 54a) und eine Vielzahl p-leitender, durch Eindiffundieren einer p-leitenden Verunreinigung in die n-leitende zweite Ilalbleiterschicht (16a; 54a) entstandener rlalbleiterschichten (22 - 24; 58 - 66) gebildet ist.
5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n z e i c h -n e t , daß die erste Halbleiterschicht (19) U-Form hat und die dritte Halbleiterschicht (20) mit festem Abstand umgibt und daß zwischen der ersten Halbleiterschicht (19) und der Vielzahl der das Kondensatorelement (C) bildenden, unterteilten, p-leitenden Italbleiterschichten (22 - 24) eine nleitende iIalbleiterschicht (25) hoher Konzentration angeordnet ist.
6. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die dritte Halbleiterschicht.(56) die erste lIalbleiterschicht (55) mit festem Abstand umgibt und daß die das Kondensatorelement (C) bildenden, unterteilten Haibleiterschichten (58 - 66) mit festem Abstand um die dritte Halbleiterschicht (56) herum angeordnet sind.
7. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß das Schalterelement (Trs) ein zwischen die erste (109) und die zweite (106a) ITalbleiterschicht des Thyristorelements (Thy) geschalteter pnp-Transistor (Trs) ist und daß das Kondensatorelement (C) durch die dritte Halbleiterschicht (110) des Thyristorelements (Thy) und eine Vielzahl n-leitender, an die dritte Halbleiterschicht (11o) angrenzender Halbleiterschichten (112 - 115) gebildet ist.