DE3051162C2

DE3051162C2 - High reverse voltage static induction thyristor

Info

Publication number: DE3051162C2
Application number: DE3051162A
Authority: DE
Inventors: Jun-Ichi Nishizawa; Tadahiro Ohmi
Original assignee: Zaidan Hojin Handotai Kenkyu Shinkokai
Current assignee: Zaidan Hojin Handotai Kenkyu Shinkokai
Priority date: 1979-01-26
Filing date: 1980-01-24
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2000-01-25

Abstract

The static induction thyristor with high reverse voltage has semiconductor channel zone of low impurity concentration, on whose surface is deposited a main electrode with a high impurity concentration zone of preset conductivity. The several alternative designs feature various thin layered main electrodes for the cathode structure (13) on top of the other channel and anode zones (11, 12).The gate zones (14) may be embedded in the surface of the channel zone, with partial or complete embedding, either adjacent to the surface cathode, or at the base of an entrenched cathode.The cathode and gate electrode layers are of relatively smaller thickness or diameter than the channel zone (12). All zones are low in impurities, but the specification for the channel zone is less than 1 x 1016 atoms/cm3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Induktionsthyristor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Ein derartiger Thyristor ist aus der DE-OS 28 24 133 bekannt.The invention relates to a static induction thyristor according to the preamble of claim 1. Such a thyristor is out DE-OS 28 24 133 known.

Konventionelle Thyristoren werden grundsätzlich durch eine vier Schichten aufweisende Struktur des pnpn-Typs gebildet und haben Nachteile insofern, als das Abschalten nur durch eine Gate-Spannung ausgeführt werden kann, und daß selbst dann, wenn das Abschalten durch diese Gate-Spannung ausgeführt wird, die Geschwindigkeit sehr niedrig liegt. Im Gegensatz dazu hat der statische Induktionsthyristor, wie er bsplw. aus der eingangs genannten DE-OS 28 24 133 bekannt ist, (im folgenden SI-Thyristor genannt) grundsätzlich den Aufbau einer Gate-Dioden- Struktur, d. h. Anodenzone, Kathodenzone sowie Gate-Mittel, die entweder in der Anoden- oder der Kathodenzone integriert sind. Vorteilhafterweise treten dabei folgende Merkmale auf: Der Abschaltvorgang durch die Gate-Spannung erfolgt schnell. Die Sperrspannung des konventionellen SI-Thyristors ist hauptsächlich durch die Dicke einer einen hohen Widerstandswert aufweisenden Zone bestimmt, die ihrerseits den Durchlaßspannungsabfall begrenzt. Es ist daher schwierig, gleichzeitig eine hohe Sperrspannung und einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall zu erhalten.Conventional thyristors are basically by a four layer structure of the pnpn type was formed and have disadvantages in that the shutdown executed only by a gate voltage can be, and that even if the shutdown running through this gate voltage, the speed is very low. In contrast the static induction thyristor as it bsplw. is known from the aforementioned DE-OS 28 24 133 (in the following SI thyristor called) basically the construction of a gate diode Structure, d. H. Anode zone, cathode zone and gate means, which is integrated either in the anode or the cathode zone are. The following features advantageously occur: The shutdown process by the gate voltage happens quickly. The reverse voltage of the conventional SI thyristors is mainly due to the thickness a high resistance zone determined, which in turn the Forward voltage drop limited. It is therefore difficult, a high reverse voltage and to get a low forward voltage drop.

Aus der US 40 37 245 ist ein statischer Induktionsthyristor bekannt, der so dimensional ist, daß die Abschnürspannung, bei der der Stromfluß zwischen Kathode und Anode unterbunden ist, kleiner ist als die Lawinendurchbruchspannung.From US 40 37 245 is a static induction thyristor known that is so dimensional that the pinch-off voltage at which the current flow between Cathode and anode is prevented, is smaller than the avalanche breakdown voltage.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 hinsichtlich hoher Durchbruchspannung und geringen Abschaltzeiten zu optimieren.The present invention has for its object a Thyristor according to the preamble of claim 1 with respect high breakdown voltage and short switch-off times optimize.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.To achieve this object, the invention provides the characteristic Part of claim 1 measures mentioned. Preferred embodiments of the invention result from the subclaims.

Durch den erfindungsgemäß ausgebildeten Thyristor erreicht man somit eine hohe Sperrspannung, einen geringen Durchlaßspannungsabfall und eine hohe Schaltgeschwindigkeit.Achieved by the thyristor designed according to the invention thus a high reverse voltage, a low forward voltage drop and a high switching speed.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen; in den Zeichnungen zeigen:Further advantages of the invention result from the Description of exemplary embodiments with reference to the drawings; in the drawings show:

Fig. 1A einen schematischen Schnitt durch einen konventionellen statischen Induktionsthyristor; Fig. 1A is a schematic section through a conventional static induction thyristor;

Fig. 1B eine schematische Darstellung einer Potentialverteilung zwischen den Gate-Regionen dieses Thyristors; Figure 1B is a schematic representation of a potential distribution between the gate regions of said thyristor.

Fig. 1C und 1D schematische Darstellungen der Potentialverteilungen zwischen der Kathodenregion und der Anodenregion dieses Thyristors; Fig. 1C and 1D are schematic representations of the potential distributions between the cathode region and the anode region of this thyristor;

Fig. 1E bis 1G schematische Darstellungen der Potentialverteilungen sowie des elektrischen Feldes zwischen der Gateregion und der Anodenregion dieses Thyristors; FIG. 1E to 1G are schematic representations of the potential distributions, and the electric field between the gate region and the anode region of this thyristor;

Fig. 2A bis 2E schematische Schnitte des erfindungsgemäßen statischen Induktionsthyristors, dabei zeigen: Figs. 2A to 2E are schematic sectional views of the static induction thyristor according to the invention, in which:

Fig. 2A einen schematischen Schnitt längs Linie A-A′ in Fig. 2B, Fig. 2A is a schematic section along line AA 'in Fig. 2B,

Fig. 2B eine schematische Draufsicht und Fig. 2B is a schematic top view and

Fig. 2C bis 2E schematische Darstellungen von Potentialverteilungen sowie des elektrischen Feldes zwischen der Gateregion und der Anodenregion; FIG. 2C to 2E are schematic representations of potential distributions, as well as of the electric field between the gate region and the anode region;

Fig. 3 bis 12 schematische Schritte von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßn statischen Induktionsthyristors; FIGS. 3 to 12 are schematic steps of embodiments of the invention gemäßn static induction thyristor;

Fig. 13A und 13B schematische Darstellungen einer Potentialverteilung bzw. einer elektrischen Feldverteilung des statischen Induktionsthyristors der Erfindung bei Anlegen einer Sperr- oder Rückwärtsspannung; FIG. 13A and 13B are schematic representations of a potential distribution and an electric field distribution of the static induction thyristor of the invention, when a barrier or reverse voltage;

Fig. 14 ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen statischen Induktionsthyristors; FIG. 14 is an example of application of the static induction thyristor according to the invention;

Fig. 15, 16 und 17 schematische Darstellungen von Schnitten des erfindungsgemäßen statischen Induktionsthyristors. Fig. 15, 16 and 17 are schematic representations of sections of the static induction thyristor according to the invention.

Ein typisches Beispiel sowie die Arbeitsprinzipien eines konventionellen SI-Thyristors sind in den Fig. 1A bis 1G dargestellt. Fig. 1A zeigt einen Schnitt eines typischen Beispiels der Oberflächen-Gate-Struktur eines SI- Thyristors.A typical example and the working principles of a conventional SI thyristor are shown in FIGS. 1A to 1G. Fig. 1A is a sectional view of a typical example of the surface gate structure of a static induction thyristor.

Der konventionelle SI-Thyristor wird zum Verständnis der vorliegenden Erfindung zunächst analysiert.The conventional SI thyristor is first analyzed to understand the present invention.

In Fig. 1A repräsentieren die p⁺-Zonen (Regionen) 11 und 14 eine Anodenzone bzw. eine Gate-Zone. Eine n⁺-Typ-Zone 13 repräsentiert eine Kathodenzone. Eine n^--Typ-Zone 12 repräsentiert eine Zone (Region) zum Aufbau eines Kanals. Die Bezugszeichen 11′, 13′ und 14′ bezeichnen eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine Gate-Elektrode, die aus einer Lage aus Al, Mo, W, Au oder anderen Metallen oder einem einen niedrigen Widerstandswert aufweisenden Polysilizium oder deren zusammengesetzter Struktur hergestellt sein können. Mit 16 ist eine Isolierschicht bezeichnet, die aus SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, AlN oder ähnlichen Substanzen oder ihren Mischungen oder ihrer zusammengesetzten Isolierlage hergestellt sein kann. Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Potentialverteilungen der Fig. 1B bis 1F der Grund erläutert, warum ein Abschaltzustand, in dem selbst bei Anlage einer positiven Spannung an die Anodenzone kein Strom fließt, erreicht werden kann. Fig. 1B zeigt eine Potentialverteilung in einem Schnitt einer Kanalzone 12 zwischen den Gate-Zonen 14 zu einem Abschaltzeitpunkt. Die Fig. 1C und 1D zeigen Potentialverteilungen zwischen einer Kathodenzone 13 und einer Anodenzone 11 zum Abschaltzeitpunkt. Fig. 1E und 1F zeigen Potentialverteilungen zwischen der Gate-Zone 14 und der Anodenzone 11 ztum Abschaltzeitpunkt. Fig. 1G zeigt eine Feldverteilung zwischen der Gate-Zone 14 und der Anodenzone 11.In Fig. 1A, the p⁺ zones (regions) 11 and 14 represent an anode zone and a gate zone, respectively. An n⁺-type zone 13 represents a cathode zone. An n ^- type zone 12 represents a zone (region) for building a channel. The reference numerals 11 ', 13' and 14 ' denote an anode electrode, a cathode electrode and a gate electrode, which are made of a layer of Al, Mo, W, Au or other metals or a low resistance polysilicon or its composite structure can. With 16 an insulating layer is referred to, which can be made of SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, AlN or similar substances or their mixtures or their composite insulating layer. The reason why a shutdown state in which no current flows even when a positive voltage is applied to the anode zone can be achieved with reference to the potential distributions of Figs. 1B to 1F. Fig. 1B shows a potential distribution in a section of a channel region 12 between the gate regions 14 to a switch-off. Figs. 1C and 1D show potential distributions between a cathode region 13 and anode region 11 to turn-off. FIG. 1E and 1F show potential distributions between the gate region 14 and anode region 11 ztum switch-off. Fig. 1G shows a field distribution between the gate region 14 and anode region 11.

