DE3011484C2

DE3011484C2 - Optisch steuerbare Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE3011484C2
Application number: DE3011484A
Authority: DE
Inventors: Junichi Sendai Miyagi Nishizawa
Original assignee: Zaidan Hojin Handotai Kenkyu Shinkokai
Current assignee: Zaidan Hojin Handotai Kenkyu Shinkokai
Priority date: 1979-03-26
Filing date: 1980-03-25
Publication date: 1986-09-04
Also published as: CA1148275A; US4816891A; JPS643069B2; JPS55128870A; DE3011484A1; US4975755A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit wenigstens einem Thyristor und >.nit wenigstens einem dem Thyristor zugeordneten fotoelektrischen Halbleiterelement, das mit der Gate-Elektrode des Thyristors verbunden ist und mit einer Einrichtung zur Beleuchtung des wenigstens einen fotoelektrischen Halbleiterelementes zur Steuerung des Schaltvorganges des Thyristors.

Aus der Zeitschrift »SCR Manual«, General Electric, ist eine Halbleiteranordnung bekannt, die neben einem Thyristor ein fotoelektrisches Halbleiterelement in Form eines durch Licht aktivierbaren SCR (LASCR) umfaßt Das fotoelektrische Halbleiterelement ist an den Gateanschluß eines Thyristors SCR angeschaltet bzw. mit diesem gekoppelt. Mit Hilfe einer Einrichtung zur Beleuchtung des fotoelektrischen Halbleiterelementes kann der Schaltvorgang des Thyristors gesteuert werden. Der durch Licht schaltbare Thyristor enthält eine herkömmliche p-n-p-n-Struktur. Ein solcher LASCR kann eine Gleichspannung nicht unterbrechen.

Hingegen ist der LASCR geeignet, Wechselstrom bzw. Wechselspannung zu unterbrechen. Hierbei ist jedoch die Einschalt- und Ausschaltgeschwindigkeit sehr gering und liegt in der Größenordnung von 50 bis 60 Hz. Bei höheren Frequenzen ist es daher unmöglich, Wechselstrom zu unterbrechen, da die Ausschaltzeit des LASCR sehr lang ist.

Der fotoc-mpfindliche Bereich des LASCR beseht aus einer pn-Diode. Da die LASCR einen üblichen Thyristor

enthält, der — wie erwähnt — aus einem Vierschicht-Aufbau besteht, ist es nachteilig, daß der Abschaltvorgang nur durch Steuerung der Gate-Elektrodenspannung durchzuführen ist und daß selbst dann, wenn die Abschaltung durch eine Steuerelektrodenspannung erfolgt die Abschaltgeschwindigkeit sehr gering ist

Aus der Zeitschrift »Revue de Physique Appliquee«, 1978, ist ein mit statischer Induktion arbeitender Thyristor (SIT) bekannt der im wesentlichen aus einer mit Steuerelektrode versehenen Diodenanordnung besteht Er weist einen Anodenbereich, einen Kathodenbereich und eine entweder in den Anoden- oder Kathodenbereich eingefügte Steuerelektrode auf. Ein solcher mit statischer Induktion arbeitender Thyristor SIT weist den Vorteil auf, daß eine Abschaltung durch die Steuer- is elektrodenspannung leicht möglich ist und daß die Abschaltzeit kurz ist. So ist es beispielsweise möglich, daß die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit bei einem solchen SIT-Thyristor umgekehrt proportional einer Frequenz von 200 kHz ist Diese Einschalt- und Ausschaltzeiten sind auch sehr viel kürzer als bei einem sogenannten GTÖ-Thyristor. Jedoch enthält dieser SIT keine lichtempfindlichen Eigenschaften und ist deher nicht durch Lichtstrahlen schaltbar.

Typische bauliche Ausführungsbeispiele des üblichen, mit einer Oberflächen-Steuerelektrode ausgestatteten SIT sind in den F i g. IA bis 1E dargestellt

Die F i g. 1A und 1B zeigen Schnittansichten eines SIT mit einer Oberflächen-Gateanordnung und Fig. IC zeigt einen Schnitt eines SIT mit einer eingebetteten Gateanordnung. In diesen Figuren stellen die p⁺ Bereiche It und 14 jeweils einen Anodenbereich und einen Gatebereich dar. Ein n⁺ Bereich 13 bildet einen Kathodenbereich. Ein n~ Bereich 12 stellt einen Bereich zur Bildung eines Kanals dar. Ferner sind eine Anode 11', eine Kathode 13' und eine Gateelektrode 14' vorgesehen, die jeweils aus einer Schicht aus AI, Mo, W, Au oder anderen Metallen, oder aus niedrig ohmigem Polysilicium oder einer daraus zusammengesetzten Schichtung bestehen können. Eine Isolierschicht 15 besteht aus SiO₂, Si₃N₄, Al₂O₃, AlN oder einem ähnlichen Material oder einem Gemisch dieser Stoffe bzw. einer daraus gebildeten zusammengesetzten Schichtung. Ein η Bereich 16 weist eine verhältnismäßig hohe Dotierungsdichte und geringe Dicke auf.

Der η Bereich 16 soll die Löcherinjektion gegenüber der Anode begrenzen.