Fig. 1B zeigt die Potentialverteilung in Querrichtung der Kanalzone in dem Zustand, daß eine vorbestimmte Sperrspannung (einschl. V_g = 0) an die Gate-Zone angelegt ist. Die in den Fig. 1B bis 1F gezeigten und darauffolgend erläuterten Potentialverteilungen sind für Elektronen dargestellt und beschrieben. Es sei bemerkt, daß Elektronen mit größerer Leichtigkeit einen derartigen Platz mit einem niedrigeren Potential erreichen können. Demgemäß gilt das Umgekehrte für den Fall von Löchern, die eine entgegengesetzte oder positive elektrische Ladung besitzen; diese Löcher erreichen einen Platz mit einem höheren Potential für Elektronen mit größerer Leichtigkeit. In sämtlichen Fig. 1B bis 1F bezieht sich das Null- oder Bezugspotential auf das Potential der Kathodenzone. In Fig. 1B repräsentiert V_bi das eingebaute oder Diffusionspotential zwischen der Gate-Zone 14 und der Kanalzone 12. Im Falle, daß das Potential V_g* am Mittelteil der Kanalzone hinreichend viel größer ist als die thermische Energie kT (k ist die Boltzmannsche Konstante und T die absolute Temperatur), welche die Elektronen besitzen, so wird kaum eine Injektion von Elektronen von der Kathodenzone über diese Barriere zur Anodenzone vorhanden sein. Die Fig. 1C und 1D zeigen Potentialverteilungen von der Kathodenzone zur Anodenzone längs des Mittelteils der Kanalzone. Die Anodenspannung V_a in Fig. 1D ist ersichtlich höher als die in Fig. 1C gezeigte. Das auf der Anodenseite dargestellte Symbol V_bi repräsentiert ein eingebautes oder Diffusionspotential zwischen der Anodenzone 11 und der Kanalzone 12. Die Injektion von Elektronen von der Kathodenzone 13 wird durch das Maximum des Potentials unterdrückt, welches im Vordergrund der Kathodenzone erzeugt wird, d. h. durch die Potentialbarriere -V_g* des Intrinsic-Gates. Auf der Anodenseite bleibt andererseits das Potential des Teils der n^--Typ-Zone 12, angeordnet in der Nähe der Anodenzone 11, niedriger als das der Anodenzone 11, um den Zustand des nicht völligen Durchschlagenseins (punch-through) aufrechtzuerhalten. Demgemäß wird die Injektion von Löchern von der Anodenzone 11 in die Kanalzone 12 durch das eingebaute Potential an der p⁺n^--Sperr- oder Grenzschicht unterdrückt. Andererseits bleibt die Potentialbarriere infolge der p⁺n^--Grenzschicht da, weil dieser Teil sich nicht im Zustand des punch-through befindet. Auf diese Weise wird verhindert, daß der von der Kathodenzone 13 zur Anodenzone 11 führende Pfad, der eine n⁺n^-p⁺-Diodenstruktur bildet, am Einschalten gehindert ist, und ein Strom kann selbst dann nicht fließen, wenn eine Durchlaßspannung an eine solche Struktur angelegt wird. Insbesondere besitzt der Stromdurchlaß von der Kathodenzone zur Anodenzone eine Diodenstruktur n⁺n^-p⁺. Selbst dann, wenn eine Durchlaßspannung an die Struktur angelegt wird, verhindern Gate-Mittel - ausgebildet in der n^--Typ-Zone - die Injektion von Trägern und kein Strom kann fließen. Insbesondere wird eine Potentialbarriere für Elektronen auf der Kathodenseite erzeugt, und eine weitere für Löcher auf der Anodenseite, wobei diese zur Unterdrückung der Injektion der entsprechenden Träger dienen, so daß diese Potentialbarrieren den Stromfluß unterdrücken. Fig. 1B shows the potential distribution in the transverse direction of the channel zone in the state that a predetermined reverse voltage (including V _g = 0) is applied to the gate zone. The potential distributions shown in FIGS. 1B to 1F and explained below are shown and described for electrons. It should be noted that electrons can more easily reach such a place with a lower potential. Accordingly, the reverse applies to the case of holes that have an opposite or positive electrical charge; these holes reach a place with a higher potential for electrons with greater ease. In all of FIGS. 1B to 1F, the zero or reference potential relates to the potential of the cathode zone. In FIG. 1B, V _{bi represents} the built-in or diffusion potential between the gate zone 14 and the channel zone 12 . In the event that the potential V _g * at the central part of the channel zone is sufficiently much greater than the thermal energy kT (k is the Boltzmann constant and T is the absolute temperature) which the electrons possess, there is hardly any injection of electrons from the cathode zone be present over this barrier to the anode zone. Figs. 1C and 1D show potential distributions from the cathode region to the anode region along the central part of the channel region. The anode voltage V _a in FIG. 1D is evidently higher than that shown in FIG. 1C. The symbol V _bi shown on the anode side represents a built-in or diffusion potential between the anode zone 11 and the channel zone 12 . The injection of electrons from the cathode zone 13 is suppressed by the maximum of the potential which is generated in the foreground of the cathode zone, ie by the potential barrier -V _g * of the intrinsic gate. On the anode side, on the other hand, the potential of the part of the n ^- -type zone 12 located in the vicinity of the anode zone 11 remains lower than that of the anode zone 11 in order to maintain the state of not being completely punch-through. Accordingly, the injection of holes from the anode zone 11 into the channel zone 12 is suppressed by the built-in potential at the p⁺n ^- barrier or boundary layer. On the other hand, the potential barrier remains due to the p⁺n ^- boundary layer because this part is not in the punch-through state. In this way, the path leading from the cathode zone 13 to the anode zone 11 , which forms a n⁺n ^- p⁺ diode structure, is prevented from being turned on, and a current cannot flow even when a forward voltage is applied to it Structure is created. In particular, the current passage from the cathode zone to the anode zone has a diode structure n⁺n ^- p⁺. Even if a forward voltage is applied to the structure, gate means - formed in the n ^- type zone - prevent the injection of carriers and no current can flow. In particular, a potential barrier for electrons is generated on the cathode side and another for holes on the anode side, these serving to suppress the injection of the corresponding carrier, so that these potential barriers suppress the current flow.

Ferner ist die Potentialverteilung bei Erhöhung der Anodenspannung V_a in Fig. 1D gezeigt. Durch Vergrößerung der Rückwärts-Gate-Spannung V_g entsprechend einer Erhöhung der Anodenspannung V_a innerhalb des Bereichs der Durchbruchspannung zwischen Kathodenzone und Gate-Zone ist es möglich, stets auf der Kathodenzonenseite eine Potentialbarriere mit einer hinreichend großen Höhe zu erzeugen.Furthermore, the potential distribution when the anode voltage V _{a is} increased is shown in FIG. 1D. By increasing the reverse gate voltage V _{g in} accordance with an increase in the anode voltage V _a within the range of the breakdown voltage between the cathode zone and the gate zone, it is possible to always generate a potential barrier with a sufficiently large height on the cathode zone side.

Es sei nunmehr angenommen, daß die Zone zwischen der Gate-Zone und der Kathodenzone eine Durchbruchspannung besitzt, die hinreichend groß ist, um eine maximale Vorwärtssperrspannung zu realisieren. Wenn jedoch die Anodenspannung V_a weiter ansteigt, und wenn demgemäß die n^--Typ-Zone 12 fast vollständig bis zur Anodenzone verarmt, so wird die Potentialbarriere auf der Anodenzonenseite, die zur Unterdrückung der Injektion von Löchern dient, so niedrig werden, wie dies dargestellt ist. In einem solchen Zustand wird die Injektion von Elektronen von der Kathodenzonenseite aus unterdrück, aber Löcher werden von der Anodenzonenseite aus injiziert werden. Diese Löcher fließen zu dem Teil mit einem höheren Potential hin. Unter derartigen Umständen werden Löcher auch in die Nähe des Instrinsic-Gates fließen. Daher wird die Potentialbarriere am Intrinsic-Gate deutlich abgesenkt werden, was die Injektion von Elektronen von der Gate-Zone aus bewirkt, so daß der Stromfluß beginnt. Dieser Zustand ist die Ursache für die maximale Vorwärtssperrspannung. Es braucht jedoch nicht darauf hingewiesen zu werden, daß dann, wenn die Gate-Kathoden-Durchbruchspannung (break-down-Spannung) nicht hoch genug ist, keine hinreichend hohe Potentialbarriere auf der Kathodenseite erzeugt wird, und selbst dann, wenn die Injektion der Löcher hinreichend auf der Anodenseite unterdrückt ist, erfolgt eine Injektion von Elektronen von der Kathodenseite, und demgemäß kann ein Stromfluß beginnen.It is now assumed that the zone between the gate zone and the cathode zone has a breakdown voltage which is sufficiently large to realize a maximum forward blocking voltage. However, if the anode voltage V _a continues to rise, and accordingly the n ^- -type zone 12 becomes almost completely depleted up to the anode zone, the potential barrier on the anode zone side which serves to suppress the injection of holes will become as low as this is shown. In such a state, the injection of electrons from the cathode zone side is suppressed, but holes will be injected from the anode zone side. These holes flow towards the part with a higher potential. Under such circumstances, holes will also flow near the Instrinsic gate. Therefore, the potential barrier at the intrinsic gate will be lowered significantly, which causes the injection of electrons from the gate zone, so that the current flow begins. This condition is the cause of the maximum forward blocking voltage. However, it need not be pointed out that if the gate-cathode breakdown voltage (break-down voltage) is not high enough, a sufficiently high potential barrier will not be created on the cathode side, even if the hole is injected is sufficiently suppressed on the anode side, electrons are injected from the cathode side, and accordingly, a current flow can start.

Die Fig. 1E und 1F zeigen Gate-Anoden-Potentialverteilungen bei zwei unterschiedlichen Anodenspannungen V_a, wie dies in den Fig. 1C und 1D dargestellt ist. Die Gate-Zone, die Kanalzone und die Anodenzone bilden eine p⁺n^-p⁺-Struktur. In dem Zustand, wo die positive Spannung V_a an die Anodenzone angelegt wird und eine Rückwärtsvorspannung (negative Spannung einschließlich V_g = 0) an die Gate-Zone 14 angelegt wird, wird die Gate-Seite p⁺n^--Grenzschicht rückwärts vorgespannt, und die Anodenseite n^-p⁺-Grenzschicht wird in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Demgemäß breitet sich eine Raumladungszone von der Gate- Seite aus zur Anodenzone hin. Fig. 1F zeigt den Zustand, wo die Raumladungszone die Anodenseiten n^-p⁺-Grenzschicht erreicht hat. Die elektrische Feldintensität (Feldstärke) ist am größten in dem Teil der n^--Zone, die in der Nähe der Gate-Zone angeordnet ist. Die elektrische Gate-Anoden-Feldverteilung ist in Fig. 1G für den der Potentialverteilung gemäß Fig. 1F gezeigten Zustand dargestellt. Die maximale elektrische Felstärke E_max muß in ihrem Wert kleiner gemacht werden als das elektrische Durchbruchsfeld E_b, wo eine Lawine anfängt Platz zu greifen. Wenn das Maximalfeld E_max E_B übersteigt, selbst im Zustand des Anlegens einer solchen Spannung, so wird dies nicht das Verschwinden der Potentialbarriere weder auf der Kathodenseite noch auf der Anodenseite hervorrufen, wobei die maximale Vorwärtssperrspannung durch diese Spannung bestimmt wird. FIGS. 1E and 1F show gate-anode potential distributions at two different anode voltages V _a, as shown in Figs. 1C and 1D. The gate zone, the channel zone and the anode zone form a p⁺n ^- p⁺ structure. In the state where the positive voltage V _{a is applied} to the anode zone and a reverse bias (negative voltage including V _g = 0) is applied to the gate zone 14 , the gate side p⁺n ^- interface layer is back biased, and the anode side n ^- p⁺ boundary layer is biased in the forward direction. Accordingly, a space charge zone spreads from the gate side to the anode zone. Fig. 1F shows the state where the space charge zone has reached the anode sides n ^- p⁺ boundary layer. The electric field intensity (field strength) is greatest in the part of the n ^- zone which is arranged in the vicinity of the gate zone. The electrical gate anode field distribution is shown in FIG. 1G for the state shown in the potential distribution according to FIG. 1F. The maximum electrical field strength E _max must be made smaller in value than the electrical breakdown field E _b , where an avalanche begins to take up space. If the maximum field exceeds E _max E _B , even when such a voltage is applied, this will not cause the potential barrier to disappear either on the cathode side or on the anode side, the maximum forward blocking voltage being determined by this voltage.

Die für einen Thyristor erforderlichen Eigenschaften können beispielsweise wie folgt aufgezählt werden: (1) eine große maximale Vorwärts- Sperr- oder Blockierspannung V_Bamax; (2) einen großen Spannungsverstärkungsfaktor µ (eine große Sperrspannung wird durch eine Gate-Spannung so niedrig als möglich erreicht); (3) einen großen Strom I im leitenden Zustand; (4) einen kleinen Spannungsabfall V_fd im leitenden Zustand; (es sei darauf hingewiesen, daß die Punkte (3) und (4) einen kleinen Widerstand während der Zeit des Leitens bedeuten); (5) eine hohe Schaltgeschwindigkeit; (6) eine große Stromverstärkung G zur Abschaltzeit.The properties required for a thyristor can be enumerated as follows, for example: (1) a large maximum forward blocking or blocking _voltage V _Bamax ; (2) a large voltage gain factor µ (a large reverse voltage is achieved by a gate voltage as low as possible); (3) a large current I in the conductive state; (4) a small voltage drop V _fd in the conductive state; (it should be noted that points (3) and (4) mean a small resistance during the time of conducting); (5) high switching speed; (6) a large current gain G at the turn-off time.

Zur Erhöhung der Sperrspannung ist es erforderlich, den Abstand l₂ zwischen der Gate-Zone und der Anodenzone in Fig. 1A zu erhöhen. Bei der dargestellten Struktur erkennt man jedoch, daß dann, wenn der Abstand l₂ größer gemacht wird als ein bestimmtes Maß, die elektrische Feldstärke E_max in der Nähe der Gate-Zone sich in einem solchen Ausmaß vergrößert, daß das elektrische Durchbruchsfeld E_B, wo die Lawine startet, überschritten wird, so daß die maximale Sperrspannung durch den Lawinendurchbruch bestimmt wird. Obwohl der Schwellenwert für das elektrische Feld zum Starten der Lawine auch von der Dicke der betreffenden Zone abhängt, so ist er in einem Siliziumhalbleiter ungefähr 200 kV/cm und im Falle von GaAs etwas höher als dieser Wert. Es sei ebenfalls bemerkt, daß ein übermäßig langer Abstand l₂ die Lauf- oder Transitzeit der Träger verlängert, was wiederum zu der Verzögerung der Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung beiträgt und den Spannungsabfall V_fd im leitenden Zustand erhöht.To increase the reverse voltage, it is necessary to increase the distance l₂ between the gate zone and the anode zone in Fig. 1A. In the structure shown, however, it can be seen that if the distance l₂ is made greater than a certain amount, the electric field strength E _max in the vicinity of the gate zone increases to such an extent that the electric breakdown field E _B , where the avalanche starts, is exceeded, so that the maximum reverse voltage is determined by the avalanche breakdown. Although the threshold value for the electric field for starting the avalanche also depends on the thickness of the zone in question, it is approximately 200 kV / cm in a silicon semiconductor and somewhat higher than this value in the case of GaAs. It should also be noted that an excessively long distance l₂ extends the transit time of the carriers, which in turn contributes to the delay in the switching speed of the device and increases the voltage drop V _fd in the conductive state.

Es ist zweckmäßig, soweit es die maximale Sperrspannung gestattet, daß die n^--Typ-Zone 12 eine so kleine Dicke wie möglich besitzt, um eine höhere Schaltgeschwindigkeit, einen größeren Stromfluß und einen kleineren Spannungsabfall zu erhalten. Um dies zu realisieren, muß die interne elektrische Feldstärke so gleichförmig wie möglich sein und muß auch auf einen Wert unterdrückt werden, der kleiner ist als das elektrische Lawinendurchbruchsfeld E_B. Um diese elektrische Feldintensität (Feldstärke) zu vergleichförmigen, ist es zweckmäßig, wenn die Störstellenkonzentration N_D der n^--Typ-Zone 12 so klein als möglich ist. Wenn jedoch die Störstellenkonzentration dieser n^--Typ-Zone 12 übermäßig klein ist, so wird diese Zone bereits vollständig durch eine niedrige Anodenspannung bis in die Nähe der Anodenzone verarmt. Auf diese Weise wird der Loch-Injektionsunterdrückungsmechanismus auf der Anodenseite schwach, so daß die maximale Sperrspannung V_Bamax abfällt.It is appropriate, as far as the maximum reverse voltage allows, that the n ^- -type zone 12 has as small a thickness as possible in order to obtain a higher switching speed, a larger current flow and a smaller voltage drop. To achieve this, the internal electric field strength must be as uniform as possible and must also be suppressed to a value that is smaller than the electrical avalanche breakdown field E _B. In order to compare this electrical field intensity (field strength), it is expedient if the impurity concentration N _{D of} the n ^- -type zone 12 is as small as possible. However, if the impurity concentration of this n ^- type zone 12 is excessively small, then this zone is already completely depleted by a low anode voltage up to the vicinity of the anode zone. In this way, the hole injection _{suppression mechanism} on the anode side becomes weak, so that the maximum reverse voltage V _Bamax drops.

Fig. 2A zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen statischen Induktionsthyristors. Um die Anordnung derart zu treffen, daß die Intensität des internen elektrischen Feldes so gleichförmig wie möglich gemacht wird und daß kein Strom anfängt zu fließen, bis nicht ein vorbestimmter Anodenspannungspegel (Potential) angelegt ist, hat sich die Ausbildung einer Zone mit relativ hoher Störstellenkonzentration benachbart zur Anodenzone, wie in Fig. 2A gezeigt, als effektiv herausgestellt; vgl. die DE-OS 28 24 133. Insbesondere ist der größte Teil der Zone zwischen der Gate-Zone und der Anodenzone mit einer n^---Typ-Zone 12 mit einer sehr niedrigen Störstellenkonzentration aufgebaut, und eine n-Typ-Zone 15 mit einer relativ hohen Störstellenkonzentration ist nur in der Nähe der Anodenzone vorgesehen. Andere Zonen können genau die gleichen sein wie in Fig. 1A gezeigt. Fig. 2B ist eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des statischen Induktionsthyristors. Fig. 2A zeigt eine Einheit mit einem einzigen Kanal, und zwar verläuft der Schnitt längs Linie A-A′ in Fig. 2B. Fig. 2C und Fig. 2D zeigen die Gate-Anoden-Potentialverteilungen. Die Anodenspannung V_a in Fig. 2D ist größer verglichen mit der in Fig. 2C gezeigten. Gleichartige Bezugszeichen wie in Fig. 1A bezeichnen gleichartige Teile. Wie erwähnt, ist eine n-Typ-Zone 15 zwischen der Kanalzone 12 und der Anodenzone 11 vorgesehen. In diesem Ausführungsbeispiel ist die maximale Sperrspannung V_Bamax hauptsächlich durch die Dicke der n^---Typ-Zone 12 bestimmt, und die Unterdrückung der Löcherinjektion auf der Anodenseite wird durch die n-Typ-Zone 15 ausgeführt. Fig. 2A schematically shows an embodiment of the static induction thyristor according to the invention. To make the arrangement such that the intensity of the internal electric field is made as uniform as possible and that no current begins to flow until a predetermined anode voltage level (potential) is applied, the formation of a zone with a relatively high impurity concentration has been adjacent to the anode zone, as shown in Figure 2A, was found to be effective; see. DE-OS 28 24 133. In particular, the majority of the zone between the gate zone and the anode zone is constructed with an n ^- -type zone 12 with a very low impurity concentration, and an n-type zone 15 with a relatively high impurity concentration is only provided in the vicinity of the anode zone. Other zones can be exactly the same as shown in Figure 1A. Fig. 2B is a schematic plan view of an embodiment of the static induction thyristor. Fig. 2A shows a unit with a single channel, namely the section along line AA 'in Fig. 2B. Fig. 2C and Fig. 2D show the gate-anode potential distributions. The anode voltage V _a in FIG. 2D is larger compared to that shown in FIG. 2C. Like reference numerals as in Fig. 1A denote like parts. As mentioned, an n-type zone 15 is provided between the channel zone 12 and the anode zone 11 . In this embodiment, the maximum reverse voltage V _{Bamax is} mainly determined by the thickness of the n ^- -type zone 12 , and the suppression of hole injection on the anode side is performed by the n-type zone 15 .

Die in Fig. 2D gezeigte Potentialverteilung entspricht im wesentlichen dem Zustand, in dem eine maximale Sperrspannung angelegt ist. Wie erwähnt, ist der Zustand derart, daß eine sich von der Gate-Zone aus erstreckende Raumladungszone in die n-Typ-Zone 15 hinein erstreckt hat und fast bis zur Anodenzone 11 kommt. Das maximale elektrische Feld E_max wird zu dieser oben erwähnten Zeit an der Grenzfläche zwischen der n^---Typ-Zone 12 und der Gatezone 14 derart eingestellt, daß es etwas kleiner als E_B (vgl. Fig. 2E) ist und die Lawine noch nicht gestartet ist. Es ist zweckmäßig, den Aufbau derart vorzusehen, daß bei einem derartigen Zustand der Spannungsanlegung die zwischen Kathode und Gate-Zone anzulegende Rückwärtsvorspannung nahe der Gate-Kathoden-Durchbruchspannung ist. The potential distribution shown in FIG. 2D essentially corresponds to the state in which a maximum reverse voltage is applied. As mentioned, the condition is such that a space charge zone extending from the gate zone has extended into the n-type zone 15 and comes almost to the anode zone 11 . The maximum electric field E _max is set at the above-mentioned time at the interface between the n ^- -type zone 12 and the gate zone 14 such that it is slightly smaller than E _B (see FIG. 2E) and the avalanche has not yet started. It is expedient to provide the structure in such a way that, in such a state of voltage application, the reverse bias voltage to be applied between the cathode and the gate zone is close to the gate-cathode breakdown voltage.

Es sei bemerkt, daß je dichter die Position der Gate-Zone zur Kathodenzone ist, umso kürzer die Länge der Gate-Zone selbst gemacht werden kann, die sich zur Anodenzone hin erstreckt (in der Richtung des Hauptstroms), so daß eine hohe Spannung blockiert oder gesperrt werden kann, und der Vorwärtsspannungsabfall V_fd klein gemacht werden kann. Wenn die Dicke der n-Typ-Zone 15 übermäßig groß ist, so verbleiben in einem übermäßigen Ausmaß Löcher in der n-Typ-Zone 15, so daß die Zone nicht verarmt wird, selbst zur Zeit des Anlegens einer maximalen Sperrspannung, und demgemäß bleibt ein Teil der flachen Potentialverteilung für eine ausgedehnte Zeitperiode vorhanden. Das heißt, selbst dann, wenn das Gate geöffnet ist, um das Fließen von Elektronen in die n-Typ-Zone 15 zu veranlassen und demgemäß diese Elektronen darin zur Verminderung der Potentialbarriere auf der Anodenseite gespeichert werden, wird die Effizienz der Löcherinjektion von der Anodenzone in die Kanalzone abfallen, und gleichzeitig damit wird die Geschwindigkeit, mit der die Löcher injiziert werden, verzögert, was eine Verschlechterung der Schaltgeschwindigkeit und eine Erhöhung von V_fd bewirkt. Die Dicke der n-Typ-Zone 15 ist umso zweckmäßiger, je kleiner sie ist. Grob gesprochen, sollte die Dicke der n-Typ-Zone vorzugsweise kleiner sein als die Diffusionslänge des Minoritätsträgers beim höchsten Wert. Um die Anordnung derart zu treffen, daß die n-Typ-Zone 15 (dünne Schichtregion) eine kleine Dicke besitzt und daß auch die Raumladungslage in der Lage ist, fast an der Anodenzone durch eine vorbestimmte maximale Sperrspannung anzukommen, erkennt man aus der vorstehenden Beschreibung, daß die Störstellenkonzentration der n-Typ-Zone 15 umso zweckmäßiger ist, je höher sie ist. Je höher jedoch die Störstellenkonzentration der n-Typ-Zone 15 ist, so wird die Höhe der Potentialbarriere für Löcher hochgezogen (das dargestellte Potential für Elektronen wird herabgezogen), so daß die Menge derjenigen Elektronen, die in die erwähnte Zone zu fließen haben werden, groß wird, und demgemäß ergibt sich ein Nachteil insofern, als die Schaltzeit etwas verzögert wird. It should be noted that the closer the gate zone is to the cathode zone, the shorter the length of the gate zone itself which extends towards the anode zone (in the direction of the main current), so that a high voltage is blocked or can be blocked, and the forward _{voltage drop} V _fd can be made small. If the thickness of the n-type zone 15 is excessively large, holes remain in the n-type zone 15 to an excessive extent so that the zone is not depleted, even at the time of application of a maximum reverse voltage, and accordingly remains part of the flat potential distribution is present for an extended period of time. That is, even when the gate is opened to cause electrons to flow into the n-type zone 15 and accordingly these electrons are stored therein to reduce the potential barrier on the anode side, the efficiency of hole injection from the anode zone becomes drop into the channel zone and at the same time the speed at which the holes are injected is slowed down, causing the switching speed to deteriorate and the V _{fd to} increase. The thickness of the n-type zone 15 is more expedient the smaller it is. Roughly speaking, the thickness of the n-type zone should preferably be smaller than the diffusion length of the minority carrier at the highest value. In order to make the arrangement in such a way that the n-type zone 15 (thin layer region) has a small thickness and that the space charge layer is also able to arrive almost at the anode zone by a predetermined maximum reverse voltage, can be seen from the above description that the impurity concentration of the n-type zone 15 is more appropriate the higher it is. However, the higher the impurity concentration of the n-type zone 15 , the height of the potential barrier for holes is raised (the potential for electrons shown is pulled down), so that the amount of those electrons that will have to flow into the mentioned zone becomes large, and accordingly there is a disadvantage in that the switching time is somewhat delayed.

Es sei hier angenommen, daß die Störstellenkonzentration der n^---Typ-Zone 12 mit N_D1 bezeichnet ist. Die Differenz der Beträge der elektrischen Felder am Ende der Gate- Zone 14 und an der Stelle der n^---Zone 12 angeordnet benachbart zur n-Typ-Zone 15, wenn die n^---Typ-Zone 12 vollständig verarmt ist, ist im wesentlichen gegeben durch: N_D1ql₂/ε. Dabei bezeichnet q die Größe der Elektronenladung und ε ist die Dielektrizitätskonstante. Nimmt man an, daß l₂ = 500 µm, so wird der Wert von N_D1ql₂/ε mit N_D1 = 1 × 10¹³ cm^-3 annähernd 80 kV/cm. Wenn die Intensität des elektrischen Feldes Eqs an der Endoberfläche der Gate-Zone mit 150 kV/cm ausgewählt wird unter Vernachlässigung der Dicke der n-Typ-Zone 15, so kann eine Sperrspannung von ungefähr 5500 V realisiert werden. Wenn man Eqs bis zu 180 kV/cm zuläßt, so kann eine Sperrspannung von ungefähr 7000 V realisiert werden. Wenn N_D1 = 1 × 10¹² cm^-3, so wird N_D1ql₂/ε ungefähr 8 kV/cm. Wenn in einem solchen Fall die Intensität des elektrischen Feldes an der Endoberfläche der Gate-Zone Eqs mit 150 kV/cm ausgewählt wird, so kann eine Sperrspannung von ungefähr 7200 V realisiert werden. Es sei nunmehr angenommen, daß l₂ beispielsweise 50 µm ist. Der Wert von N_D1ql₂/ε wird dann mit N_D1 = 1 × 10¹³ cm^-3 ungefähr 8 kV/cm. Wenn N_D1 = 1 × 10¹² cm^-3, dann wird N_D1ql₂/ε ungefähr 0,8 kV/cm. Wenn in solchen Fällen Eqs mit 150 kV/cm ausgewählt ist, so können maximale Vorwärtssperrspannungen von ungefähr 730 V und 750 V für die Fälle N_D1 = 10¹³ bzw. 10¹² cm^-3 realisiert werden. Dadurch, daß man N_D1 auf einen Wert von ungefähr 1 × 10¹³ cm^-3 einstellt, kann eine Sperrspannung von beispielsweise 400 V durch Wahl von l₂ = 27 µm oder sogar kleiner realisiert werden. Die Intensität des elektrischen Feldes an der Grenze zwischen der n^---Typ-Zone 12 und der n-Typ-Zone 15 kann angegeben werden durch: Eqs - N_D1ql₂/ε.It is assumed here that the impurity concentration of the n ^- type zone 12 is denoted by N _D1 . The difference in the amounts of the electric fields at the end of the gate zone 14 and at the location of the n ^- zone 12 arranged adjacent to the n-type zone 15 when the n ^- -type zone 12 is completely depleted essentially given by: N _D1 ql₂ / ε. Here q denotes the size of the electron charge and ε is the dielectric constant. Assuming that l₂ = 500 µm, the value of N _D1 ql₂ / ε with N _D1 = 1 × 10¹³ cm ^-3 becomes approximately 80 kV / cm. If the intensity of the electric field Eqs on the end surface of the gate zone is selected to be 150 kV / cm, neglecting the thickness of the n-type zone 15 , a reverse voltage of approximately 5500 V can be realized. If you allow Eqs up to 180 kV / cm, a reverse voltage of approximately 7000 V can be realized. If N _D1 = 1 × 10¹² cm ^-3 , then N _D1 ql₂ / ε becomes approximately 8 kV / cm. In such a case, if the intensity of the electric field on the end surface of the gate zone Eqs is selected to be 150 kV / cm, a reverse voltage of approximately 7200 V can be realized. It is now assumed that l₂ is 50 µm, for example. The value of N _D1 ql₂ / ε is then with N _D1 = 1 × 10¹³ cm ^-3 approximately 8 kV / cm. If N _D1 = 1 × 10¹² cm ^-3 , then N _D1 ql₂ / ε becomes approximately 0.8 kV / cm. In such cases, if Eqs with 150 kV / cm is selected, maximum forward blocking voltages of approximately 730 V and 750 V can be realized for the cases N _D1 = 10 13 and 10 12 cm ^-3 , respectively. By setting N _D1 to a value of approximately 1 × 10¹³ cm ^-3 , a reverse voltage of, for example, 400 V can be realized by choosing l₂ = 27 µm or even smaller. The intensity of the electric field at the boundary between the n ^- type zone 12 and the n type zone 15 can be specified by: Eqs - N _D1 ql₂ / ε.