In der F i g. 1D stellen ein p⁺ Bereich 21 und ein i Bereich 22 jeweils einen Anodenbereich und einen Kanalbereich dar, während die n⁺ Bereiche 23 und ein η Be- so reich 21 jeweils Kathodenbereiche und Bereiche zur Beschränkung der Löcherinjektion aus einem η Bereich 27 bilden, ρ Bereiche 28 erstrecken sich vertikal zur Zeichenebene und reichen in geeigneter Stellung an die Oberfläche des Ftalbleiterblättchens (wafer) heran, so daß sie über Elektroden, beispielsweise mit dem Kathodenbereich verbunden werden können. Die vorausgehend erwähnte Isolierschicht ist m;t dem Bezugszeichen 25 bezeichnet. Die vorausgehend erwähnte Anode, Kathode und isolierende Gateelektrode sind jeweils mit 21',23'und 24 bezeichnet,

Beispielsweise weist der p⁺ Gatebereich 14 in den Fig. IA bis IC im Grundriß Streifen- oder Gitterform auf.

Der Abstand zwischen den benachbarten p⁺ Gatebereichen 14 und die Gtörstellendichte, beispielsweise der n- Bereiche (in Nachbarschaft des p⁺ Gatebereichs) ist derart bemessen, daß bei Zuführung einer vorgegebenen negativen Spannung zumindest an den p⁺ Gatebereichen, der n- Bereich zwischen dem p⁺ Gatebereich 14 völlig ladungsträgerfrei wird und sich eine hohe Potential-Sperrschicht in einer Vorderseite der Kathode bildet Dabei ist die Anordnung derart ausgeführt daß selbst beim Anlegen der maximalen Blockierspannung in Durchlaßrichtung die ladungsträgerfreie Schicht, die vom p⁺ Gatebereich 14 ausgeht den Anodenbereich nicht erreicht, so daß ein neutraler Bereich vorgegebener Stärke in dem n- Bereich oder η Bereich 16 vor dem Anodenbereich bleibt

Die Betriebsweise eines derart aufgebauten SIT und die Abmessungen und Störstellendichten seiner jeweiligen Bereiche werden im einzelnen in der DE-OS 30 02 526 beschrieben.

Da in dem SIT das Schalten zwischen leitendem und nicht-leitendem Zustand durch Steuern der Potentialverteilung in der Nachbarschaft der Kathode mittels der Gatespannung erfolgt macht es keine Schwierigkeiten, den Gleichstrom mit hoher Geschwindigkeit abzuschalten. In der Anordnung nach Fig. IA 'Rt es möglich, einen SIT vorzusehen, dessen Blockie^nannung in Vcrwärtsrichtung im wesentlichen von der gleichen Größenordnung wie die Durchbruchspannung in Sperrichtung ist Andererseits kann in der Anordnung gemäß den Fig. IB, IC oder ID die gleiche Blockierspannung in Durcnlaßrichtung wie beim SIT nach Fig. IA 3rreicht werden, indem ein Halbleiterelement verwendet wird, dessen Stärke im wesentlichen die Hälfte der Stärke des Halbleiterelements nach Fig. IA aufweist Ferner ist die Arbeitsgeschwindigkeit hoch und der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung klein, was von Vorteil ist Jedoch ist die Durchbruchspannung in Sperrichtung niedrig. Daher ist es bei der Verwendung eines SIT mit einem Aufbau nach F i g. 1B, 1C oder 1D in einer Anordnung, die eine hohe Durchbruchspannung in Sperrichtung benötigt üblich, eine Schottkydiode oder dergleichen in Reihe damit vorzusehen.

Zur Verbesserung des Temperaturverhaltens dss SIT kann es angebracht sein, eine Anordnung mit entgegengesetztem Leitungstyp zu verwenden. Diese Anordnung kar:i erhalten werden, indem im wesentlichen regelmäßig und selektiv der p⁺ Anodenbereich 11 oder 21 in einen η Bereich geändert wird und diese Bereiche mittels Elektroden verbunden werden. Ein Ausführungsbeispiel einer derartigen Anordnung ist in F i g. 1E dargestelt Gemäß Fig. IE wird der Widerstand der Abschnitte des η Beeichs 16, die parallel zur Anodenoberfläche und benachbart den n+ Bereichen 20 verlaufen, derart gewählt, daß im wesentlichen kein Spannungsabfall vorhanden ist, wenn thermische Elektroden im i Bereich 12 mit hohem Widerstand hineinfließen.

F i g. 2A und 2B zeigen jeweils die Schaltsymbole des Soerr^chicht-SIT und des Isolierschicht-SIT. Wie ersichtlich, weist jeder SIT eine Diode in der Anodenelektrodenseite auf.

Die F i g. 3A und 3B zeigen jeweils typische Anordnungen üblicher lichtempfindlicher Halbleiterelemente, wobei F i g. 3A einen Fotoleiter und F i g. 3B einen Fototransistor darstellt.

Gemäß F i g. 3A wird ein i Bereich 32 mit sehr hohem Widerstand, der als Isolator angesehen werden kann, auf einem n⁺ Bereich 31 gebildet An den beiden Seiten sind jeweils Ohmsche Elektroden 3 Γ und 32' angeordnet. Die Elektroden bestehen bei diesem Ausführungsbeispiel aus In₂ O3 oder SnO₂, wobei es sich um einen transparenten Werkstoff handelt. Ein niedrigohmiges Polysilicium kann ebenfalls für die Elektroden verwen-

det werden. Falls die Elektrode 32' nicht unmittelbar aufgebracht wird, kann es zweckmäßig sein, einen dünnen Oberflächenabschnitt des i Bereichs 32 in einen n⁺ Bereich umzuwandeln und die transparente Elektrode 32' kann darauf angeordnet werden.