Demgemäß kann die Störstellenkonzentration N_D2 der n-Typ-Zone 15 und ihre Dicke l₃ derart bestimmt werden, daß der folgenden Beziehung Genüge getan wird:Accordingly, the impurity concentration N _{D2 of} the n-type zone 15 and its thickness l₃ can be determined such that the following relationship is satisfied:

Wenn N_D2 = 10¹⁶ cm^-3, so reicht ein Wert von ungefähr 1 µm für l₃ für alle die Fälle aus. Im Falle, daß N_D2 = 1 × 10¹⁷ cm^-3, reicht ein Wert von 0,1 bis ungefähr 0,2 µm für l₃ für alle Fälle aus. Wenn N_D2 = 1 × 10¹⁵ cm^-3, so würde der Wert für l₃ ungefähr 10 µm oder kleiner sein. Wenn die Störstellenkonzentration N_D1 und N_D2 und N_D2 sich stark unterscheiden, so kann die maximale Sperrspannung V_Bamax annähernd durch die folgende Formel angegeben werden:If N _D2 = 10¹⁶ cm ^-3 , a value of approximately 1 µm for l₃ is sufficient for all the cases. In the event that N _D2 = 1 × 10¹⁷ cm ^-3 , a value of 0.1 to about 0.2 µm for l₃ is sufficient for all cases. If N _D2 = 1 × 10¹⁵ cm ^-3 , the value for l₃ would be approximately 10 µm or less. If the impurity concentration N _D1 and N _D2 and N _D2 differ greatly, the maximum blocking voltage V _{Bamax can be} approximately given by the following formula:

Um diese maximale Sperrspannung zu realisieren, sollte die Kathoden-Gate-Durchbruchspannung hinreichend hoch sein, um das Anlegen einer hinreichend hohen Rückwärts-Gate-Vorspannung zu ermöglichen, und zwar für den Aufbau einer Potentialbarriere in der Kanalzone ausreichend zur Verhinderung der Elektroneninjektion von der Kathodenseite. Das maximale Feld E_max kann in Beziehung mit dem Lawinendurchbruchsfeld E_B bestimmt werden. Gemäß Gleichung 2 ergibt sich, daß zur Erreichung einer großen Sperrspannung durch eine Dicke l₂ so klein als möglich, der Wert von N_D1 umso zweckmäßiger ist, je kleiner er ist. Insbesondere ist die Zone 12 zweckmäßigerweise entweder ein Intrinsic-Halbleiter oder ein nahezu Intrinsic-Halbleiter. Anders ausgedrückt ist es zweckmäßig, N_D1 derart auszuwählen, daß N_D1ql₂/2′ε hinreichend klein verglichen mit E_B ist.In order to realize this maximum reverse voltage, the cathode-gate breakdown voltage should be sufficiently high to enable the application of a sufficiently high reverse-gate bias, that is to say to build up a potential barrier in the channel zone sufficient to prevent electron injection from the cathode side . The maximum field E _max can be determined in relation to the avalanche breakdown field E _B. According to equation 2 it follows that to achieve a large reverse voltage through a thickness l₂ as small as possible, the value of N _{D1 is the} more appropriate, the smaller it is. In particular, zone 12 is expediently either an intrinsic semiconductor or an almost intrinsic semiconductor. In other words, it is appropriate to select N _{D1 in} such a way that N _D1 ql₂ / 2′ε is sufficiently small compared to E _B.

Wie oben erwähnt, sollte im statischen Induktionsthyristor die Höhe der Potentialbarriere am Intrinsic-Gate auf der Kathodenseite und die Höhe der Potentialbarriere auf der Anodenseite hoch genug sein, um die Injektion von Trägern zu verhindern und die Intensität des elektrischen Feldes an der Grenzschicht der Gate-Zone mit der Anodenseiten-Kanalzone sollte nicht das Lawinendurchbruchfeld E_B übersteigen. Es wurden Betrachtungen angestellt hinsichtlich der Realisierung einer maximalen Vorwärtssperrspannung V_Bamax durch eine Vorrichtung mit einer Dicke so klein als möglich. Da die Intensität des internen elektrischen Felds im wesentlichen gleichförmig über den betreffenden Hauptteil hinweg ist, wird die Stromdichte im leitenden Zustand groß und zusammen damit wird der Vorwärtsspannungsabfall klein. Ebenfalls gilt, daß selbst dann, wenn die Vorrichtung durch Anlegen einer Rückwärtsvorspannung an die Gate-Zone abgeschaltet wird, die meisten Träger in einem Driftfeld laufen, so daß die Schaltzeit kurz ist.As mentioned above, in the static induction thyristor the height of the potential barrier on the intrinsic gate on the cathode side and the height of the potential barrier on the anode side should be high enough to prevent the injection of carriers and the intensity of the electric field at the boundary layer of the gate Zone with the anode side channel zone should not exceed the avalanche breakdown field E _B. Considerations have been made regarding the realization of a maximum forward _{blocking voltage} V _Bamax by a device with a thickness as small as possible. Since the intensity of the internal electric field is substantially uniform across the main part in question, the current density in the conductive state becomes large and together with this the forward voltage drop becomes small. It is also true that even if the device is turned off by applying a reverse bias to the gate zone, most carriers will run in a drift field so that the switching time is short.

Im folgenden seien Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In den im folgenden gezeigten Strukturen wird nur eine Kanaleinheit aus Gründen der vereinfachten Erklärung gezeigt. Um eine Struktur für einen großen Strom zu konstruieren, ist es lediglich erforderlich, eine Mehrfach- oder Multikanalstruktur zu bilden, und zwar einschließlich einer Vielzahl solcher parallelgeschalteter Einheiten.Exemplary embodiments of the invention are described below. In the structures shown below only one channel unit for the sake of simplified explanation shown. To construct a structure for a large stream, it is only necessary to have a multiple or To form a multi-channel structure, including one Large number of such units connected in parallel.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt eines Ausführungsbeispiels des statischen Induktionsthyristors mit einer eingebetteten Gate-Struktur. Eine als Gate-Zone dienende p⁺-Typ-Zone 14 ist entweder in Maschenform oder Streifenform in einer n^---Typ-Zone 12 eingebettet. Eine n⁺-Kathodenzone 13 ragt zum Mittelteil jeder Kanalzone. Der zwischen Gate-Zone und Kathodenzone liegende Teil ist eine gemeinsame Zone mit der erwähnten n^---Typ-Zone 12. Abhängig von der Herstellungsart kann jedoch ein solcher Teil durch eine unterschiedliche Zone als die n^---Typ-Zone 12 ersetzt werden. Infolge der Tatsache, daß eine einen hohen Widerstandswert aufweisende Zone zwischen der Gate-Zone und der Kathodenzone vorhanden ist, ist die Gate-Kathodendurchbruchspannung hoch und die statische Gate-Kathodenkapazität ist klein. Fig. 3 zeigt ein Beispiel, wo sich die Kathoden-n⁺-Typ-Zone 13 durch die gesamte Hauptoberfläche des Halbleiters erstreckt. Es sei jedoch bemerkt, daß eine Struktur verwendet werden kann, in der die n⁺-Typ-Kathodenzone 13 nur in der Nähe des Mittelteils des Kanals vorgesehen ist und zum Mittelteil der Kanalzone hin vorragt. Es sei ferner darauf hingewiesen, daß diese n⁺-Typ-Zone 13 flach ohne einen derartigen vorstehenden Teil sein kann. In dieser eingebetteten Gate- Struktur bestehen die Nachteile darin, daß der Gate-Widerstand die Tendenz besitzt, hoch zu werden, und daß die Schaltgeschwindigkeit verzögert ist. Um derartige Nachteile zu überwinden, kann die Länge der streifenförmigen Gate-Zone klein gemacht werden, und diese streifenförmige Gate-Zone wird in die Oberfläche des Halbleiterkörpers gezogen, und eine Metallelektrode wird darauf vorgesehen. Fig. 3 shows a section of an embodiment of the static induction thyristor with an embedded gate structure. A p⁺-type zone 14 serving as a gate zone is embedded in either an mesh or strip shape in an n ^- -type zone 12 . An n⁺ cathode zone 13 protrudes toward the central part of each channel zone. The part lying between the gate zone and the cathode zone is a common zone with the n ^- -type zone 12 mentioned . Depending on the type of manufacture, however, such a part can be replaced by a different zone than the n ^- type zone 12 . Due to the fact that there is a high resistance zone between the gate zone and the cathode zone, the gate cathode breakdown voltage is high and the static gate cathode capacitance is small. Fig. 3 shows an example where the cathode n⁺-type zone 13 extends through the entire main surface of the semiconductor. However, it should be noted that a structure can be used in which the n⁺-type cathode zone 13 is provided only in the vicinity of the central part of the channel and protrudes toward the central part of the channel zone. It should also be noted that this n⁺-type zone 13 can be flat without such a protruding part. The disadvantages in this embedded gate structure are that the gate resistance tends to become high and the switching speed is delayed. In order to overcome such drawbacks, the length of the stripe-shaped gate region can be made short, and this stripe-shaped gate region is drawn into the surface of the semiconductor body and a metal electrode is provided thereon.

Fig. 4 zeigt eine Struktur, wo eine Isolierschicht 17 auf der Oberfläche der Gate-Zone vorgesehen ist, die zur Anodenzone hin weist. Auf der Isolierschicht 17 ist eine p⁺-Typ-Gate-Zone 14 vorgesehen. In dieser Struktur muß der Hauptteil der Gate- Zone 14 kein Einkristall sein, sondern kann polykristallin sein. Infolge der Tatsache, daß die Isolierschicht 17 auf der Bodenoberfläche der Gate-Zone 14 vorgesehen ist, wird die Menge derjenigen Löcher unter den Löchern, denen gestattet ist, von der Anodenzone wegzufließen, die in die Gate-Zone fließen, klein gemacht werden, und ein statischer Induktionsthyristor mit einer großen Stromverstärkung (Ausschaltverstärkung) wird erhalten. Fig. 4 shows a structure where an insulating layer 17 is provided on the surface of the gate zone facing the anode zone. A p Isol-type gate zone 14 is provided on the insulating layer 17 . In this structure, the main part of the gate region 14 need not be single crystal, but may be polycrystalline. Due to the fact that the insulating layer 17 is provided on the bottom surface of the gate zone 14 , the amount of those holes among the holes that are allowed to flow away from the anode zone that flow into the gate zone will be made small and a static induction thyristor with a large current gain (turn-off gain) is obtained.

Die Fig. 5A bis 5C und 6 zeigen Ausführungsbeispiele von statischen Induktionsthyristoren mit isoliertem Gate. Da ein statischer Induktionsthyristor die Ein/Aus-Steuerung durch Steuerung des Kanalpotentials durch die Gate-Zone ausführt, ist die Gate-Struktur nicht auf die Sperrschicht-/ Bauart begrenzt, sondern grundsätzlich kann jede Struktur verwendet werden. FIGS. 5A-5C and 6 show embodiments of static induction thyristors with insulated gate. Since a static induction thyristor performs on / off control by controlling the channel potential through the gate zone, the gate structure is not limited to the junction / type, but basically any structure can be used.

Fig. 5A zeigt eine Struktur, wo eine isolierte Gate-Zone auf der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers vorgesehen ist. In diesem Beispiel ist nicht beabsichtigt, daß eine p-Typ-Zone 14 die Rolle eines Haupt- oder Treiber-Gates spielt. Elektronen angeordnet in der Kathodenzone werden zuerst durch ein isoliertes Gate 14′ gesteuert und können horizontal durch den Teil der Kanalzone fließen, der durch das erwähnte isolierte Gate (im folgenden MOS-Gate genannt) umgeben ist, und durch eine p-Typ-Zone 14, im wesentlichen längs der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers. Danach werden die Elektronen vertikal von dort aus zur Anodenzone 11 fließen. Fig. 5A shows a structure in which an insulated gate zone is provided on the main surface of the semiconductor body. In this example, p-type zone 14 is not intended to play the role of a main or driver gate. Electrons arranged in the cathode zone are first controlled by an insulated gate 14 'and can flow horizontally through the part of the channel zone which is surrounded by the insulated gate (hereinafter referred to as MOS gate) and through a p-type zone 14 , essentially along the main surface of the semiconductor body. Then the electrons will flow vertically from there to the anode zone 11 .

Fig. 5B zeigt einen weiteren Schnitt, der senkrecht zur Oberfläche der Zeichenebene verläuft und durch eine Kathodenzone 13 der Fig. 5A schneidet. In dieser Figur ist eine unabhängige Elektrode 14′′′ auf der p-Typ-Zone 14 vorgesehen dargestellt. Diese Elektrode 14′′′ kann ein unabhängiges Potential erhalten, oder aber sie kann elektrisch schwimmen oder schweben. Diese Elektrode 14′′′ kann auch direkt mit einer Kathodenelektrode 13′ gekoppelt sein. In einem derartigen Fall werden diejenigen von der Anodenzone injizierten Löcher hauptsächlich in die p-Typ-Zone 14 fließen, und von dort fließen sie zur Kathodenelektrode 13′ über die Elektrode 14′′′. Demgemäß ist der Abfluß dieser Löcher von der Kanalzone 12 gut, und die Betriebsgeschwindigkeit ist hoch. Weil die Struktur zur MOS-Gate-Bauart gehört, ist die Stromverstärkung, wie üblich, sehr groß. Im Falle, daß sich die p-Typ-Zone 14 im schwimmenden Zustand befindet, zeigt die dargestellte Struktur eine Arbeitsweise ähnlich der des konventionellen Thyristors infolge derjenigen Löcher, die in die p-Typ-Zone 14 geflossen sind, die eine negative Widerstandscharakteristik oder -kennlinie erzeugen, aber das Abschalten durch das MOS-Gate unmöglich machen. Aus diesem Grunde ist es normalerweise zweckmäßig, diese Elektrode 14′′′ direkt mit der Kathodenelektrode 13′ zu koppeln oder ein unabhängiges Vorspannungspotential daran anzulegen. FIG. 5B shows a further section which runs perpendicular to the surface of the drawing plane and cuts through a cathode zone 13 of FIG. 5A. In this figure, an independent electrode 14 '''is shown provided on the p-type zone 14 . This electrode 14 '''can receive an independent potential, or it can float or float electrically. This electrode 14 '''can also be coupled directly to a cathode electrode 13 '. In such a case, those holes injected from the anode zone will mainly flow into the p-type zone 14 , and from there they will flow to the cathode electrode 13 'through the electrode 14 '''. Accordingly, the drainage of these holes from the channel zone 12 is good and the operating speed is high. Because the structure is of the MOS gate type, the current gain is, as usual, very large. In the event that the p-type zone 14 is in the floating state, the structure shown shows an operation similar to that of the conventional thyristor due to the holes which have flowed into the p-type zone 14 which have a negative resistance characteristic or - Generate characteristic curve, but make switching off by the MOS gate impossible. For this reason, it is usually advisable to couple this electrode 14 '''directly to the cathode electrode 13 ' or to apply an independent bias potential to it.

Fig. 5C zeigt eine Verbesserung der Struktur gemäß Fig. 5A. In Fig. 5A ist eine MOS-Gate-Struktur gleichförmig zwischen benachbarten Kathodenzonen 13 vorgesehen. Um den Thyristor schnell einzuschalten, existiert vorzugsweise ein Driftfeld von der Kathodenzone 13 zur Anodenzone. Die langgestreckte Gate-Elektrode 14′ kann entgegengesetzt zu diesem Zweck arbeiten. Wenn ferner ein Elektronenstrom fließt, so gibt es einen IR-Spannungsabfall auch am Horizontalteil des Stromkanals, der der Steuerung der Gate- Elektrode 14′ ausgesetzt ist. Dieser IR-Spannungsabfall macht die effektive Gate-Vorspannung tief und erzeugt eine negative Rückkopplungswirkung für den Elektronenfluß. Um diesen Nachteil zu überwinden, kann eine MIS-Gate-Struktur, wie in Fig. 5C gezeigt, verwendet werden, bei der die Dicke der Isolierschicht in der Nähe des Mittelteils zwischen den benachbarten Kathodenzonen erhöht wird. Die Dicke und Störstellenkonzentration der p-Typ-Zone in den Strukturen gemäß Fig. 5A und 5C muß derart ausgewählt sein, daß das Auftreten des punch-through-Zustands zwischen der Anodenzone und der Kathodenzone verhindert wird; d. h. es muß verhindert werden, daß ein Lochstrom direkt zur Zeit des Anlegens der maximalen Sperrspannung hindurchfließt. Zusammen damit und im Hinblick auf die Tatsache, daß ein Strom durch die p-Typ-Zone 14 fließen wird, müssen die Abmessungen und die Störstellenkonzentration in dieser Zone genügend derart ausgewählt werden, daß der Spannungsabfall infolge Stromflusses hinreichend klein ist, um so im wesentlichen vernachlässigt werden zu können. Dies bedeutet, daß dessen Störstellenkonzentration zweckmäßigerweise relativ hoch ist. FIG. 5C shows an improvement in the structure according to FIG. 5A. In Fig. 5A, a MOS gate structure is uniformly provided between adjacent cathode zones 13. In order to switch the thyristor on quickly, there is preferably a drift field from the cathode zone 13 to the anode zone. The elongated gate electrode 14 'can work in the opposite direction for this purpose. Furthermore, when an electron current flows, there is an IR voltage drop on the horizontal part of the current channel, which is exposed to the control of the gate electrode 14 '. This IR voltage drop lowers the effective gate bias and creates a negative feedback effect for electron flow. In order to overcome this disadvantage, an MIS gate structure as shown in Fig. 5C can be used, in which the thickness of the insulating layer in the vicinity of the middle part between the adjacent cathode zones is increased. The thickness and impurity concentration of the p-type zone in the structures according to FIGS. 5A and 5C must be selected in such a way that the occurrence of the punch-through state between the anode zone and the cathode zone is prevented; that is, a hole current must be prevented from flowing through directly at the time the maximum reverse voltage is applied. Along with this and in view of the fact that a current will flow through the p-type zone 14 , the dimensions and the impurity concentration in this zone must be selected sufficiently so that the voltage drop due to current flow is sufficiently small, so essentially to be neglected. This means that its impurity concentration is expediently relatively high.

Fig. 6 zeigt in ähnlicher Weise einen schematischen Schnitt eines Ausführungsbeispiels eines statischen Induktionsthyristors mit einer MIS-Gate-Struktur. Wie in der Fig. 6 gezeigt, ist die MIS-Gate-Struktur entlang einer Seitenoberfläche eines Ausnehmungsteils vorgesehen. Fig. 6 shows a schematic section similarly showing an embodiment of a static induction thyristor with a MIS gate structure. As shown in FIG. 6, the MIS gate structure is provided along a side surface of a recess part.

Dieser statische Induktionsthyristor der MIS-Bauart verwendet eine p⁺nn^--n⁺-Konfiguration. Demgemäß werden sämtliche aus der Anodenzone geflossenen Löcher in die Kathodenzone eintreten. Demgemäß besitzt diese Struktur den Nachteil, daß die Geschwindigkeit der Abschaltzeit etwas verzögert ist. Die Abschaltverstärkung dieser Struktur ist jedoch sehr groß. Man erkennt, daß die in den Fig. 5 und 6 gezeigten isolierten Gate-Elektroden aus Schottky-Elektroden aufgebaut sein können, um Schottky-Gate-Thyristoren zu bilden.This MIS-type static induction thyristor uses a p⁺nn ^- n⁺ configuration. Accordingly, all of the holes that have flowed from the anode zone will enter the cathode zone. Accordingly, this structure has the disadvantage that the speed of the turn-off time is somewhat delayed. The switch-off gain of this structure is, however, very large. It can be seen that the insulated gate electrodes shown in Figs. 5 and 6 can be constructed from Schottky electrodes to form Schottky gate thyristors.

Die Fig. 7A und 7B zeigen weitere Ausführungsbeispiele des statischen Induktionsthyristors. Fig. 7A zeigt ein Ausführungsbeispiel, wo eine p⁺-Typ-Zone auf der Bodenoberfläche eines Ausnehmungsteils ausgebildet ist, um als eine Gate-Zone zu dienen. Fig. 7B zeigt einen Fall, wo die p⁺-Typ-Zonen auf den Seitenoberflächen angeordnet in der Nähe der Unterseite eines Ausnehmungsteils angeordnet sind, um als Gate-Zonen zu dienen. Diese Ausführungsbeispiele besitzen ferner solche Merkmale, daß die Gate-Kathoden- Kapazität reduziert ist, und daß die Gate-Kathoden-Durchbruchspannung verbessert ist. In Fig. 7A ist eine p⁺-Typ-Zone 14 auf der gesamten Bodenoberfläche eines Ausnehmungsteils vorgesehen und weist zur Anodenzone 11 in einem relativ breiten Gebiet hin. Eine große Anzahl von Löchern kann aus der Anodenzone in die Gate-Zone 14 fließen, und dadurch kann die Stromverstärkung sehr klein werden. Im Gegensatz dazu sind bei der Struktur gemäß Fig. 7B die Gate-Zonen in ihrer Größe sehr klein und fast im Vordergrund der Kathodenzone angeordnet, so daß die Größe des Lochstroms, der in die Gate-Zonen fließt, klein ist, wodurch eine große Stromverstärkung vorgesehen wird. FIGS. 7A and 7B show further embodiments of the static induction thyristor. Fig. 7A shows an embodiment where a p⁺-type region is formed on the bottom surface of a recess part to serve as a gate region. Fig. 7B shows a case where the p⁺-type zones are arranged on the side surfaces near the bottom of a recess part to serve as gate zones. These embodiments also have such features that the gate-cathode capacitance is reduced and that the gate-cathode breakdown voltage is improved. In FIG. 7A, a p Zone-type zone 14 is provided on the entire bottom surface of a recess part and points to the anode zone 11 in a relatively wide area. A large number of holes can flow from the anode zone into the gate zone 14 , and this can make the current gain very small. In contrast, in the structure of FIG. 7B, the gate zones are very small in size and are almost in the foreground of the cathode zone, so that the size of the hole current flowing into the gate zones is small, which results in a large current gain is provided.

Die Fig. 8 bis 11 zeigen statische Induktionsthyristoren mit aufgespaltenen oder Split-Gate-Strukturen. Die Gatezone ist in zwei oder mehr Zonen aufgespalten. In den Figuren wird einer der p⁺-Typ-Gate-Zonen ein festes Potential einschließlich Null erteilt, um eine subsidiäre Potentialverteilung in der Kanalzone aufzubauen und gleichzeitig damit dient diese p⁺-Typ-Gate-Zone als eine Elektrode zum Herausabsorbieren von Löchern. In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 8 bis 11 sind stets Strukturen gezeigt, deren feste Potential-Gate-Zone direkt mit der Kathodenzone gekoppelt ist. Figs. 8 to 11 show static induction thyristors with split or split-gate structures. The gate zone is split into two or more zones. In the figures, one of the p⁺-type gate zones is given a fixed potential including zero to establish a subsidiary potential distribution in the channel zone, and at the same time, this p⁺-type gate zone serves as an electrode for absorbing holes. Structures are always shown in the exemplary embodiments according to FIGS. 8 to 11, the fixed potential gate zone of which is directly coupled to the cathode zone.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 8 dient eine p⁺-Typ-Zone 14 als eine Treiber-Gate-Zone und eine weitere p⁺-Typ-Zone 14′′ ist eine Gate-Zone mit festem Potential. Die Größe der effektiven oder Treiber-Gate-Zone kann auf die Hälfte reduziert werden, so daß die damit einhergehende statische Kapazität klein wird und demgemäß die Betriebsgeschwindigkeit sich erhöht. Gleichzeitig damit wird die Menge der in die Treiber-Gate-Zone und somit in die Steuerschaltung fließenden Löcher vermindert, und man kann eine große Stromverstärkung erhalten.In the arrangement according to FIG. 8, a p⁺-type zone 14 serves as a driver gate zone and a further p⁺-type zone 14 '' is a gate zone with a fixed potential. The size of the effective or driver gate zone can be reduced in half, so that the static capacity associated therewith becomes small and the operating speed increases accordingly. At the same time, the amount of holes flowing into the driver gate region and thus into the control circuit is reduced, and a large current gain can be obtained.

Fig. 9 zeigt eine Abwandlung, bei der eine Isolierschicht 17 auf der Unterseite einer Treiber-Gate-Zone vorgesehen ist, um die Stromverstärkung weiter zu erhöhen. Gemäß dieser Struktur wird die Größe der in die Treiber-Gate-Zone fließenden Löcher sehr klein, so daß die Stromverstärkung stark verbessert werden kann. FIG. 9 shows a modification in which an insulating layer 17 is provided on the underside of a driver gate zone in order to further increase the current gain. According to this structure, the size of the holes flowing into the driver gate region becomes very small, so that the current gain can be greatly improved.