Wird die Anordnung beleuchtet, so entstehen Elektronen-Locher-Paare im i Bereich 32 und ein elektrischer Strom fließt. Ist in F i g. 3A die Elektrode 32' eine Schottky-Elektrode, so kann die Anordnung als Schottky-Diode arbeiten, die auf einfallendes Licht L anspricht, wobei die Spannungszufuhr derart ist, daß das Potential an der Schottky-EIektrodenseite geringer als anderOhmschen Elektrode 3Γ ist

F i g. 3B, die den Fototransistor darstellt, zeigt jeweils einen n⁺ Bereich 44, einen ρ Bereich 43, einen n~ Bereich 42 und einen η + Bereich 41, die jeweils einen Emitterbereich, einen Basisbereich, eine hochohmige Schicht und einen Kollektorbereich bilden. Der Fototransistor weist transparente Elektroden 4Γ und 44' auf, von denen die eine eine Kollektorelektrode und die andere eine Emitterelektrode bildet. Der η * Bereich 44 und der ρ Bereich 43 sind so dünn wie bei einem gewöhnlchen bipolarem Transistor.

Der größte Teil des einfallenden Lichts wird durch den n~ Bereich 42 absorbiert. Wird eine positive Spannung der Kollektorelektrode 41' zugeführt, so strömen die durch das Licht angeregten Elektronen in den n ⁺ Kollektorbereich und werden von diesem absorbiert.

Andererseits fließen Löcher in den ρ Basisbereich, der einen gleitenden Bereich bildet und sammeln sich dort an.

Bei einer starken Ansammlung von Löchern wird der ρ Basisbereich 43 positiv aufgeladen und somit wird sein Sperrschichtpotential bezüglich Elektronen im Basisbereich erniedrigt, wodurch Elektronen vom Emitterbereich zum Basisbereich strömen, von dem sie in den Kollektorbereich übertreten. Anders ausgedrückt, der Fototransistor wird bei Lichteinfall leitend.

F i g. 3C zeigt einen Thyristor, wobei ein n⁴ Bereich 55 und ein p- Bereich 51 jeweils einen Kathodenbereich und einen Anodenbereich bilden. Eine transparente Elektrode 55 ist auf dem Kathodenbereich 55 angeordnet und eine Anodenelektrode 5V ist auf dem Anodenbereich 51 vorgesehen.

Wird eine positive Spannung der Anode 5Γ zugeführt und wird letztere mit Licht L beleuchtet, so strömen die durch Licht angeregten Elektronen und Löcher in einem i Bereich jeweils in einen η Bereich 52 und in einen ρ Bereich 54 hinein. Der η Bereich 52 wird somit negativ aufgeladen und der ρ Bereich 54 wird positiv aufgeladen. Infolgedessen werden die Sperrschichtpotentiale gegenüber jeweils dem Kathodenbereich und dem Anodenbereich erniedrigt und die Elektronen und Locher werden jeweils von den Kathoden- und Anodenbereich injiziert, wodurch der Thyristor leitend wird.

Da der Thyristor gemäß F i g. 3C einen Verstärkungsmechanismus für eine Ladungsträgerinjektion an seinen beiden Seiten aufweist, ist seine Lichtempfindlichkeit sehr hoch.

F i g. 3D stellt eine p⁺-i-n⁺ Fotodiode dar, die eine transparente Elektrode 63' und eine Elektrode 61' aufweist, welcher eine positive Spannung zugeführt wird.

Bei jeder der Anordnungen gemäß den Fig. IA bis 1D wird der größte Teil des Lichts im i Bereich oder n-Bereich absorbiert, um darin Elektronen-Löcher-Paare zu erzeugen. Wird daher in einem derartigen Bereich die elektrische Feldstärke derart gewählt, daß sie geringfügig niedriger als die Durchbruchsfeldstärke ist, so kann infolge des Durchbruchs-Multiplikationsvorgangs eine große Ladungsträgermenge erzeugt werden. Die Empfindlichkeit kann deshalb weiterhin verbessert werden. Wie ersichtlich, verschwindet der Durchbruchss Multiplikationüvorgang bei Erniedrigung der Spannung zwischen der Elektrode, selbst wenn sich die Anordnung in einem leitenden Zustand befindet. Die Anordnungen gemäß den Fig. 3A bis 3D sind lediglich beispielsweise angegeben und stellen einfache Ausführungen dar, die

ίο viele Abänderungen erfahren können.

Die Stärke der hochohmigen Bereiche 32,42,53 und 62 in den fotoelektronischen Anordnungen gemäß den Fi g. 3A bis 3D¹ sollte im Hinblick auf den höchsten Wirkungsgrad im wesentlichen in der Größenordnung der Lichteindringtiefen liegen. Ein anderes Ausführungsbeispiel einer fotoelektronischen Anordnung kann aus einer Fotozellenanordnung bestehen.