Einer der Nachteile der Split-Gate-Strukturen kann darin bestehen, daß dann, wenn eine große Rückwärtsvorspannung an die Treiber-Gate-Zone angelegt wird, um eine hohe Anodenspannung zu sperren und um den "Aus"-Zustand der Vorrichtung beizubehalten, ein großer Punch-Through-Strom zwischen der festen Potential-Gate-Zone und der Treiber-Gate-Zone fließen kann. Fig. 10 zeigt eine derart konstruierte Struktur, daß bei guter Ausnutzung der Merkmale der Split-Gate- Struktur der Punch-Through-Strom zwischen den Gate-Zonen, der als der einzige Nachteil der Split-Gate-Struktur angesehen werden kann, extrem minimiert wird. In Fig. 10 ist eine isolierende Trennschicht auf einer Seitenoberfläche der ein festes Potential aufweisenden Gate-Zone angeordnet, und zwar längs der Kanalzone. Gemäß dieser Strukturen wird ein beträchtlicher Teil der von der Anodenzone abfließenden Löcher in die Unterseite der festen Potential-Gate-Zone eintreten, um sich mit dem Strom der Kathoden-Elektrode zu vereinigen.One of the disadvantages of split gate structures may be that when a large reverse bias is applied to the driver gate region to block high anode voltage and to maintain the device "off" state, a large one Punch-through current can flow between the fixed potential gate zone and the driver gate zone. Figure 10 shows a structure constructed such that, with good use of the split gate structure features, the punch-through current between the gate zones, which can be considered the only disadvantage of the split gate structure, is extremely minimized becomes. In Fig. 10, an insulating separating layer is arranged having at one side surface of a fixed potential gate region, taken along the channel region. According to these structures, a substantial portion of the holes draining from the anode zone will enter the bottom of the fixed potential gate zone to combine with the current of the cathode electrode.

Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des statischen Induktionsthyristors mit einer Split-Gate-Struktur und derart angeordnet, daß die Treiber-Gate-Zone aus einer MIS-Gate-Zone besteht, um eine große Stromverstärkung zu erhalten und den Löcherfluß zu erhöhen. Fig. 11 shows another embodiment of the static induction thyristor with a split gate structure and arranged such that the driver gate zone consists of an MIS gate zone in order to obtain a large current gain and to increase the hole flow.

Die Fig. 8-11 zeigen Strukturen, wo sowohl die Treiber- Gate-Zone als auch die feste Potential-Gate-Zone bis fast auf die gleiche Tiefe des Halbleiterkörpers vorgesehen sind. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß diese beiden Gate- Zonen nicht notwendigerweise die gleiche Tiefe besitzen. Durch Vorsehen einer Festpotential-Gate-Zone mit einer größeren Tiefe als die andere Gate-Zone ist es möglich, die Absorption von Löchern zu verbessern und ferner das Sperren einer hohen Anodenspannung zu erleichtern. FIGS. 8-11 show structures where both the driver gate zone, the fixed potential-gate region are provided almost up to the same depth of the semiconductor body as well. However, it should be noted that these two gate zones do not necessarily have the same depth. By providing a fixed potential gate zone with a greater depth than the other gate zone, it is possible to improve the absorption of holes and also to facilitate the blocking of a high anode voltage.

Die Gate-Zonen 14 und 14′ können zumindest teilweise durch einen polykristallinen Halbleiter gebildet werden. Beispielsweise können polykristalline Zonen stark dotiert mit Akzeptoren abgeschieden werden und dann einer Wärmebehandlung ausgesetzt werden, um p⁺-Typ-Gate-Zonen zu bilden.The gate zones 14 and 14 ' can be at least partially formed by a polycrystalline semiconductor. For example, polycrystalline zones can be heavily doped with acceptors and then subjected to heat treatment to form p⁺-type gate zones.

Fig. 12A zeigt eine abgewandelte Struktur. In der Planar- Gate-Struktur ensprechend der der Fig. 2 besitzt die Gate-Zone 14 eine fortlaufend größere Fläche, wenn die (betrachtete) Stelle weiter weg von der Hauptoberfläche eines Halbleiterkörpers liegt. Dieser statische Induktionsthyristor hat die Merkmale, daß die Gate-Kathoden-Durchbruchspannung groß ist und daß die statische Kapazität klein ist und daß darüber hinaus der Abschnür-Wirkungsgrad gut ist. FIG. 12A shows a modified structure. In the planar gate structure corresponding to that of FIG. 2, the gate zone 14 has a continuously larger area if the (considered) location lies further away from the main surface of a semiconductor body. This static induction thyristor has the features that the gate-cathode breakdown voltage is large and that the static capacitance is small and that the pinch-off efficiency is also good.

Fig. 12B zeigt eine weitere verbesserte Struktur, bei der eine Isolierschicht 17 auf der Unterseite jeder der p⁺-Typ-Zonen 14 ausgebildet ist, um so die Stromverstärkung bei der Abschnürzeit des SI-Thyristors zu erhöhen. Eine solche in Fig. 12B gezeigte Struktur kann dadurch aufgebaut werden, daß man zunächst eine poröse Siliciumzone der p⁺-Typ-Gate-Zone herstellt, und zwar durch Verwendung des anodischen Oxydationsverfahrens unter Verwendung einer Fluorwasserstoffsäurelösung, worauf dann die SiO₂-Isolierschicht 17 durch Implantation von Sauerstoff ausgebildet wird und sodann die Diffusion oder Ionenimplantation von Bor (B) erfolgt. Der Abstand w zwischen den Gate-Zonen 14 ist zweckmäßigerweise je kleiner je besser, um eine große Vorwärtssperrspannung durch eine kleine Gate-Vorspannung zu erreichen. Es ist zweckmäßig, dieses w dadurch klein zu machen, daß man die Gate-Zonen und die Kathodenzone dicht genug zueinander in einem solchen Ausmaß anordnet, daß die Gate-Kathoden-Durchbruchspannung nicht tiefer abfällt als auf den gewünschten Pegel. Ein übermäßig kleiner w-Wert ergibt eine Erhöhung des Widerstands im leitenden Zustand. FIG. 12B shows a further improved structure in which an insulating layer 17 on the underside of each of the p⁺-type regions 14 is formed so as to increase the current gain at the Abschnürzeit of the SI thyristor. Such a structure shown in Fig. 12B can be constructed by first producing a porous silicon zone of the p⁺-type gate zone by using the anodic oxidation method using a hydrofluoric acid solution, and then the SiO₂ insulating layer 17 through Implantation of oxygen is formed and then the diffusion or ion implantation of boron (B) takes place. The distance w between the gate zones 14 is expediently the smaller the better in order to achieve a large forward blocking voltage by means of a small gate bias. It is appropriate to make this w small by arranging the gate zones and the cathode zone close enough to one another to such an extent that the gate-cathode breakdown voltage does not drop lower than the desired level. An excessively small w value results in an increase in the resistance in the conductive state.

Die in den Fig. 12A und 12B gezeigte Struktur, bei der die Gate-Zone eine größere Fläche besitzt, je weiter die Lage gegenüber der Hauptoberfläche ist, kann direkt oder in modifizierter Weise auf die in den Fig. 4, 6, 8, 9, 10 und 11 gezeigten Strukturen aufgebracht werden.The structure shown in FIGS. 12A and 12B, in which the gate zone has a larger area, the further the position from the main surface can be directly or in a modified manner to that in FIGS. 4, 6, 8, 9 , 10 and 11 structures shown are applied.

Die Strukturen zur Erhöhung der Vorwärtssperrspannung wurden unter Bezugnahme auf einige konkrete Ausführungsbeispiele beschrieben. Es braucht nicht darauf hingewiesen zu werden, daß diese Ausführungsbeispiele nicht einschränkend zu verstehen sind. Die entsprechenden Zonen können Leitungstypen entgegengesetzt zu den gezeigten und oben beschriebenen haben. In einem solchen Falle wird die Zone 11 durch eine n⁺-Typ-Zone gebildet und somit wird eine negative Spannung daran im Vorwärts-Vorspannzustand angelegt. In der vorliegenden Beschreibung wird diese Zone 11 jedoch eine Anodenzone unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung genannt. Kurz gesagt, kann jede Struktur verwendet werden, vorausgesetzt, daß eine dünne Schicht mit einer hohen Störstellenkonzentration und mit einem Leitungstyp entgegengesetzt zu der der Anodenzone auf der Seite der Anodenzone eingesetzt ist, die zur Kathodenzone benachbart ist, wobei ferner die den Kanal bildende Zone von dieser dünnen Schicht bis zur Kathodenzone aufgebaut ist durch eine Zone mit einer Störstellenkonzentration so niedrig wie möglich. Die niedrige Störstellenkonzentrationszone hat eine gleichförmige elektrische Feldintensität über die gesamte Zone hinweg, um so die maximale Sperrspannung zu erhöhen. Auf diese Weise ist es möglich, die Feldintensität substantiell bis zum elektrischen Lawinen- Start-Durchbruchfeld über die niedrige Störstellenkonzentrationszone hinweg zu erhöhen. Der Abfall der Sperrspannung infolge der Trägerinjektion auf der Anodenseite kann durch die dünne Zone mit einer relativ hohen Störstellenkonzentration verhindert werden. Da diese dünne Zone eine kleine Dicke besitzt, ist der Trägerinjektionswirkungsgrad von der Anodenzone gut, und weil auch die von dort in die Kanalzone injizierten Träger sich auf hoher Geschwindigkeit befinden, zeigt diese Vorrichtung die Merkmale hoher Geschwindigkeit, eines kleinen Vorwärtsspannungsabfalls und einer großen Stromkapazität im leitenden Zustand. Um die maximale Blockierspannung zu vergrößern, ist es lediglich erforderlich, die Zone 12 dick auszubilden. Um einen großen Strom zu erhalten, ist es lediglich erforderlich, die Anzahl der Kanäle zu erhöhen.The structures for increasing the reverse blocking voltage have been described with reference to some concrete exemplary embodiments. It need not be pointed out that these exemplary embodiments are not to be understood as restrictive. The corresponding zones may have line types opposite to those shown and described above. In such a case, zone 11 is formed by an n⁺-type zone and thus a negative voltage is applied to it in the forward bias state. In the present description, however, this zone 11 is called an anode zone regardless of the polarity of the applied voltage. In short, any structure can be used provided that a thin layer with a high impurity concentration and with a conduction type opposite to that of the anode zone is set on the side of the anode zone which is adjacent to the cathode zone, and further the channel forming zone of This thin layer built up to the cathode zone is as low as possible through a zone with an impurity concentration. The low impurity concentration zone has a uniform electrical field intensity across the entire zone so as to increase the maximum reverse voltage. In this way, it is possible to increase the field intensity substantially up to the electrical avalanche start breakthrough field beyond the low impurity concentration zone. The drop in the reverse voltage due to the carrier injection on the anode side can be prevented by the thin zone with a relatively high impurity concentration. Since this thin zone has a small thickness, the carrier injection efficiency from the anode zone is good, and because the carriers injected from there into the channel zone are also at high speed, this device exhibits the characteristics of high speed, a small forward voltage drop and a large current capacity in the conductive state. In order to increase the maximum blocking voltage, it is only necessary to make zone 12 thick. To get a large current, it is only necessary to increase the number of channels.

In der obigen Beschreibung wurde die Erhöhung der maximalen Vorwärtssperrspannung betont, wobei der Kathoden-Anoden- Abstand so klein wie möglich gehalten wurde. Es sei hier darauf hingewiesen, daß in vielen Fällen ein Thyristor nicht nur eine hohe Vorwärtssperrspannung haben muß, sondern gleichzeitig damit auch eine hohe Rückwärtsdurchbruchspannung. Diese Rückwärtsdurchbruchspannung wird durch die Rückwärtsrichtungskennlinie von beispielsweise der p⁺nn^--n⁺-Diodenstruktur bestimmt, die sich von der Anodenzone zur Kathodenzone erstreckt, wie dies in Fig. 2A gezeigt ist. In den Fig. 13A und 13B sind die Gate-Anoden-Potentialverteilung bzw. die elektrische Feldverteilung dargestellt für den Fall, wo eine Rückwärtsspannung V_a angelegt ist im Falle, daß die n^---Typ-Zone 12 im wesentlichen als eine Intrinsic-Zone betrachtet werden kann wegen der sehr niedrigene Störstellenkonzentratiton dieser Zone. Die maximale elektrische Feldintensität an der rückwärts vorgespannten Anodengrenzschicht in Fig. 13B ist wie folgt gegeben:In the above description, the emphasis was placed on increasing the maximum forward blocking voltage, while keeping the cathode-anode distance as small as possible. It should be noted here that in many cases a thyristor must not only have a high reverse blocking voltage, but also a high reverse breakdown voltage. This reverse breakdown voltage is determined by the reverse direction characteristic of, for example, the p⁺nn ^- n⁺ diode structure that extends from the anode zone to the cathode zone, as shown in FIG. 2A. FIGS. 13A and 13B show the gate anode potential distribution and the electrical field distribution for the case where a reverse voltage V _{a is} applied in the event that the n ^- -type zone 12 is essentially an intrinsic Zone can be viewed because of the very low concentration of impurities in this zone. The maximum electric field intensity at the backward biased anode boundary layer in FIG. 13B is given as follows:

Wenn diese maximale elektrische Feldstärke E_max das elektrische Lawinendurchbruchsfeld E_B erreicht, beginnt ein Lawinenstrom zu fließen. Demgemäß ist die maximale Rückwärtsdurchbruchspannung V_armax durch folgende Formel gegeben:When this maximum electrical field strength E _{max reaches} the electrical avalanche breakdown field E _B , an avalanche current begins to flow. Accordingly, the maximum reverse _{breakdown voltage} V _{armax is given} by the following formula:

Nimmt man beispielsweise an, daß l₁ = 500 Mikrometer, N_D1 = 1 × 10¹² cm^-3, l₃ = 1 Mikrometer und N_D2 = 1 × 10¹⁶ cm^-3 ist und wenn ferner E_B = 200 KV/cm trägt, so wird V_armax fast 2000 V. Da die maximale Vorwärtsdurchbruchspannung 7000 V oder mehr ist, werden oft Fälle auftreten, in denen eine Rückwärtsdurchbruchspannung dieses Ausmaßes nicht ausreicht. In den oben erwähnten Formeln 3 und 4 ist eine Betrachtung hinsichtlich des Gate-Anoden-Punch-Through-Effekts nicht vorhanden. For example, suppose that l₁ = 500 microns, N _D1 = 1 × 10¹² cm ^-3 , l₃ = 1 microns and N _D2 = 1 × 10¹⁶ cm ^-3 and if E _B = 200 KV / cm, too V _armax almost 2000 V. Since the maximum forward _{breakdown voltage is} 7000 V or more, there will often be cases where a reverse _{breakdown voltage of} this magnitude is insufficient. In the above-mentioned formulas 3 and 4, there is no consideration regarding the gate anode punch-through effect.

Demgemäß wird in der Praxis die Rückwärtsdurchbruchspannung keine Verbesserung bis zu 2000 V zeigen. Damit diese Vorrichtung mit einer Rückwärtsdurchbruchspannung mit einem Pegel ähnlich dem der Vorwärtsdurchbruchspannung arbeiten kann, ist es nur erforderlich, beispielsweise eine Silicium-Schottky-Diode in Serie mit dieser Vorrichtung in einer Art und Weise zu schalten, wie dies in Fig. 14 gezeigt ist. In Fig. 14 bezeichnet D₁ eine Schottky-Diode und Q₁ bezeichnet einen statischen Induktionsthyristor gemäß der Erfindung. Die Schottky-Diode kann gebildet werden durch das Vorsehen einer n⁺-Typ-Zone auf einer der Hauptoberflächen einer relativ hohen Widerstandswert aufweisenden n-Typ-Zone mit einer vorbestimmten Dicke und durch Vorsehen einer Schottky-Sperrschicht unter Verwendung von Al, Pd, Pt, Au oder anderen Metallen auf der anderen Hauptoberfläche. Die Störstellenkonzentration und die Dicke der einen relativ hohen Widerstandswert aufweisenden n-Typ-Zone können bestimmt werden basierend auf Faktoren wie dem erforderlichen Wert der Rückwärtsdurchbruchspannung und dem Wert des Vorwärtsspannungsabfalls. Da die Schottky-Diode das Fließen einer Anzahl von Trägern gestattet, ist die Schaltgeschwindigkeit der Vorrichtung groß. Auch ist eine Schottky-Diode von solcher Art, daß der Vorwärtsspannungsabfall die Tendenz besitzt, etwas groß zu werden, so daß zur Überwindung dieses Problems es lediglich erforderlich ist, beispielsweise eine p⁺-i-n⁺-Diode zu verwenden.Accordingly, in practice the reverse breakdown voltage will show no improvement up to 2000 volts. In order for this device to operate with a reverse breakdown voltage at a level similar to that of the forward breakdown voltage, it is only necessary to, for example, connect a silicon Schottky diode in series with this device in a manner as shown in FIG. 14. In Fig. 14, D₁ denotes a Schottky diode and Q₁ denotes a static induction thyristor according to the invention. The Schottky diode can be formed by providing an n⁺-type zone on one of the main surfaces of a relatively high resistance n-type zone having a predetermined thickness and by providing a Schottky barrier layer using Al, Pd, Pt , Au or other metals on the other main surface. The impurity concentration and the thickness of the relatively high resistance n-type zone can be determined based on factors such as the required value of the reverse breakdown voltage and the value of the forward voltage drop. Since the Schottky diode allows a number of carriers to flow, the switching speed of the device is high. Also, a Schottky diode is such that the forward voltage drop tends to become somewhat large, so that to overcome this problem, it is only necessary to use, for example, a p⁺-in⁺ diode.

Zur Realisierung einer vorbestimmten Vorwärtsdurchbruchspannung und einer vorbestimmten Rückwärtsdurchbruchspannung nur durch den erfindungsgemäßen statischen Induktionsthyristor ist es lediglich erforderlich, die Störstellenkonzentrationen und die Dicken der n^---Typ-Zone 12 und der n-Typ-Zone 15 im wesentlichen wie folgt auszuwählen. Die Rückwärtsdurchbruchspannung wird von der Tatsache bestimmt, daß das maximale elektrische Feld an der p⁺ (11)-n (15)-Sperrschicht ein elektrisches Lawinen-Start-Schwellenfeld E_B erreicht oder, selbst wenn dieses elektrische Schwellenfeld nicht erreicht wird, die Rückwärtsdurchbruchspannung bestimmt wird durch die Tatsache, daß die Verarmungs- oder Raumladungszone, die sich von der Anodenzone aus erstreckt, vollständig die p⁺-Typ-Zone 14 erreicht, was entweder einen Punch-Through-Strom hervorruft oder den Beginn des Fließens eines Punch-Through-Stromes. Es wäre zweckmäßig, die Werte für die Störstellenkonzentrationen und die Dicken dieser Zonen derart auszuwählen, daß die oben erwähnten beiden Arten von Phänomenen im wesentlichen zur gleichen Zeit auftreten, so daß folgendes gilt:To implement a predetermined forward breakdown voltage and a predetermined reverse breakdown voltage only by means of the static induction thyristor according to the invention, it is only necessary to select the impurity concentrations and the thicknesses of the n ^- -type zone 12 and the n-type zone 15 essentially as follows. The reverse breakdown voltage is determined by the fact that the maximum electric field at the p⁺ (11) -n (15) junction reaches an avalanche electrical start threshold field E _B or, even if this electrical threshold field is not reached, the reverse breakdown voltage is determined by the fact that the depletion or space charge zone, which extends from the anode zone, completely reaches the p⁺-type zone 14 , which either causes a punch-through current or the start of the flow of a punch-through Streams. It would be appropriate to select the values for the impurity concentrations and the thicknesses of these zones so that the above two types of phenomena occur at substantially the same time so that:

Es ist insbesondere nur erforderlich, die Anordnung derart zu treffen, daß dann, wenn die Intensität des elektrischen Feldes an der Grenzschicht von p⁺ (11)-n (15) im wesentlichen gleich dem Lawinenstartschwellenwert des elektrischen Feldes E_B wurde, die sich von der Anodenzone aus erstreckende Verarmungszone die Gate-Zone 14 erreichen wird. Die Rückwärtsspannung zu einem solchen Zeitpunkt wird im wesentlichen durch die Formel (6) gegeben. Wenn N_D1 ungefähr 1 × 10¹³ cm^-3 und l₂ ungefähr 500 Mikrometer sind, und wenn ferner N_D2 ungefähr 2 × 10¹⁵ cm^-3 und l₃ ungefähr 3 Mikrometer ist, so kann eine Rückwärtsspannung von ungefähr 2000 V erreicht werden. Die maximale Vorwärtsdurchbruchspannung zu dieser Zeit wird ungefähr 6800 V. Es ist häufig der Fall, daß die Rückwärtsdurchbruchspannung bestimmt wird durch den Punch-Through der p⁺-Typ-Gate-Zone 14. Demgemäß ist bei einem statischen Induktionsthyristor der isolierten Gate-Typ (MOS-SI-Thyristor), wie in Fig. 15 gezeigt, das Problem des Punch-Through der Gate-Zone zur Zeit des Anlegens einer Rückwärtsspannung nicht vorhanden, so daß eine große Rückwärtsdurchbruchspannung erreicht werden kann. Beispielsweise sei angenommen, daß die Störstellenkonzentration der i-Zone einmal 10¹² cm^-3 oder weniger ist, und daß l₁ ungefähr l₂ ungefähr 500 Mikrometer ist, und daß l₃ ungefähr 1 Mikrometer ist, und daß ferner N_D2 ungefähr 6 × 10¹⁵ cm^-3 ist, so kann ein Wert dicht zu 5000 V für sowohl die maximale Vorwärtssperrspannung als auch die Rückwärtsdurchbruchspannung erreicht werden.In particular, it is only necessary to make the arrangement such that when the intensity of the electric field at the boundary layer of p⁺ (11) -n (15) has become substantially equal to the avalanche start threshold value of the electric field E _B , which differs from the depletion zone extending from the anode zone will reach the gate zone 14 . The reverse voltage at such a time is given essentially by the formula (6). If N _{D1 is} approximately 1 × 10¹³ cm ^-3 and l₂ is approximately 500 microns, and furthermore if N _{D2 is} approximately 2 × 10¹⁵ cm ^-3 and l₃ is approximately 3 microns, a reverse voltage of approximately 2000 V can be achieved. The maximum forward breakdown voltage at this time becomes approximately 6800 V. It is often the case that the reverse breakdown voltage is determined by the punch-through of the p⁺-type gate zone 14 . Accordingly, in a static induction thyristor of the isolated gate type (MOS-SI thyristor) as shown in Fig. 15, the problem of punch-through of the gate region at the time of applying a reverse voltage does not exist, so that a large reverse breakdown voltage can be reached. For example, assume that the i-zone impurity concentration is once 10¹² cm ^-3 or less, and that l₁ is approximately l₂ approximately 500 microns, and that l₃ is approximately 1 micrometer, and further that N _{D2 is} approximately 6 × 10¹⁵ cm ^-3 a value close to 5000 V can be achieved for both the maximum reverse blocking voltage and the reverse breakdown voltage.

Wie in Fig. 4 anhand der Struktur gezeigt, wo eine Isolierschicht auf der Unterseite der Gate-Zone 14 vorgesehen ist, kann eine große Vorwärtssperrspannung und eine große Rückwärtsdurchbruchspannung erreicht werden. Mit der Struktur, daß kein Punch-Through-Strom von der Gate-Zone zur Zeit des Anlegens einer Rückwärtsspannung fließt, muß die Zone 12 derart aufgebaut sein, daß sie im wesentlichen eine Intrinsic-Zone ist, wobei der folgenden Formel Genüge getan wird:As shown in FIG. 4 by the structure where an insulating layer is provided on the underside of the gate region 14 , a large reverse blocking voltage and a large reverse breakdown voltage can be achieved. With the structure that no punch-through current flows from the gate zone at the time a reverse voltage is applied, zone 12 must be constructed to be essentially an intrinsic zone using the following formula:

so daß die maximale Vorwärtssperrspannung und auch die Rückwärtsdurchbruchspannung beide einen Wert dicht an E_Bl₂/2 haben.so that the maximum forward blocking voltage and also the reverse breakdown voltage both have a value close to E _B l₂ / 2.

Wenn die Gate-Zone vom Sperrschicht-Typ ist, so ist es vorzusehen, eine dünne n-Typ-Zone 18 mit einer relativ hohen Störstellenkonzentration an der Unterseite der Gate-Zone vorzusehen. In Fig. 16A ist die n-Typ-Zone 18 nur auf dem Unterseitenteil der Gate-Zone 14 vorgesehen. In Fig. 16B ist sie derart vorgesehen, daß die p⁺-Typ-Gate-Zone 14 umgeben wird. Bei dieser letztgenannten Struktur hat die n-Typ-Zone 18 eine solche Dicke, daß sie größer ist im Bodenteil als in dem Teil benachbart zur Kanalzone. If the gate zone is of the junction type, it should be provided that a thin n-type zone 18 with a relatively high impurity concentration is provided on the underside of the gate zone. In Fig. 16A, the n-type region 18 is provided only on the bottom part of the gate zone 14. In Fig. 16B it is provided such that the p⁺-type gate zone 14 is surrounded. In this latter structure, the n-type zone 18 has a thickness such that it is larger in the bottom part than in the part adjacent to the channel zone.