Der SIT und die fotoelektronischen Halbleiteranordnungen wurden vorausgehend beschrieben. Obgleich der SIT eine große Betriebsspannung und einen großen Betriebsstrom., sowie eine hohe Schallgeschwindigkeit aufweist, macht es Schwierigkeiten, einen einzigen SIT für die Beherrschung einer großen elektrischen Leistung, wie beispielsweise einer Gleichstromleistungs-Übertragung zu verwenden. Die Durchbruchspannung eines einzelnen SlT wird durch die Stärke des n~ Bereichs oder i Bereichs 12 in den Fig. IA bis IB bestimmt, da die elektrische Feldstärke zumindest in dünnen Bereichen schwächer als die Feldstärke sein muß, bei welchem der Lawinendurchschlag beginnt. Diese Feldstärke kann etwa bei Si 200 kV/cm sein. Ferner soll die Stärke des Bereichs 12 gleichgroß wie oder kleiner als die Difusions;iefe der Elektronen und/oder Löcher sein. Jedoch wird die maximale Blockierspannung in Durchlaßrichtung des SIT im wesentlichen von dem verwendeten Halbleiterwerkstoff bestimmt. Wird beispielsweise Si verwendet, so kann diese Spannung etwa 5000 bis 10 00I)V betragen. Es ist deshalb notwendig, eine Mehrzahl von SiTs miteinander zu verbinden, von denen jeder einen Strom von beispielsweise 1000 Ampere in leitendem Zustand führen kann und der eine Blockierspanniang in Durchlaßrichtung von beispielsweise 5000 oder 10 000 V aufweist, und zwar in Reihenschaltung, um «ine ausreichende Durchbruchsspannung zu erzielen, wobei eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten SITs parallel zueinander liegen, dami eine ausreichende Stromgröße erhalten wird. In diesem Falle wird es jedoch verhältnismäßig schwierig, die Thyristorreihenanordnung zwischen Leitung und Nichtleitung unter Verwendung eines elektrischen Signals zu steuern. Deshalb wird eine optische Steuerung vorgeschlagen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugru⁷" de, eine Halbleitervorrichtung der eingangs genannten Art bzw. einen optisch steuerbaren Thyristor mit mindestens zwei Hauptele-ictrodenbereichen für die Anoden- und Kathodenelektirode und einer Gate-Elektrode, und mit einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Thyristors zwecks Steuerung des Schaltvorganges zu schaffen, die bzw. der bei hohem zu verarbeitenden Strom und bei hoher Spannung eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen soll, und zwar unter Beanspruchung von wenig Platz und Raum. Des weiteren soll sich die Halbleiteranordnung bzw. der optisch steuerbare Thyristor dazu eignen, in einfacher Weise in Reihe oder parallel geschattet zu werden, um auf diese Weise auch bei höheren Leistungen betrieben werden zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch geiösi, daß

a) der Thyristor aus einem mit statischer Induktion arbeitenden Thyristor besteht, der einen Anodenbereich, einen Kanalbereich, einen Gatebereich und einen Kathodenbereich aufweist,

b) das wenigstens eine fotoelektrische Halbleiterelement in den mit statischer Induktion arbeitenden Thyristor integriert ist, und

c) der mit statischer Induktion arbeitende Thyristor eine:i lichtdurchlässigen Kathodenbereich und/ oder lichtdurchlässigen Anodenbereich aufweist.

In vorteilhafter Weise wird als fotoempfindlicher Bereich der Übergang zwischen dem Anodenbereich und dem Kanalbereich bzw. dem Kathodenbereich und dem Kanalbereich verwendet, so daß die Empfindlichkeit gegenüber dem bekannten LASCR sehr viel höher ist. Die fotoempfindlichen Bereiche sind insbesondere die n + -ip⁺-Bereiche. Insbesondere ist der Vorteil gegeben, daß Teile des Thyristors gleichzeitig für die Verwirklichung des fotoelektrischen Halbleiterelementes verwendet werden, und zwar beispielsweise der lichtdurchlässige Anodenbereich oder der lichtdurchlässige Kathodenbereich, wodurch eine hohe Integrationsdichte erreicht werden kann, wodurch der Platzbedarf der Halbleitervorrichtung optimal klein gehalten werden kann. Demnach vereinigt die erfindungsgemäße Halbleiervorrichtung zwei Funktionen. Die eine Funktion ist die Funktion des mit statischer Induktion arbeitenden Thyristors, während die andere Funktion die des fotoelektrischen Halbleiterelementes ist. Insofern erhält man in vorteilhafte' Weise eine doppelte Ausnutzung. Die Aufgabe wird auch bei einem optisch steuerbaren Thyristor dadurch gelöst, daß dieser optisch steuerbare Thyristor ein mit statischer Induktion arbeitender Thyristor ist, der zwischen dem Anodenbereich und dem Kathodenbereich einen Kanalbereich mit fotoelektrischen Eigenschaften aufweist, daß die Hauptelektrodenbereiche von entgegengesetztem Leitungstyp sind und eine hohe Störstellendichte aufweisen, daß mindestens ein Abschnitt einer der Hauptelektroden auf einer der Hauptelektrodenflächen liegt und eine transparente Gate-Elektrode für den Gatebereich bildet und zwischen den Hauptelektrodenbereichen liegt und daß zwischen der Gateelektrode und der Kathodenelektrode eine Vorspannungsquelle geschaltet ist, deren negativer Anschluß auf die Gateelektrode und deren positiver Anschluß auf die Kathodenelektrode wirkt

Der optisch steuerbare Thyristor SlT kann unter Verwendung bekannter fotografischer Verfahren, Diffusionsverfahren, Ioneninjektionsverfahren, Kristallisationsverfahren, epitaxialer Wachstumsverfahren, Ätzverfahren, Oxidationsverfahren, chemischer Aufdampfverfahren und/oder Kurvenverfahren leicht hergestellt werden. Mittels dieses optisch steuerbaren SIT kann eine hohe Spannung und ein hoher Strom mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden. Mit Hilfe dieser wirkungsvollen Technik ist es möglich, daß mehrere optisch steuerbare SITs in Reihe und/oder parallel geschaltet werden können, wodurch höhere Leistungen geschaltet werden können.

Weitere Ausbildungen finden sich in den weiteren Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den F i g. 1 bis 8 dargestellte Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

Fig. IA bis IE Querschnitte eines mit statischer Induktion arbeitenden Thyristors,

Fig.2A und 2B Schaltsymbole der mit statischer Induktion arbeitenden Thyristoren,

F i g. 3A bis 3D Querschnitte eines fotoleitenden Elements, eines Fototransistors, eines Fotothyristors und einer Fotodiode,

F i g. 4A bis 4E SIT-Schaltungen, von denen jede eine Gateelektrode aufweist, die mit einem fotoelektronischen Halbleiter verbunden ist und die jeweils ein Ausführungsbeispiel bilden,

to Fig.5A bis 5B weitere Ausführungsformen von SIT-Schaltungen nach den F i g. 4A bis 4E und
F i g. 6 bis 8 jeweils weitere Ausführungsformen.
In den Fig.4A und 4B ist jeweils ein fotoelektronisches Halbleiterelement D vorgesehen, welches ein beliebiger fotoempfindliche- Halbleiter gemäß den F i g. 3A und 3D ist und welches mit einer Steuerelektrode eines mit statischer Induktion arbeitenden Thyristors Q verbunden ist, der einer der SITs gemäß den F i g. 1A bis IE sein kann.

μ Einen Vorspannungsquelle Vg liegt in Reihe mit dem Halbleiterelement D und die Spannung von Vgsollte im Einklang mit dem zugeordnetem SIT gewählt werden. Ist beispielsweise der gewählte SIT zur Blockierung einer Durchlaßspannung von 5000 V bei einer Sperrvorspannun von —30 V geeignet, so sollte die Spannung Vg in der Größenordnung von —30 V sein.

Da das fotoelektronische Element D bei Beleuchtung mit dem Licht L leitet, wird der Gateelektrode des SlT Q eine Spannung — Vg zugeführt, wodurch letzterer nicht leitend wird. Bei Ende der Beleuchtung wird das fotoelektronische Element D nicht leitend. Wird dabei eine statische Kapazität des Elements D ausreichend kleiner als die Kapazität zwischen Gateelektrode und Kathodenelektrode des SIT gewählt, so wird im wesentliehen keine Spannung der Gateelektrode des SIT zugeführt. Der SIT schaltet somit in seinen leitenden Zustand um. Gewöhnlich ist die Größe des Elements D klein im Vergleich zum SIT und die statische Kapazität des Elements D im nicht leitenden Zustand ist sehr gering verglichen mit jener der Gateelektrode des SIT.

Gemäß F i g. 4B ist das Fotoelektronische Element D

parallel zur Gate-Kathoden-Strecke des SIT geschaltet.

Ohne Lichteinfall liegt eine Spannung — Vg an der

Gateelektrode des SIT und letzter ist in seinem nicht leitendem Zustand. Andererseits wird bei Lichteinfall das Element D leitend und das Potential an der Gateelektrode wird daher im wesentlichen gleich groß wie jenes an der Kathodenelektrode des SIT; daher gelangt letzterer in den leitenden Zustand. Der Widerstand des

so Elements D im leitenden Zustand wird ausreichend klein gewählt im Vergleich zu einem Widerstand Rg, der parallel zur Vorspannunsquelle Vg liegt

Gemäß F i g. 4C ist ein Paar fotoelektronischer Elemente D\ und D₂ vorhanden, wovon eines in Reihe und das andere parallel zur Gateelektrode des SIT liegt. Die Lichteinfälle an den Elemenen D\ und D₂ werden komplementär vorgenommen, das heißt, wird das Element D\ beleuchtet, so ist das Element D₂ nicht beleuchtet und umgekehrt Daher wird das Element D\ eingeschaltet, während das Element D₂ ausgeschaltet ist, oder umgekehrt Infolgedessen wird der Thyristor Q abgeschaltet, wenn das Element A leitet und er wird eingeschaltet, wenn das Element D₂ leitet Gemäß Fig.4B ist eine zusätzliche Spannungsquelle Vg¹ in Reihe mit dem EIement D₂ gemäß F i g. 4C vorgesehen. Diese Schaltung ist wirkungsvoll, wenn der leitende Zustand des SIT deutlicher festgelegt ist, oder der SIT ein MOS-Bauelement ist Ist der SIT ein Sperrschicht-Bauelement, so kann Vg'

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in der Größenordnung von 1 V sein. Ist SIT ein MOS-Bauelement, so kann die Spannungsquelle Vg' eine Spannung aufweisen, die sehr viel höher als 1 V ist.

Falls die Durchbruch-Sperrspannung des SIT nicht hoch wie bei einem SIT gemäß einer der F i g. IA bis 1B ist und die Durchbruchssperrspannung während des Betriebs der Schaltung vorhanden sein muß, so genügt es, eine Schottky Diode oder Pin-Diode gemäß Fig.4E, die die gewünschte Durchbruchsperrspannung aufweist, in Reihe mii dem SlT zu schalten. Wird beispielsweise ein Umrichter für eine Gleichstromleistungsübertragung bei 1 NV unter Verwendung von SITs eingesetzt, wovon jeder eine maximale Blockierspannung in Durchlaßrichtung von 5 000 V aufweist, so ergibt sich eine Anzahl von mindestens 200 in Reihe geschalteter SITs. Die Fi g. 5A und 5B zeigen Ausführungsbeispiele einer Reihenschaltung einer Anzahl von SITs, die entweder Sperrschicht- oder MOS-Bauelemente sein können.

Da die Gateelektroden dieser SITs optisch gesteuert werden, ist es einfach, aiie SiTs gleichzeitig synchron zu steuern. In diesem Fall kann die Beleuchtung unter Verwendung von Glasfaserkabeln erfolgen, so daß Licht gleichmäßig den jeweiligen fotoelektronischen Elementen der SIT-Schaltungen zugeführt wird. Auf jeden Fall kann es möglich sein, da die Betriebsvorgänge der SITs nicht extrem hoch sind, eine optisch ummantelte Faser zu verwenden, durch welche das Licht im Querschnitt derselben vergleichmäßigt werden kann, an Stelle einer bündeiförmigen Glasfaser, obgleich diese geeignet ist, um ein optisches Steuersignal den jeweiligen fotoelektronischen Elementen zuzuführen.

In Fig.5B ist ferner ein Widerstand Ri parallel zu jedem SIT angeordnet Die Widerstände Rn haben den gleichen Widerstand, das heißt, Ri = R2 ... = R_n = R_n+I- Der Zweck einer Anordnung paralleler Widerstände A_n liegt darin, die den SITs zugeführte Spannung gleich groß zu machen, wenn sich die SITs in nicht leitendem Zustand befinden. Der Widerstandswert des Widerstandes Ri sollte so groß wie möglich sein, solange er kleiner als der Widerstand zwischen der Anode und der Kathode des im nicht leitenden Zustand befindlichen SITs ist. Beispielsweise kann ein Widerstand von einem ΜΩ verwendet werden, obgleich dieser Wert nicht kritisch ist

Derartige Serienschaltungen von SITs sind in den F i g. 5A und 5B dargestellt bei denen eine SIT-Schaltung nach F i g. 4C verwendet wird und die ebenfalls für eine andere SIT-Schaltung gemäß F i g. 4A, 4B, 4D oder 4E eingesetzt werden kann.

Für Anwendungen mit stärkeren Strömen wird eine Mehrzahl von Reihenschaltungen von SITs gemäß F i g. 5A—5B parallel geschaltet

Die SIT-Schaltung gemäß irgendeiner der Fig.4A bis 4B kann ausgeführt werden, indem eine der Elektroden des SITs gemäß irgendeiner der Fig. IA bis IE transparent gemacht wird, so daß das auf die eine Oberfläche auffallende Licht den hochohmigen Bereich des SITs erreicht Wird Si als Halbleiterwerkstoff für den SIT verwendet, so kann die erforderliche Lichteindringtiefe in der Größenordnung von 10 bis 30 μπι sein. Wird daher die in einer der Fig. IA bis IE dargestellte SIT-Anordnung in Verbindung mit einer transparenten Anode verwendet, so sollte die Dicke der p⁺ Bereiche 11 oder eine Summe der Dicke des p⁺ Bereichs 11 und des η Bereichs 16 (oder des p⁺ Bereichs 21 und des η Bereichs 27) so klein wie möglich und mindestens ausreichend kleiner als die Lichteindringtiefe seii,·. Beispiels-

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weise kann es ratsam sein, die Dicke des ρ Bereichs etwa 5 μπι oder kleiner vorzusehen, die Störstellendichte etwa 1 χ 10" cm-³ oder größer, die Dicke des η Bereichs 16 etwa 1 μπι oder kleiner und die Störstellendichte etwa 1 χ 10¹⁶Cm-³ oder größer. Die Tiefe des Gatebereichs hängt von der Entfernung zwischen benachbarten Gatebereichen und der Störstellendichte des hochohmigen Bereichs ab und beträgt gewöhnlich von mehreren μπι bis 20 μπι. Daher wird bei Verwendung einer transparenten Elektrode der SIT mit Licht steuerbar.

Ist es nicht möglich, den Widerstand der transparenten Elektrode aus Ι^Ο* SnO2 oder niedrigohmigen Polysilicium zu verringern, so empfiehlt es sich, eine Metallelektrode, beispielsweise aus Aluminium in Form von Gittern oder Streifen in den gewünschten Positionen am SIT vorzusehen.

Die Betriebsweise des optisch steuerbaren SITs wird nun unter Verwendung der Anordnung nach Fig. IB beschrieben.

Wird die Anordnung nach Fig. IB mit Licht aus der iraiiparenieii Anode beieueiiiei, su werden im 1 Bereich 12 Elektronen-Löcher-Paare erzeugt. Wird nun eine positive Spannung an die Anode angelegt, so können Elektronen in den η Bereich 16 fließen und diesen Bereich negativ aufladen. Nach einem gewissen Anstieg der negativen Ladungsmenge im Bereich 16 kann eine Lochinjektion aus dem Anodenbereich erfolgen. Somit strömen die durch optische Anregung erzeugten Löcher und die injizierten Löcher gegen die Gateelektrode und Kathodenseite. Ein großer Anteil der Löcher kann in den p⁺ Gatebereich fließen und ein Teil in den Kathodenbereich.

Bei Ansammlung von Löchern im p⁺ Gatebereich wird dieser negativ geladen, wodurch sich eine Erniedrigung der Sperrschicht für Elektronen ergibt, die an der Vorderseite der Kathode gebildet wird. Infolgedessen werden Elektronen aus der Kathode in diese Sperrschicht injiziert und sammeln sich an der Vorderseite der Anode, wodurch die Löcherinjektion von der Anode erhöht wird. Infolgedessen wird der SIT leitend.

Um den Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung des SIT im leitenden Zustand zu erniedrigen, reicht es aus, einen Widerstand gewünschter Größe ^„'zwischen die Gate-Kathoden-Anordnung einzufügen. Der Wert des Widerstands Rgi wird derart bemessen, daß Rgi χ Ig etwa gleich der an der Gateelektrode angelegten Sperrvorspannung wird, wenn Ig den Gatestrom darstellt Der Widerstand Rgi kann unter Verwendung von PoIysilicium leicht vorgesehen werden.

Die obigen Ausführungen treffen ebenfalls für die Anordnungen der Fig. IA und IB bis IE zu. Es ist jedoch ersichtlich, daß im Falle der Anordnung nach Fig. IC der Widerstand zwischen dem ρ Bereich und dem Kathodenbereich eingesetzt ist

F i g. 6A stellt eine weitere Ausführungsform des optisch steuerbaren SITs dar, durch welche der Gatestrom verringert werden kann, während der Hauptstrom erhöht werden kann, wobei Fig.6B eine äquivalente Schaltung desselben angibt

Gemäß Fig.6A ist eine Isolierschicht 17, beispielsweise aus S1O2 oder S13N4, unterhalb des p⁺ Gatebereichs 14 vorgesehen und ein Polysiliciumwiderstand Rgi (der nicht dargesellt ist), wird in einer geeigneten Lage am Gate 14 vorgesehen und erstreckt sich vertikal zu Zeichenebene. Der mit dem Gatebereich zu verbindende Widerstand Ä^ikann extern vorgesehen werden. F i g. 7 zeigt eine Abänderung der Ausfahrungsform nach F i g. 6A, gemäß welcher die Sperrschicht in der

Kathodenseite 'lurch die Ansammlung von Ladungsträgern Λη Stelle der Verwendung des Widerstands Rgi verringert wird.

Die der Gateelektrode 14' zugeführte negative Spannung wird vollständig durch Löcher verdeckt, die in die Nachbarschaft des Gatebereichs fließen, womit die Sperrschicht an der Vorderseite der Kathode verschwindet, was zu einer abrupten Elektroneninjektion aus der Kathode führt Der Mechanismus der Löcherinjektion aus der Anode ist der gleiche wie bei der Ausführungsform gemäß F i g. 6A.

Gemäß den F i g. 6A und 7 sind die Elektroden 13' und 14' aus einem Werkstoff, wie beispielsweise niedrigohmigem Polysilicium, In^, oder SnC>2, so daß die Kathode mit Licht bestrahlt wird. Mit dieser Anordnung kann die Wärmesenke in der Anodenseite vorgesehen werden. Falls das Wärmesenkenproblem nicht bedeutungsvoll ist, kann die Anode, welcher Licht zugeführt wird, transparent gemacht werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist es ferner möglich, beide Elektroden 'transparent zu machen, so daß Licht auf beide Seiten gerichtet werden kann.

F i g. 8 zeig-i eine weitere Abänderung der Anordnung nach F i g. 6A oder 7, bei welcher die Gateanordnung nur in der Kathodenseite vorgesehen ist.

Gemäß F i g. 8 ist die Gateanordnung auch in der Anodenseite vorhanden. Bei dieser Anordnung können die im η Bereich 16 angesammelten Elektronen nicht infolge von Rekombination und dergleichen verschwinden.

In Fi g. 8 sind ferner n⁺ Gatebereiche neben den p⁺ Anodenbereichen 11 vorhanden und es sind innerhalb der n⁺ Gatebereiche 18 jeweils Isolierbereiche 19 vorgesehen. Wird eine Vorspannung in Sperrichtung zwischen dem Anodenbereich 11 und dem n⁺ Bereich 18 ähnlich wie an der Anodenseite angewandt, so kann der Bereich 12 ein hochohmiger i Bereich an Stelle des n~ Bereichs sein. In der Anordnung nach F i g. 8 wird ein (nicht dargestellter) Polysiliciumwiderstand zwischen dem p⁴· Bereich il und dem Ii⁺ Bereich IS ausgebildet. Es kann jedoch möglich sein, den p⁺ Anodenbereich 11 unter Verwendung einer Elektrode direkt mit den n⁺ Bereich 18 zu verbinden.

Der SIT und das fotoelektronische Halbleiterelement, das mit dem Gatebereich des SIT zur Steuerung desselben zwischen Leitung und Nichtleitung verbunden werden muß, können zusammen auf dem gleichen Siliciumwafer vorgesehen werden oder sie können als getrenne Chips hergestellt und dann elektrisch mittels Leitungen verbunden werden.

Obgleich der optisch steuerbare SIT unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen dargestellte, bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, kann er in anderer Weise realisiert werden. Beispielsweise können die Leitungstypen der in Frage stehenden Bereiche umgekehrt werden. In diesem Falle können die Polaritäten der zugeführten Spannungen ebenfalls umgekehrt werden. Ist der verwendete SIT ferner ein Sperrschicht-Typ, so ist es empfehlenswert, im Hinblick auf die Verringerung der Kapazität und die Erhöhung der Durchbruchspannung eine Isolierschicht, beispielsweise au3 S1O2, zwischen Kathode und Anode vorzusehen.

Obgleich der p⁺ Gatebereich 14 nach Fig. IA oder IB vertikal zur Zeichenebene verläuft, kann ein Gatebereich mit einem Abschnitt vorgesehen werden, der sich allmählich im Querschnitt mit zunehmenden Abstand von der Oberfläche erweitert Mit einer derartigen Anordnung des p⁺Gatebereichs kann die Spannungsverstärkung verbessert werden.

Bei Verwendung eines SIT mit Sperrschicht-Gatebireichen kann es möglich sein, Ausnehmungen an einer Oberfläche eines Wafers herzustellen und in diesen p⁺ Bereiche vorzusehen, wobei ein Schottky-Gatebereich an Stelle einer pn Sperrschicht verwendet werden kann.

Die Lichtquelle zur Steuerung des SIT ist frei wählbar, vorausgesetzt, daß im Halbleiter durch das von der lichtquelle abgegebene Licht Elektronen-Löcher-Paare erzeugt werden können und daß die Lichtquelle mit hoher Geschwindigkeit geschaltet werden kann. Beispielsweise kann ein Festkörperlaser, Gaslaser, Halbleiterlaser oder eine Leuchtdiode wie etwa aus BaAlAs, InGaP, GaAsP, GaAsP, GaG, ZnSe oder ZnS zu diesem Zweck verwendet werden.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleitervorrichtung, mit wenigstens einem Thyristor und mit wenigstens einem dem Thyristor zugeordneten photoelektrischen Halbleiterelement, das mit der Gate-Elektrode des Thyristors verbunden ist, und mit einer Einrichtung zur Beleuchtung des wenigstens einen fotoelektrischen Halbleiterelements zwecks Steuerung des Schaltvorgangs des Thyristors, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Thyristor aus einem mit statischer Induktion arbeitenden Thyristor (Q) besteht, der einen Anodenbereich (11,16), einen Kanalbereich (12), einen Gatebereich (14, 17) und einen Kathodenbereich (13) aufweist,

b) das wenigstens eine fotoelektrische Halbleiterelement (D 1, D 2) in den mit statischer Induktion arbeitenden Thyristor (Q) integriert ist, und

c) der mit statischer Induktion arbeitende Thyristor einen lichtdurchlässigen Kathodenbereich und/oder einen lichtdurchlässigen Anodenbereich (11,11') aufweist

2. Optisch steuerbarer Thyristor mit mindestens zwei Hauptelektrodenbereichen für die Anoden- und Kathoden-Elektrode UKd einer Gate-Elektrode und mit einer Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des Thyristors zwecks Steuerung des Schaltvorganges, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch steuerbare Thyristor ein mit statischer Induktion arueitender Thyristor ist, der zwischen dem Anoden-Bereich (11> 16) um? dem Kathoden-Bereich (13) einen Kanalbereich (12) mit fotoelektrischen Eigenschaften aufweist, daß di<- Hauptelektroden-Bereiche von entgegengesetztem Leitungstyp sind und eine hohe Störsteiiendichte aufweisen, daß mindestens ein Abschnitt einer der Hauptelektroden auf einer der Hauptoberflächen liegt und eine transparente Gate-Elektrode (14') für den Gate-Bereich bildet und zwischen den Hauptelektroden-Bereichen liegt, und daß zwischen der Gate-Elektrode (14') und der Kathoden-Elektrode (13') eine Vorspannungsquelle (Vg) geschaltet ist, deren negativer Anschluß auf die Gate-Elektrode und deren positiver Anschluß auf die Kathoden-Elektrode wirkt.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gate-Kathoden-Anordnung des mit statischer Induktion arbeitenden Thyristors (F i g. 6a) ein Widerstand (Rgi) angeordnet ist.

4. Thyristor nach Anspruchs dadurch gekennzeichnet, daß in Richtung zur Anode (11) unterhalb des Gate-Bereiches (14) eine Isolierschicht (17) vorgesehen ist und daß der am Gate vorgesehene Widerstand (Rgi) aus einem Polysiliziumwiderstand besteht.

5. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor oder dessen Gate-Elektrode eine Sperrschicht-Gateanordnung aufweist.

6. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristor oder dessen Gate-Elektrode eine Isolierschicht-Gateanordnung aufweist.

7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1,3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fotoelektronische Halbleiterelement (Dt) in Reihe mit der Gate-Elektrode des Thyristors (Q) verbunden ist

8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüehe 1,3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fotoelektronische Halbleiterelement (D₂) parallel zwischen der Gateelektrode und einer Kathode des Thyristors fQ) liegt

9. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüehe 1, 3 bis 5, gekennzeichnet durch mehrere fotoelektronische Halbleiterelemente, von denen eines in Reihe mit der Gateelektrode des mit statischer Induktion arbeitenden Thyristors verbunden ist während die übrigen fotoelektronischen Elemente parallel zur Gate-Kathodenanordnung des Thyristors liegen.

10. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1,3 bis 8, dadurch gekennzeichnet daß die Gateschaltung, die das genannte, mindestens eine fotoelektronische Element in Reihe mit der Gateelektrode des Thyristors verbindet mindestens eine Leistungsquelle aufweist

11. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß die Diode in Reihe zum Thyristor liegt

12. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1,3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt mindestens ein Paar der Thyristoren aufweist wovon jeder eine Gateelektrode zur Verbindung mit mindestens einem der photoelektronischen Halbleiterelemente aufweist, wobei das Paar Thyristoren in Reihe miteinander verbunden ist

13. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß zumindest ein Paar der genannten Abschnitte parallel zueinander liegen.