Vorstehend wurden Beispiele beschrieben, wo die Anodenzone mit einer gleichförmigen kontinuierlichen p⁺-Typ- Zone ausgebildet ist. Die Strukturen dieser Beispiele haben jedoch den Nachteil, daß ihre Abschalt-Charakteristik in einem gewissen Ausmaß sich verschlechtert im Falle, daß diejenigen Elektronen, die in der n-Typ-Zone 15 angeordnet vor der Anodenzone gespeichert sind, zur Abschalt-Zeit entsprechend der extern angelegten Spannung nicht erscheinen. Wenn darüber hinaus der SI-Thyristor bei einer hohen Umgebungstemperatur, wie beispielsweise 130° bis ungefähr 175°C, arbeitet, so haben die thermisch erzeugten Elektronen die Tendenz, sich innerhalb der Potentialquelle an der Anodensperrschicht anzusammeln, wodurch eine Lochinjektion von der Anodenzone hervorgerufen wird. Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es lediglich erforderlich, die Anodenzone derart anzuordnen, daß sie n⁺-Typ-Zonen 21 und p⁺-Typ-Zonen 11 aufweist, die abwechselnd angeordnet sind. Die Elektrode 11′ ist derart ausgebildet, daß sie eine ohmsche Elektrode für sowohl die p⁺-Typ-Zonen 11 als auch die n⁺-Typ-Zonen 21 vorsieht. Auf diese Weise werden diejenigen Elektronen, die in der n-Typ-Zone 15 gespeichert sind, in die n⁺-Typ-Zonen 21 absorbiert, so daß ein schnelles Abschalten realisiert wird. Wenn man eine derartige Struktur auf der Anodenseite vorsehen möchte, so muß die folgende Betrachtung angestellt werden. Im Falle, daß die Abstandslänge der p⁺- Typ-Zonen 11 in der Richtung längs der Anodenelektrode übermäßig kurz ist, kann die Wiederaufnahme der Leitung nicht in zufriedenstellender Weise ausgeführt werden. Dies liegt daran, daß diejenigen Elektronen, die in die n-Typ-Zone 15 von der Kathodenseite geflossen sind, in die n⁺-Typ-Zonen 21 durch Diffusion eintreten , und zwar vor denjenigen Elektronen, die den Effekt des Herabziehens der Barriere für die p⁺-Typ-Zonen 11 hervorrufen. Insofern ist es wirkungsvoll, die Länge jeder der p⁺-Typ-Zonen 11 längs der Anodenoberfläche derart einzustellen, daß sich ein Wert in der Nähe des Doppelten des Diffusionsabstandes ergibt, durch welchen hindurch diejenigen Elektronen, die in der n-Typ-Zone 15 gespeichert sind, in die n⁺-Typ-Zonen 21 diffundieren oder aber die Einstellung kann auf einen Wert etwas größer als dieser Wert erfolgen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dann, wenn die Länge der p⁺-Typ-Zone 11 übermäßig viel größer ist als der erwähnte Wert, diejenigen in der n-Typ- Zone 15 gespeicherten Elektronen nicht schnell in die n⁺-Typ- Zonen 21 bei der Abschalt-Zeit herausgezogen werden können.Examples have been described above where the anode zone is formed with a uniform continuous p kontinuier-type zone. However, the structures of these examples have the disadvantage that their turn-off characteristics deteriorate to a certain extent in the event that those electrons arranged in the n-type zone 15 stored in front of the anode zone are external at the turn-off time applied voltage does not appear. In addition, when the SI thyristor operates at a high ambient temperature, such as 130 ° to about 175 ° C, the thermally generated electrons tend to accumulate at the anode barrier layer within the potential source, causing hole injection from the anode zone . To avoid this disadvantage, it is only necessary to arrange the anode zone such that it has n⁺-type zones 21 and p⁺-type zones 11 , which are arranged alternately. The electrode 11 ' is designed such that it provides an ohmic electrode for both the p⁺-type zones 11 and the n⁺-type zones 21 . In this way, those electrons that are stored in the n-type zone 15 are absorbed into the n⁺-type zones 21 , so that a quick switch-off is realized. If one wishes to provide such a structure on the anode side, the following consideration must be made. In the event that the pitch length of the p⁺-type zones 11 in the direction along the anode electrode is excessively short, the resumption of the line cannot be carried out satisfactorily. This is because those electrons that have flowed into the n-type zone 15 from the cathode side enter the n⁺-type zones 21 by diffusion, before those electrons that have the effect of pulling down the barrier for the p⁺-type zones 11 cause. In this respect, it is effective to adjust the length of each of the p⁺-type zones 11 along the anode surface in such a way that there is a value close to twice the diffusion distance through which those electrons that are in the n-type zone 15 are stored, diffuse into the n⁺-type zones 21 or the setting can be made to a value slightly larger than this value. However, it should be noted that if the length of the p⁺-type zone 11 is excessively much longer than the mentioned value, those electrons stored in the n-type zone 15 do not quickly enter the n⁺-type zones 21 can be pulled out at the switch-off time.

Die Rolle der Einführung der n⁺-Typ-Zone 21 in die Anodenzone ist wie folgt zu verstehen. Selbst dann, wenn die maximale Vorwärtssperrspannung an den SI-Thyristor angelegt ist, verbleibt eine Neutralzone in der n-Typ-Zone 15. Diese Neutralzone hat den effektiven Widerstand r_B zur n⁺-Typ-Zone 21. Wenn die Vorrichtung bei einer hohen Umgebungstemperatur arbeitet, so erscheint ein entsprechender Strom i_t infolge der thermisch erzeugten Elektronen, der durch den effektiven Widerstand r_B fließt. Die Störstellenkonzentration und die Dicke der n-Typ-Zone 15 und die Anodenstruktur müssen derart konstruiert sein, daß sie der folgenden Bedingung genügen: i_tr_B « V_bi. Wenn dieser Bedingung Genüge getan ist, so zeigt der SI-Thyristor eine ausgezeichnete Vorwärtssperrung selbst bei einer hohen Umgebungstemperatur.The role of the introduction of the n⁺-type zone 21 into the anode zone is to be understood as follows. Even when the maximum forward blocking voltage is applied to the SI thyristor, a neutral zone remains in the n-type zone 15 . This neutral zone has the effective resistance r _B to the n⁺-type zone 21 . If the device operates at a high ambient temperature, a corresponding current i _{t appears} due to the thermally generated electrons, which flows through the effective resistance r _B. The impurity concentration and the thickness of the n-type zone 15 and the anode structure must be designed in such a way that they meet the following condition: i _t r _B «V _bi . If this condition is met, the SI thyristor shows excellent forward locking even at a high ambient temperature.

Wenn ferner die Rückwärts-Gate-Vorspannung entfernt wird und die Vorrichtung eine Einschaltwirkung beginnt, so wird eine merkliche Elektronenmenge von der Kathodenzone injiziert und diese fließen in die n-Typ-Zone 15. In einer solchen Situation fließt ein merklicher Strom i_e durch den effektiven Widerstand r_B. Der Spannungsabfall i_er_B am effektiven Widerstand ist derart vorgesehen, daß er nicht kleiner ist als der Wert V_bi, um drastisch die Potentialbarriere für die Lochinjektion zu verringern, auf welche Weise die Lochinjektion von der Anodenzone bewirkt wird und der SI-Thyristor "ein"-geschaltet wird. Further, when the reverse gate bias is removed and the device starts to turn on, a significant amount of electrons are injected from the cathode zone and flow into the n-type zone 15 . In such a situation, a noticeable current i _{e flows} through the effective resistance r _B. The voltage drop i _e r _B across the effective resistor is provided such that it is not less than the value V _bi in order to drastically reduce the potential barrier for hole injection, in which way hole injection is effected by the anode zone and the SI thyristor " is switched on.

Es ist ferner darauf hinzuweisen, daß diese Struktur auf der Anodenseite, wie in Fig. 17 gezeigt, in gleicher und effektiver Weise bei sämtlichen Ausführungsbeispielen bis Fig. 16 verwendet werden kann. Bei jedem dieser Anwendungsfälle wird die Abschalt-Charakteristik und die Vorwärtsspannung bei hoher Umgebungstemperatur verbessert.It should also be pointed out that this structure on the anode side, as shown in FIG. 17, can be used in the same and effective manner in all of the exemplary embodiments up to FIG. 16. In each of these applications, the shutdown characteristic and the forward voltage at high ambient temperature are improved.

Zur Erhöhung der Abschalt-Geschwindigkeit ist es lediglich erforderlich, beispielsweise der Zone 12 eine entsprechende Substanzmenge mit einem Killer-Effekt hinzuzugeben. Wenn der Halbleiter aus Silicium besteht, so ist ein typisches Killer-Material beispielsweise Au. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dann, wenn die Dichte des Killer-Materials übermäßig hoch ist, die Verteilung innerhalb der Kanalzone von denjenigen Trägern injiziert von der Kathodenzone und der Anodenzone steil wird, was eine Erhöhung des Raumladungswiderstands bewirkt und einen Anstieg des Spannungsabfalls hervorruft. Es ist daher notwendig, die Killer-Dichte innerhalb des Bereichs zu erhöhen, in dem der Spannungsabfall ein vorbestimmter Wert oder weniger als dieser wird. Die Diffusionslängen der Elektronen und Löcher muß mit größer als mindestensd l₂ ausgelegt werden.To increase the switch-off speed, it is only necessary, for example, to add a corresponding amount of substance with a killer effect to zone 12 . If the semiconductor is made of silicon, a typical killer material is Au, for example. However, it should be noted that when the density of the killer material is excessively high, the distribution within the channel zone from those carriers injected from the cathode zone and the anode zone becomes steep, causing an increase in space charge resistance and an increase in voltage drop . It is therefore necessary to increase the killer density within the range in which the voltage drop becomes a predetermined value or less than this. The diffusion lengths of the electrons and holes must be designed to be greater than at least d l₂.

Beispielsweise kann bei einer planaren Struktur mit einer verbesserten Anodenstruktur gemäß Fig. 17 und mit l₂ ungefähr 400 bis ungefähr 500 Mikrometer, l₃ ungefähr 1 Mikrometer, N_D1 ungefähr 10¹² cm^-3 und N_D2 ungefähr 1 × 10¹⁶ cm^-3 sowie mit Kathodenstreifen von 2 × 100 Mikrometer in einer Anzahl entsprechend den 10⁶ der Kanäle eine Arbeitsweise in einem solchen Ausmaß erreicht werden, daß sich ein Stromwert von ungefähr 200 A zur Zeit des Leitens ergibt, eine Abschaltzeit von weniger als einige wenige Mikrosekunden und ein Spannungsabfall von ungefähr 2 V oder weniger. For example, in a planar structure with an improved anode structure as shown in FIG. 17 and with l₂ about 400 to about 500 microns, l₃ about 1 micron, N _D1 about 10¹² cm ^-3 and N _D2 about 1 × 10¹⁶ cm ^-3 and with cathode strips of 2 × 100 microns in number corresponding to the 10⁶ of the channels an operation can be achieved to such an extent that there is a current value of approximately 200 A at the time of conduction, a switch-off time of less than a few microseconds and a voltage drop of approximately 2 V Or less.

Der erfindungsgemäße statische Induktionsthyristor kann durch folgende Verfahren hergestellt werden: Das bekannte Kristallwachstumsverfahren, das Diffusionsverfahren, das Ionenimplantationsverfahren, das lithographische Verfahren, das Feinverarbeitungsverfahren, das Oxydationsverfahren, das CVD-Verfahren, Naß- und Trockenätzverfahren sowie Verdrahtungsverfahren und ähnliche Verfahren.The static induction thyristor according to the invention can can be produced by the following processes: the known Crystal growth process, the diffusion process, the Ion implantation process, the lithographic process, the fine processing process, the oxidation process, the CVD process, wet and dry etching process as well as wiring methods and similar methods.

Claims

1. Static induction thyristor, which has the following:
a high resistance semiconductor substrate region ( 12 ) having two major surfaces;
a cathode region ( 13 ) provided on the first main surface of the substrate region ( 12 );
an anode region ( 11 ) on the second main surface with a high impurity concentration of a conduction type opposite to that of the cathode region;
a junction gate region ( 14 ) near the cathode region ( 13 ) with a high impurity concentration region of the same conductivity type as the anode region; and
a thin layer region ( 15 ) between the anode region ( 11 ) and the substrate region ( 12 ) with a conductivity type opposite to that of the anode region and with a thickness l₃ and an impurity concentration N _D2 , a pn boundary layer being formed between the anode region ( 11 ) and said thin layer region ( 15 ) over substantially the entire width of the substrate region,
characterized,
that the thickness l₃ and the impurity concentration N _{D2 of} the thin layer region are chosen such that the following formulas (1) and (2) are satisfied, and
that the maximum forward _{blocking voltage} V _{Bamax is} approximately given by the following formula (3): mean:
E _qs the intensity of the electric field at the substrate region ( 12 ) in the vicinity of the junction gate region ( 14 ),
E _s the avalanche breakdown field strength,
l₂ the thickness of the substrate region ( 12 ) between the barrier layer gate region ( 14 ) and the thin layer region ( 15 ),
N _{D1 is} the impurity concentration of the substrate region ( 12 ) between the junction gate region and the thin layer region,
ε the dielectric constant of the substrate region and
q the size of the electron charge.

2. Static induction thyristor according to claim 1, characterized in that the junction gate region ( 14 ) is a gate region having a flat surface and is formed by diffusion on the first main surface.

3. Static induction thyristor according to claim 1, characterized in that the junction gate region ( 14 ) is a gate region buried in the first main surface.

4. Static induction thyristor according to claim 1 or 2, characterized in that an insulating layer is arranged between the junction gate region ( 14 ) and the cathode region.

5. Static induction thyristor according to claim 1, 2 or 4, characterized in that the junction gate region ( 14 ) has a wider region at a position away from the first main surface of the substrate region.

6. Static induction thyristor according to claim 1, characterized in that the junction gate region ( 14 ) is a split or split gate region, formed on the bottom surface of a groove formed in the first main surface.

7. A static induction thyristor according to claim 1, characterized in that the junction gate region ( 14 ) is a split gate region formed on the side surface of a groove formed in the first main surface.

8. Static induction thyristor according to claim 1, 2 or 4, characterized in that a semiconductor zone immediately below the bottom of the junction gate region is provided, namely near the cathode region and with a line type opposite to that of the junction Gate region and with an impurity concentration smaller than the junction gate region.

9. A static induction thyristor according to claim 1 or 2, characterized in that a semiconductor region ( 18 ) is provided on part of the junction gate region, in contact with the substrate region and with a conduction type opposite to that of the junction gate region and with one Impurity concentration smaller than that of the junction gate region, and further the semiconductor region ( 18 ) is formed to be relatively thick at the bottom part of the junction gate region and thin at the side part of the junction gate region.

10. Static induction thyristor according to one of claims 1 to 9, characterized in that a diffused layer ( 21 ) is formed from the second main surface through the anode region to the thin film region and has a conductivity type opposite to that of the anode region, and in that an anode electrode ( 11 ) connects the anode region and the diffused layer ( 21 ).

11. Static induction thyristor according to one of the claims 1 to 10, characterized in that a predetermined Amount of a substance with a "killer effect" Substrate region or the thin film region is added.

12. Static induction thyristor according to one of the claims 1 to 11, characterized in that one of the Main electrodes in series with a Schottky diode or one p⁺-i-n⁺ diode is connected.

13. Static induction thyristor according to one of claims 1 to 9 or 11, characterized in that for the maximum reverse _{breakdown voltage} V _armax between the anode region and the cathode region, the values of N _D1 , l₂, N _D2 and l₃ are chosen such that the following formulas (4) and (5) are fulfilled: