DE3345449A1 - Festkoerper-wechselspannungsrelais - Google Patents

Description

Patentanwälte

Europäische Patentvertreter European Patent Attorneys DipT-lri'g. 'Curt Wallach Dipl.-lng. Günther Koch Dipl.-Phys. Dr.Tino Haibach Dipl.-lng. Rainer Feldkamp

D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 ■ Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

Datum:

Unser Zeichen:

17 833 - F/r

ANMELDER:

INTERNATIONAL RECTIFIER CORP 9220 Sunset Boulevard Los Angeles, California USA

GEGENSTAND Festkörper-Wechselspannungsrela is

PRIORITÄT:

21. Dezember 1982
US S/N 451.792
USA

25. November 1983
USA

BAD.QRiGJfsJAL "' COPY

- Yb -

Die Erfindung bezieht sich auf ein Festkörper-Wechselspannungsrelais sowie auf einen neuartigen Thyristor, der in einem derartigen Festkörper-Wechselspannungsrelais verwendbar ist.

Festkörper-Wechselspannungsrelais sind gut bekannt. Relais mit optischer Isolation zwischen ihrem Eingang und Ausgang sind ebenfalls gut bekannt. Bei bekannten Bauteilen dieser Art sind üblicherweise viele diskrete Bauteile erforderlich, um den Wechselspannungskreis zu vervollständigen. So können dreißig oder mehr diskrete Thyristoren, Transistoren, Widerstände und Kondensatoren erforderlich sein, um ein einziges Bauteil herzustellen. Es wurde versucht, die verschiedenen Teile des gesamten Festkörper-Wechselspannungsrelais zu integrieren, doch hat dies aufgrund der Mischung von Hochspannungs- und Hochleistungsbauteilen lediglich begrenzten Erfolg gehabt.

Bisher verwendete Festkörper-Wechselspannungsrelais verwendeten weiterhin Null-Durchgangsschaltungen, um sicherzustellen, daß der Thyristor lediglich dann einschaltet,

BAD ORIGINAL

wenn sich die Wechselspannung innerhalb eines gewissen engen "Fensters" befindet. Diese Schaltungen waren ebenfalls relativ kompliziert und nur unter Schwierigkeiten in das Haupt-Leistungshalbleiterplättchen zu integrieren. So benötigten Nulldurchgangs-Zündschaltungen die Verwendung eines diskreten Widerstandes, der längs der Leistungsanschlüsse angeschaltet ist. Diese Widerstände konnten nicht ohne weiteres in ein einziges Halbleiterplättchen einintegriert werden, weil es schwierig war, diesen Widerstand auf der Oberfläche des Halbleiterplättchens auszubilden.

Es war weiterhin schwierig, einen sogenannten "stoßfreien" Betrieb des Relais unter irgendwelchen induktiven oder Widerstandslasten zu erzielen. Obwohl Festkörper-Wechselspannungsrelais bei Widerstandsbelastungen oder leicht induktiven Belastungen gut arbeiten können, können sie dazu neigen, in einen Halbwellen- oder Prellbetrieb überzugehen, also in einen Zustand, bei dem das Relais lediglich für eine Hälfte einer Periode einschaltet, wenn stark induktive Lasten vorlagen. Dies ergab sich bisher daraus, daß die Relais allgem-in mit Aufbereitungsschaltungen zur Unterdrückung eines schnellen Einschaltens der Schaltung unter bestimmten Einschwingzuständen mit einem hohen Wert von dV/dt versehen waren. Wenn das Bauteil unter einer sehr stark induktiven Last betrieben wird, werden Spannungssprünge allgemein wiederholt v/ährend des Einschaltens des Bauteils erzeugt. Wenn die Signalaufbereitungsschaltung dies als Einschwingsignal fehlinterpretiert, so schaltet sie den Leistungsausgang während einer bestimmten Halbphase des Betriebs ab. Die Schaltung scheint dann während der nächsten Halbschwingung wieder

BAD ORIGINAL

normal zu sein und das Relais schaltet wieder ein. Dieser Zustand wiederholt sich, so daß das Relais lediglich während der einen oder der anderen der Halbperioden einer vollen Schwingung einschaltet. Um diesen Zustand zu vermeiden, wurden Relais bisher mit einer verringerten Zündempfindlichkeit ausgebildet, und dies bedingte eine Verringerung der Empfindlichkeit gegenüber einem optischen Zünden.

Weil bekannte Relais relativ kompliziert waren, benötigten sie ein erhebliches Volumen für ihr Gehäuse. Weiterhin waren Festkörper-Wechselspannungsrelais bisher auf einen maximalen Temperaturanstieg von ungefähr 110 ⁰C beschränkt, wodurch ihre Strombelastungseigenschaften beschränkt waren. Schließlich waren Festkörper-Wechselspannungsrelais aufgrund der Notwendigkeit einer großen Anzahl von diskreten Bauteilen und großen Gehäusen bisher relativ aufwendig.

Optisch gezündete laterale Thyristorbauteile, die allein oder in derartigen Relais verwendet werden können, sind ebenfalls bekannt. Derartige Bauteile sind Jedoch aufwendig und weisen einen relativ großen Durchiaßspannungsabfall auf, und sie sind gegenüber einer Eingangsstrahlung relativ unempfindlich. Ein Thyristorbauteil dieser Art ist beispielsweise in der US-PS 4- 355 520 beschrieben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Festkörper-Wechselspannungsrelais der eingangs genannten Art bzw. einen Thyristor zur Verwendung in einem derartigen Festkörperr-Wechs'elSpannungsrelais zu schaffen, das bzw. der bei einfachem Aufbau verbesserte Betriebseigenschaften

BAD ORIGINAL

aufweist.

Diese Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 bzw. 14 angegebene Erfindung gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Jeweiligen Unteransprüchen.

Das erfindungsgetnäße Festkörper-Wechselspannungsrelais verwendet zwei identische neuartige Thyristor-Leistungshalbleiterplättchen, die beide eine laterale Konstruktion aufweisen, wobei sich die Kathoden- und Anoden-Elektroden an einer Oberfläche jedes Bauteils befinden und wobei Jedes Halbleiterplättchen optisch zündbar ist und eine optisch empfindliche obere Oberfläche aufweist, die bei einer Beleuchtung einen leitenden Zustand des Bauteils zwischen den Anoden- und Kathoden-Elektroden ermöglicht.

Der Gate-Kreis Jedes der Thyristoren ist mit einer neuartigen Steuerschaltung verbunden, die entweder aus diskreten Bauteilen oder aus Bauteilen aufgebaut ist, die in dem Hauptteil des Halbleitermaterials ausgebildet sind, das den Thyristor bildet. Die Steuerschaltung kann ein Einschalten selbst bei einer Beleuchtung der Oberfläche verhindern, wenn die Spannung längs des Bauteils einen Wert überschreitet, der größer als irgendein vorgegebener Fensterwert ist, oder wenn einen hohen Wert von dV/dt aufweisende SpannungsSprünge oder Impulse längs des Bauteils auftreten. Diese Steuerschaltung schließt einen Klemmtransistor ein,der eingeschaltet werden kann, um das Gate des zugehörigen Thyristors zu klemmen, wobei ein kapazitiver Spannungsteiler längs der Hauptleistungs-

BAD ORIGINAL

IO

elektroden angeschaltet ist. Der kapazitive Spannungsteiler liefert ein Steuersignal an den Steuertransistor.

Einer der Kondensatoren des kapazitiven Spannungsteilers schließt die verteilte Kapazität des Steuertransistors ein. Solange der Steuertransistor eingeschaltet ist, kann der zugehörige Leistungsthyristor nicht einschalten, selbst wenn seine Oberfläche beleuchtet ist. Der kapazitive Spannungsteiler ist so ausgebildet, daß der Steuertransistor normalerweise für alle Absolutspannungen längs des Hauptbauteils eingeschaltet ist, die größer als irgendein relativ kleiner Fensterwert sind. Damit kann der Leistungsthyristor außerhalb dieses kleinen Fensterwertes oder des Nulldurchgangswertes nicht einschalten.

Der neuartige kapazitive Spannungsteiler arbeitet zusammen mit dem Steuertransistor derart, daß sowohl schnelle Spannungssprünge oder Impulse unterdrückt werden als auch ein Betrieb des Bauteils im normalen Lastzustand ermöglicht wird. Damit werden Spannungssprünge oder Störimpulse, die wiederholt während des Einschaltens des Bauteils bei Bedingungen mit stark induktiven Lasten erzeugt werden, nicht als schnelle Spannungssprünge fehlinterpretiert und das Leistungsthyristor-Halbleiterplättchen kann in normaler Weise selbst bei stark induktiven Lasten einschalten.

Die neuartige Signalaufbereitung des erfindungsgemäßen Festkörper-Wechselspannungsrelais ermöglicht weiterhin eine beträchtliche Vergrößerung der optischen Empfindlichkeit des Bauteils ohne die Gefahr von jⁿe hl zündunger. Es sei darauf hingewiesen, daß derzeit verfügbare optisch

BAD ORIGINAL

'-χ

345U9

- 20 -

isolierte Triac-Treiber und dergleichen immer entweder hinsichtlich ihrer dV/dt-Eigenschaften oder hinsichtlich ihrer optischen Empfindlichkeit beschränkt sind, weil sie nicht in der Lage sind, einen niedrigen Spannungspegel aufweisende Signale von SpannungsSprüngen und Einschwingvorgängen zu unterscheiden.

Die zwei Halbleiterplättchen aufweisende Anordnung ist in einem neuartigen Gehäuse angeordnet, in dem die beiden Halbleiterplättchen leicht und in wenig aufwendiger Weise miteinander parallelgeschaltet und gegen die äußere Umgebung geschützt sind. Ein Aluminiumoxid-Substrat oder irgendein anderes geeignetes wärmeleitendes, jedoch elektrisch isolierendes Substrat ist mit geeigneten leitenden Mustern oder Leiterbahnen versehen, die die verschiedenen Halbleiterplättchen des Schalters aufnehmen und die Elektroden des Halbleiterplättchens mit geeigneten Ausgangsleitungen verbinden. Die beiden identischen Thyristor-Halbleiterplättchen, die miteinander in Anti-Parallelschaltung verbunden sind, sind symmetrisch auf jeweiligen leitenden Kissen auf dem Substrat befestigt und miteinander und mit den Anschlußenden von zwei Leiterbahnen auf dem Substrat ausgerichtet. Zwei durchgehende Drähte sind durch eine Heftverbindung mit den Thyristor-Kissen und den leitenden Leiterbahnen derart verbunden, daß ein Leitungsdraht elektrisch mit dem Anoden-Kissen eines Halbleiterplättchens, dem Kathoden-Kissen des zweiten Halbleiterplättchens und einer der Leiterbahnen verbunden ist, die mit einer Wechselspannungs-Eingangsleitung verbunden ist. Der andere Draht ist in ähnlicher Weise mit den anderen Elektroden und der anderen Leiterbahn verbunden, um die Thyristoren anti-parallel zu schalten.

BAD ORIGINAL

■ ^: · ■.. · ■ ⁰⁰

Ein kleines Leuchtdioden-Halbleiterplättchen wird ebenfalls mit dem Aluminiumoxid-Substrat verbunden, und zwar zur gleichen Zeit, zu der auch die Leistungs-Halbleiterplättchen mit diesem verbunden werden. Die Leuchtdiode ist in geeigneter Weise mit zwei Eingangsleitungen verbunden, die von den Wechselspannungs-Ausgangsleitungen gut isoliert sind.

Eine durch ein weißes Strahlung reflektierendes Material bedeckte Kunststoffkappe wird dann über dem Substrat befestigt und bedeckt den Bereich des Substrats, das die Leuchtdiode und die beiden Leistungs-Halbleiterplättchen enthält. Die Kappe kann aus einem transparenten Siliconmaterial bestehen, das die Oberflächen der Halbleiterplättchen und ihre Verbindungsleitungen umschließt und einkapselt, wobei dieses Material eine mit weißem Silicon bestrichene äußere Oberfläche aufweist.

Wenn die Steuerschaltung des Leistungstransistors in diskreter Form ausgebildet ist, so können die diskreten Bauteile ebenfalls in geeigneter Weise mit diesem Substrat verbunden werden. Diese Bauteile sind jedoch vorzugsweise in die einzelnen Leistungs-Halbleiterplättchen einintegriert, so daß das gesamte Festkörper-V/echselspannungsrelais aus zwei Leistungs-Halbleiterplättchen und ihren Steuerungen, dem Leuchtdioden-Halbleiterplättchen und den verschiedenen Halterungsstrukturen besteht, wie sie weiter oben beschrieben wurden.

Jeder Thyristor des Relais weist einen neuartigen Aufbau auf und ist in einem einzigen Halbleiterplättchen ausgebildet, das einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall und

BAD ORIGINAL

einen relativ hohen Betriebsstrom aufweist und das gegenüber einer Eingangsstrahlung äußerst empfindlich ist, so daß eine unkritische Leuchtdioden-Triggersignalquelle vorgesehen werden kann, die den Thyristor in den leitfähigen Zustand bringt. Die Relais-Steuerschaltungsbauteile unter Einschluß von parallelgeschalteten Steuer-MOSFET's, einem Widerstand, einer Zener-Diode und einem Kondensator können ebenfalls in dem einzigen Halbleiterplättchen ausgebildet werden. Die Relais-Steuerschaltungsbauteile ermöglichen ein Einschalten des Thyristors lediglich dann, wenn die Anoden-Kathoden-Spannung kleiner als ein vorgegebener Wert ist. Weiterhin wird ein fehlerhaftes Einschalten aufgrund von SpannungsSprüngen unter allen Schaltungsbedingungen verhindert, wenn die Leuchtdiode abgeschaltet ist.

Erfindungsgemäß wird eine Vielzahl von einzelnen lateralen Transistoren, die jeweils optisch zündbar sind, in einem einzigen Halbleiterplättchen parallelgeschaltet. Jeder laterale Thyristor weist eine jeweilige Basis auf, in der Emitterelemente ausgebildet sind. Ein neuartiger Anodenbereich, der aus einer Vielzahl von mit Abstand angeordneten Anodenbereichsfingern besteht, die das Ende und zwei Seiten jeder oasis umhüllen, macht eine Parallelverbindung der Elemente leicht möglich.

Die Thyristor-Basiszone enthält mit Abstand angeordnete parallele Emitterbereiche und die Basiszone ist von einem Hilfsbereich vom P-Leitfähi^xceitstyp umgeben. Ein Hilfsbereich für einen lateralen optisch gezündeten Thyristor ist in der US-PS 4 355 320 gezeigt. Die neuartigen Hilfsbereiche sind erfindungsgemäß jedoch schleifenförmig um

BAD ORIGINAL

- J-C) Ή O H H

die einzelnen Basisbereiche herumgelegt und umschließen diese vollständig, und sie sind über eine widerstandsbehaftete Verbindung mit einer leitenden Polysilizium-Feldplatte verbunden, die fest mit der metallischen Kathoden-Elektrode verbunden ist.

Die neuartige widerstandsbehaftete Verbindung kann dadurch erzielt werden, daß mit Abstand angeordnete Verbindungen von der Feldplatte zu dem Hilfsbereich hergestellt werden. Durch die Verwendung einer widerstandsbehafteten Verbindung in dieser Weise erreichen mehr Träger, die von dem Anodenbereich injiziert werden und die sich seitlich in Richtung auf den Emitter bewegen, diesen Emitter. Hierdurch wird der Durchlaßspannungsabfall des Bauteils um einen beträchtlichen Wert verbessert (beispielsweise von 1,45 V auf 1,15 V), wodurch die Verlustleistung im Betrieb des Bauteils beträchtlich verringert wird.

Entsprechend einem weiteren Merkmal der Erfindung kann der Anodenbereich, verglichen mit der Emitterdotierung, relativ stark dotiert sein, um den DurchiaßSpannungsabfall weiter zu verringern. Die Emitter-Dotierungskonzentration an der Oberfläche des Emitterbereichs wird ebenfalls bis zu einem Punkt gesteuert, der hinsichtlich einer Verbesserung des Injektionswirkungsgrads als optimal festgestellt wurde. Insbesondere wurde eine gute Betriebsweise erzielt, wenn eine Oberflächenkonzentration PO PO

von 1 χ 10^^w bis 6 χ 10^^υ Phos; Emitteroberfläche verwendet wurde.

20 PO

von 1 χ 10 bis 6 χ 10" Phosphorionen/ccm an der

Bei der Herstellung der Oberflächenkontakte für das Bauteil werden dünne Leitungen aus relativ dickem Aluminium

BAD ORIGINAL

verwendet, tun eine maximale Menge an Silizium freizulegen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen noch näher erläutert.

In 1er Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht des Grenzschichtmusters einer Ausführungsform eines einzelnen lateralen Thyristors,

Fig. 2 eine Draufsicht auf das Metallisierungsmuster auf der Oberfläche eines einzigen Halbleiterplättchens, das die Ausführungsform des lateralen Thyristors verwendet,

Fig. 3 eine Draufsicht auf die Silizium-Oberfläche des Halbleiterplattchens nach Fig. 2, aus der die Grenzschichtrauster erkennbar sind, die an der Oberfläche des Bauteils hervortreten,

Fig. 4- eine vergrößerte Ansicht eines der parallelen Elemente oder der Schleifen nach Fig. 3>

Fig. 5 eine Querschnittsansicht gemäß Fig. 3 entlang der Schnittlinie 5-5 nach Fig. 3?

Fig. 6 eine Querschnitts ansicht der Fig. 4· entlang der Schnittlinie 6-6 nach Fig. 4,

BAD ORIGINAL

Fig. 7 eine Querschnittsansicht der Fig. 3 entlang der Schnittlinie 7-7 nach Fig. 3,

Fig. 8 eine Querschnittsansicht des Polysilizium-Widerstandes, der in Fig. 3 gezeigt ist,

Fig. 9 ein Schaltbild einer Ausführungsform des Thyristors und seiner Steuerschaltung, wie es durch das Grenzschichtmuster und die Verbindungen des Bauteils nach den Fig. 2 bis 8 gebildet wird,

Fig. 10 ein Schaltbild einer Ausführungsform des neuartigen Wechselspannungsrelais,

Fig. 11 eine Ausführungsform der Befestigung der beiden Leistungsthyristorplattchen nach Fig. 10 und einer Leuchtdiode auf einem Keramiksubstrat,

Fig. 12 eine Seitenansicht nach Fig. 11,

Fig. 13 eine Ansicht der Baugruppe nach Fig. 11 mit einer Abdeckungskappe, die die Leuchtdiode und die Leistungsthyristorplattchen umschließt,

Fig. 14 eine Draufsicht auf Fig. 13.

In Fig. 1 ist im Querschnitt das Grenzschichtmuster und die Metallisierung einer Ausführungsform des Halbleiterplättchens für den lateralen Thyristor gezeigt. Das KaIbleiterplättchen mit dem lateralen Thyristor na h Fig. 1 kann irgendeine gewünschte Größe und Form aufweisen und

BAD ORIGINAL

ist ein Halbleiterplättchen aus monokristallinem Silizium.

Die verschiedenen in Fig. 1 gezeigten Grenzschichten sind in einer N(—)-Schicht 20 ausgebildet. Die Schicht 20 kann einen spezifischen Widerstand von ungefähr 20 Ohm-cm haben. Mit Abstand angeordnete P-Bereiche 21, 22 und 23 sind in der oberen Oberfläche des Halbleiterplattchens 20 mit Hilfe irgendeines gewünschten Verfahrens ausgebildet. Ein weiterer Bereich 23a vom P-Typ, der inaktiv ist, kann den Umfang des Bereichs 23 umschließen. Die Bereiche 21, 22, 23 und 23a können Bor-diffundierte Bereiche mit ausreichender Konzentration sein, so daß der Flächenwiderstand der P-Bereiche ungefähr 160C Ohm pro Quadrat an der Oberfläche des Halbleiterplattchens beträgt. Die Bereiche können außerdem beispielsweise durch eine Ionenimplantation und einen Eintreib-Diffusionsvorgang unter Verwendung einer Dosis von 5 x 10 Boratomen/cm gebildet werden, so daß sie relativ leicht dotiert sind. Der Bereich 21 ist vorzugsweise stärker dotiert als die anderen P-Bereiche. Die Bereiche 21, 22, 23 und 23a können die gleiche Tiefe von ungefähr 4 Mikron aufweisen. Der Bereich 23 vom P-Leitfähigkeitstyp enthält einen N(+)-Bereich 24, um die mit lateralem oder seitlichem Abstand angeordneten Grenzschichten des lateralen Thyristors zu vervollständigen.

Die aufeinander gerichteten Kanten der Sereiche 21 und 25 sollten so nahe wie möglich beieinander liegen, aber dennoch in der Lage sein, eine ausgewählte Spannung zu sperren. Bei der vorliegenden Ausführungsform sperrt das Bauteil vorzugsweise ungefähr 400 bis 500 V und es wird

BAD ORIGINAL

ein Abstand von 105 Mikron verwendet.

Der Bereich 21 ist der Anodenbereich, der Bereich 23 ist der Gate- oder Basisbereich und der Bereich 24 ist der Emitter- oder Kathodenbereich, während der N(—)-Hauptteil 20 den Hauptsperrbereich des Thyristors nach.¹ Fig. 1 bildet. Der Bereich 22 ist vom bekannten schwimmenden Schutzbereichs-Typ, der eine Vergrößerung der Sperrspannung zwischen den Grenzschichten 21 und 23 auf bis zu 400 bis 5OO V ermöglicht, ohne daß die Gefahr eines Durchbruchs an der Oberfläche des Halbleiterplattchens besteht.

Die obere Fläche des Halbleiterplattchens ist durch eine dünne Siliziumdioxid-Schicht 30 bedeckt, die beispielsweise eine Stärke von ungefähr 1 Mikron aufweisen kann. Polysilizium-Feldplatten 31 und 32 sind oberhalb der Oxid-Schicht 30 in der dargestellten Weise ausgebildet, wobei übliche Polysilizium-Abscheidungs- und -Maskiertechniken verwendet werden. Die gesamte obere Fläche des Halbleiterplattchens unter Einschluß der Polysilizium-Feldplatten und des Oxids 30 ist durch eine übliche glasartige mit Phosphor dotierte Siliziumdioxid-Schicht 35 überzogen. Mit Abstand angeordnete Spalte 36 und 37 von bekannter Struktur können auf beiden Seiten des schwimmenden Schutzbereichs 22 angeordnet werden, um zu verhindern, daß laterale Polarisationseffekte innerhalb der Phosphor-dotierten Oxid-Schicht 35 die Feldverteilung an der Oberfläche des Bereichs 20 benachbart zu dem schwimmenden Schutzbereich 22 stören.

Geeignete Öffnungen sind in den Oxid-Schichten

BAD ORIGINAL

■··-■ ·^:·-"- -3 3-454Α9 23

- 2β -

oberhalb des Emitterbereichs 24- und des Anodenbereichs ausgebildet, um einen Kontakt an die verschiedenen Bereiche und Feldplatten zu ermöglichen. Entsprechend sind eine Aluminium-Kathoden-Elektrode 40 und eine Aluminium-Anoden-Elektrode 4-1 auf den Emitterbereich 24 bzw. den Anodenbereich 21 in der gezeigten Weise aufgebracht. Wei tere Öffnungen, die in der Oxid-Schicht 35 ausgebildet sind, ermöglichen eine Verbindung von der Kathode 40 zur Feldplatte 31 und von der Anode 4-1 zur Feldplatte 32. Sowohl die Kathoden-Elektrode 4Ό als auch die Anoden-Elektrode 4-1 sind relativ dünn und können beispielsweise eine Dicke von ungefähr 4- Mikron aufweisen.

Der Bereich 23s. ist vorzugsweise unter Einschaltung von Widerstanden mit der Kathode 40 verbunden. Entsprechend kann der Bereich 23a mit der Kathode 40 beispielsweise nur an mit Abstand angeordneten Punkten entlang der jeweiligen Umfangsbereiche verbunden sein.

Der laterale Thyristor nach Fig. 1 wird durch die Injektion von Trägern von dem Emitterbereich 24- in den Gate-Bereich 23 eingeschaltet. Eine geeignete Injektion kann durch Beaufschlagen der oberen Oberfläche des Halbleiterbauteils mit einer Strahlung erreicht werden, die Träger (Fehlstellen) in dem Hauptteil 20 erzeugt. Diese Fehlstellen oder Löcher driften zum Bereich 23 und werden durch die Emitter-Grenzschicht zwischen den Bereichen 23 und 24 aufgefangen, um als Basisansteuerung zum Einschalten des Halbleiterbauteils zu dienen. Eine geeignete Strahlungsquelle kann die schematisch dargestellte Leuchtdiode 4-5 sein, die zur Beleuchtung der Oberfläche des Halbleiterbauteils angeordnet ist.

BAD ORIGINAL

SO

Es wurde festgestellt, daß das die Struktur nacj Pig, I verwendende Bauteil von 400 bis 500 V sperren kann, ^a Durchlaßbetrieb betrug der Durchlaßspannungsabfall ungefähr 1,15 V bei einem Durchlaßstrom von ungefähr 1,5 A.

Die Anordnung des lateralen Thyristors nach Fig. 1 kann in einer beliebigen Anzahl von gewünschten Geometrien praktisch ausgeführt werden. Eine besonders wirkungsvolle Geometrie ist die, die in den Fig. 2 bis 9 gezeigt ist, die im folgenden beschrieben werden und eine Anordnung zeigen, bei der eine Anzahl von Halbleiterbauteilen gemäß dem nach Fig. 1 parallelgeschaltet ist.

In den Fig. 2 und 3 ist eine Draufsicht auf ein einzelnes Halbleiterplättchen gezeigt, das ein einzelnes Thyristorbauteil nit den Bestandteilen seiner Steuerschaltung zeigt. Das Halbleiterplättchen nach den Fig. 2 und 3 ist eines einer großen Anzahl von Halbleiterplättchen auf einer gemeinsamen Halbleiterplatte, die nach der Beendigung der gemeinsamen Verarbeitung voneinander getrennt werden. Das Halbleiterplättchen'ist in Fig. 2 nach der Metallisierung der Kathoden- und Anoden-Anschlußelektroden gezeigt. Die Grenzschichtmuster auf der Halbleiterplättchen-Oberfläche sind in Fig. 3 gezeigt. Wie dies ausführlich erläutert wird, ist eine Vielzahl von getrennten Thyristorelementen parallelgeschaltet, wobei neuartige Grenzschichtmuster für die Anoden-^Basis- und Eaitterbereiche verwendet werden (Fig. 3 und 4-), die sich entlang eines Pfades erstrecken, der im folgenden entweder als serpentinenförraiger oder ineinander verschränkter Pfad bezeichnet wird, so daß sich die größtmögliche Länge ergibt, was eine hohe Stromkapazität für das Bauteil

BAD ORIGINAL

zuläßt.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3 kann das Halbleiterplättchen eine Breite von 2,083 mm (82 Mil), eine Länge von 2,87 mm (113 Mil) und einen Durchlaßstrom-Nennwert von 1,5 A bei einem Durchlaßspannungsabfall von 1,15 V aufweisen. Die bisymmetrische Sperrspannung des Bauteils kann ungefähr 500 V Spitze betragen. Entsprechend kann die Ausführungsform des Thyristor-Halbleiterplättchens in Verbindung mit einem identischen anti-parallelgeschalteten Thyristor-Halbleiterplättchen in einem Pestkörper-Relais verwendet werden, um einen Wechselspannungskreis zu steuern, der eine Effektivspannung von bis zu 280 V aufweist.

Das grundlegende Metallisierungsmuster nach Fig. 2 verwendet die in der dargestellten Weise geformte Kathode 50 und Anode 51 · Eine in Fig. 2 nicht dargestellte Steuerschaltung ist in dem Hauptteil des Halbleiterplättchens enthalten. Diese Steuerschaltung ist in Fig. 9 gezeigt. Metallisierte Abschnitte 60 und 61 nach Fig. 3 bilden die Elektroden von zwei jeweiligen Kondensatoren gemäß Fig. 9- Der Kondensator 60 wird weiter unten anhand der Fig. 7 beschrieben werden.

Die die Elektroden 60 und 61 einschließenden Kondensatoren sind gemäß Fig. 9 parallelgeschaltet und zwischen den Anoden der Thyristoren 64a, 64b, 64c und 64d und den Gates der Steuer-MOSFETs 76, 77, 78 bzw. 79 eingeschaltet. Die Thyristoren 64a, 64b, 64c und 64d sind parallelgeschaltet und weisen gemeinsame Kathoden und Anoden auf, die als Kathode 50 und Anode 51 in den Fig. 2 und 6

BAD ORIGINAL

gezeigt sind.

Mit dem Halbleiterplättchen nach Fig. 3 ist weiterhin integral und einstückig ein 100-K-Widerstand 70 ausgebildet, der aus Polysilizium gebildet ist und elektrisch zwischen den Kathoden und Gates jedes der Thyristoren 64a, 64b, 64c und 64d eingeschaltet ist. Die genaue Struktur des Widerstandes 70 wird weiter unten anhand der Fig. 8 erläutert.

Weiterhin ist mit dem Halbleiterplättchen nach Fig. 3 zusätzlich einstückig und integral eine Zener-Diode 71 ausgebildet, die gemäß Fig. 9 in Serie mit den Kondensatoren 60 und 61 zwischen den Anoden- und Kathodenanschlüssen und 50 der dargestellten Thyristoren eingeschaltet ist. Weiterhin ist in Fig. 9 eine natürlich vorgegebene verteilte Kapazität 75 gezeigt, die parallel zur Zener-Diode 71 liegt.

Die Zener-Diode 71 kann in dem inaktiven P-Bereich 82 ausgebildet sein und aus dem in Fig. 3 gezeigten N+-Bereich 71a bestehen. Ein Zener-Anschluß 71b kann direkt oberhalb des N+-Bereichs 71a ausgebildet sein, während der andere Anschluß durch einen Metallkontakt 71c gebildet sein kann, der mit der Kathoden-Elektrode verbunden ist.

Eine Anzahl von Steuer-MOSFETs 76, 77, 78 und 7h gemäß Fig. 9i die weiter unten anhand der Fig. 3 und 4 erläutert werden, sind ebenfalls auf dem Halbleiterplättchen ausgebildet und wirken ait den Thyristoren 64a, -j4b, 64c bzw. 64d zusammen. Jeder Steuer-MOSFET ist unmittelbar

BAD ORIGINAL

33Ά54Α9

benachbart zu seinem jeweiligen Hauptthyristorelement angeordnet, so daß Betriebsverzögerungszeiten begrenzt sind und die Symmetrie der Schaltung sichergestellt ist.

Die Schaltung nach Fig. 9 wird in einer neuartigen Weise ausgeführt, wie dies anhand der Fig. 2 bis 8 noch näher erläutert wird. Es sei bemerkt, daß, obwohl die hier beschriebene Ausführungsform vier parallele Thyristorelemente 64a, 64b, 64c und 64d verwendet, irgendeine gewünschte Anzahl von Elementen verwendet werden könnte.

Wie dies aus den Fig. 3 bis 6 zu erkennen ist, ist das gesamte integrierte Bauteil in einem Substrat 80 mit relativ hohem Widerstand N(—) ausgebildet, das einen spezifischen Widerstand von ungefähr 20 Ohm-cm aufweist.

Eine Anzahl von getrennten Bereichen von P-Leitfahigkeitstyp wird in dem Substrat 80 mit Hilfe irgendeines gewünschten Verfahrens ausgebildet. Der erste dieser Bereiche ist der P+-Anodenbereich 8Ί, der dem Anodenbereich 21 nach Fig. 1 entspricht. Wie dies in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist, weist der Anodenbereich 81 einen Hauptkörperabschnitt auf, von dem aus sich drei parallele Finger 81a, 81b und 81c erstrecken. Die Finger 81a und 81b sind ausführlicher in den Fig. 4 und 6 gezeigt. Ein rechtwinkliger Anodenbereichsrahmen mit Schenkeln 81d, 81e und 81f umgibt den Umfang des Halbleiterplättchens, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist. Die Schenkel 81d und 81e sind in Fig. 5 zu erkennen.

Der zweite Bereich vom P-Leitfähigkeitstyp, der in den Fig. 3 t>is 8 gezeigt ist, ist der "inaktive" FIiIfsbereich

BAD ORIGINAL

82 vom P-Leitfähigkeitstyp. Der inaktive Bereich 82 weist Schleifenabschnitte 82a, 82b, 82c und 82d auf (Fig. 3)» die die Basen von vier jeweiligen Thyristoren einschließen, wie dies weiter unten beschrieben wird, und die die Aufgabe des Hilfsringes 23a nach Fig. 1 erfüllen. Der Schleifenabschnitt 82b ist in Fig. 6 gezeigt.

Vier unter gleichen Abständen angeordnete langgestreckte Basisbereiche 83a, 83b, 83c und 83d vom P-Leitfähigkeitstyp (Fig. 3» 4- und 6) sind ebenfalls im Bereich 80 ausgebildet. Diese Basisbereiche entsprechen dem Basisbereich 23 nach Fig. 1. Der Basisbereich 83b ist vergrößert in Fig. 4 gezeigt. Es sei bemerkt, daß die Basisbereiche 83a, 83b, 83c und 83d fast vollständig durch die Hilfsringschleifen 82a, 82b, 82c bzw. 82d eingeschlossen sind.

Es wird ein weiterer Bereich vom P-Leitfähigkeitstyp ausgebildet, der aus einem schwimmenden Schutzring 84 besteht, der in den Fig. 3 bis 6 gezeigt ist. Der Schutzring 84 folgt einem sinusförmigen Pfad und halbiert den N(—)-Bereich 80, der die Oberfläche des Bauteils in den Fig. 3 und 4 erreicht.

Jede Thyristorbasis 83a, 83b, Sf c und 83d nimmt zwei parallele N+-Emitterbereiche 8.5a-8^b, 8Ga-86b, 87a-87b bzw. 88a-88b auf (Fig. 3, 4 und o). Die Emitterbereiche 6^a und 86b sind in vergrößertem Maßstab in Fig. 4 p-ezeigt.

Aus dem vorstehenden ist zu erkennen, daß das Grenzschichtmuster nach Fig. 3 die Grundlage für die vier

BAD ORIGINAL

Thyristorelemente 64a, 64b, 64c und 64d nach Fig. 9 bildet und die Parallelschaltung dieser Elemente ermöglicht.

Das den Thyristor 64b bildende Thyristorelement ist in
den Fig. 4 und 6 gezeigt und wird im folgenden beschrieben. Die Thyristor-Basis besteht aus dem aktiven P-Bereich 83b, der die parallelen Emitterbereiche 86a und 86b enthält. Der Thyristor-Anodenbereich besteht aus den
Anodenbereichsfingern 81a und 81b, die symmetrisch den
Basisbereich 83b umschließen. Der Thyristorhauptteil besteht aus dem N(—)-Bereich 80. Die Basis ist weiterhin
fast vollständig von dem Hilfsschleifenbereich 82b umgeben, der den vorstehend beschriebenen Nutzen bringt, daß er den Auffangwirkungsgrad vergrößert. Das neuartige
Grenzschichtmuster ermöglicht weiterhin die Parallelschaltung der Anzahl von Thyristoren auf dem Halbleiterplättchen.

Bei der Ausbildung des dargestellten Grenzschichtmusters betrug der seitliche Abstand zwischen den aufeinander gerichteten Kanten der Basisbereiche 83a, 83b, 83c und 85d und der jeweils benachbarten Anodenfinger 81a, 81b und
8ic (und der äußeren Anodenschenkel 8id und 8ie) ungefähr 105 Mikron. Die Tiefe jedes der Bereiche vom P-Leitfähigkeitstyp betrug ungefähr 4 Mikron. Jeder der Basisbereiche 83a, 83b, 83c und 83d hatte eine Länge von ungefähr
1,016 mm (40 Mil) und eine Breite von ungefähr 75
Mikron.

Während der Ausbildung der verschiedenen P-Bereiche wird vorzugsweise ein weiterer Schutzring 90 vom

BAD ORIGINAL

P-Leitfähigkeitstyp (Fig. 2 und 5) um den Umfang des Halbleiterplättchens herum ausgebildet. Der Ring 90 weist von dem Außenumfang der Anode 8ie vom P+-Leitfähigkeitstyp einen Abstand von ungefähr 38 Mikron auf.

Während der Ausbildung der verschiedenen Grenzschichten werden, wie dies in den Fig. 3 und 4- gezeigt ist, N(+)-Source(Quellen)- und Drain(Senken)-Bereiche 9ia-9ib, 92a-92b, 93a-93b und 94a-94-b für die Steuer-MOSFETs 76, 77» 78 bzw. 79 in Fig. 9 ausgebildet. Diese Bereiche werden in dem vergrößerten inaktiven Bereich 82 vom P-Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Wie dies in Fig. U- für den Fall des Steuer-MOSFETs 77 gezeigt ist, werden ein geeignetes Gate-Oxid mit einer Dicke von ungefähr 0,1 Mikron und eine (nicht gezeigte) Polysilicon-Gate-Elektrode über dem Spalt zwischen den Bereichen 92a und 92b angeordnet. Ein extrem dünnes Oxid kann für die Steuer-MOSFETs verwendet werden, weil sich das Gate auf dem Potential des Knotens zwischen den Kondensatoren 60 und 61 und des Kondensators 75 befindet. Damit ist die Potentialdifferenz zwischen den Gate-Elektroden der Steuer-MOSFETs und der Kathode der Hauptthyristoren sehr niedrig. Die Transistoren 76 bis 79 können daher Transistoren mit sehr hoher Verstärkung sein.

Der Source-Bereich 92a ist mit der inaktiven Basis verbunden, während der Drain-Bereich 92b elektrisch mit dem Thyristor-Ba -isbereich 83b über den leitenden Streifen (Fig. 4 und 6) verbunden ist. Der Streifen 95 besteht vorzugsweise aus Metall. Eine ähnliche Anordnung ist für jedes der Thyristorelemente vorgesehen, wobei ein leitender Streifen die Basisanschlüsse 8$a, 83b, 83c und 83d

BAD ORIGINAL

•3*3-4 5 4 A 9

mit Steuer-MOSFET-Source-Elektroden 91b, 92b, 93b bzw. 94-b verbindet. Die leitenden Streifen sind dann alle miteinander beispielsweise durch einen Polysilizium-Verbindungsstreifen verbunden, der teilweise schematisch in Fig. 4- durch die gestrichelte Linie 95a dargestellt ist.

Die Kondensatoren 60 und 61 sind ebenfalls in dem inaktiven P-Bereich 82 ausgebildet, wie dies in Fig. 7 für den Kondensator 60 gezeigt ist. Der Kondensator 60 ist durch Abscheiden einer Metallschicht oberhalb eines Bereichs der Basis 82 vom P-Typ ausgebildet, der von dem Halbleiterplättchen dadurch isoliert ist, daß man einen rechteckigen Ring 96 mit einen geeigneten Radius aufweisenden Ecken und aus dem N(—)-Material 80 die Halbleiterplättchen-Oberflache erreichen läßt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Metallschicht 60 über der thermischen Oxidschicht 97 liegt, um eine Feldplatte zu bilden.

Wie dies in Fig. 8 gezeigt ist, ist der Widerstand 70 ebenfalls in dem inaktiven Bereich 82 vom P-Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Gemäß Fig. 8 ist ein Polysilizium-Streifen 70a über der Oxid-Schicht 97 abgeschieden und mit einer abgeschiedenen Siliziumdioxid-Schicht 98 überzogen. Daher wird der Widerstand 70 aus einer Widerstandsmaterialschicht gebildet, die durch die Isolierschicht vollständig von dem Hauptteil des Halbleiterplattchens isoliert ist. Der Widerstand ist daher ein idealer Widerstand, der frei von irgendwelchen parasitären Wechselwirkungen mit anderen Schaltungsbauteilen ist. In der Schicht 98 werden dann öffnungen ausgebildet und es werden Widerstandsanschlußverbindungen 99 und 100 an den

BAD ORIGINAL

3*

Widerstand hergestellt. Diese AnschluBverbindungen sind in geeigneter Weise mit der Thyristor-Kathode und mit den Source-Elektroden der Steuer-MOSFETs 76, 77, 78 und 79 verbunden.

Die obere Oberfläche des in den Fig. 5 und 6 gezeigten Halbleiterplättchens wird weiter bearbeitet, um die gewünschte Metallisierung zu erzielen. Vor der Metallisierung befindet sich ein geeignetes thermisches Oxid 110 an seinem Platz oder es wird auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht, und zwar mit einer Stärke von ungefähr 1 Mikron. Nach üblichen Masken- und Ätzschritten werden die Metalle in der erforderlichen Folge aufgebracht. Die obere Oberfläche wird dann mit einem abgeschiedenen Oxidüberzug 111 überzogen, der irgendeine gewünschte Dicke aufweisen kann.

Neuartige Polysilizium-Feldplatten 112 und 113 werden auf dem thermischen Oxid 110 abgeschieden. Es sei darauf hingewiesen, daß alle Polysilizium-Streifen oder -Schichten in irgendeiner gewünschten Folge abgeschieden werden.

Die Feldplatte 112 ist eine langgestreckte sinusförmige Platte, die oberhalb der Grenzschicht zwischen dem P(+)-Anodenbereich 81 und dem N(—)-Bereich 80 angeordnet ist und deren Pfad folgt. Die Feldplatte 113 ist in gleicher Weise eine- langgestreckte sinusförmige Platte, die einem der Platte 112 parallelen Pfad folgt und über der Grenzschicht zwischen den Hilfsbereich 82 und dem außenlie-cenden N(—)-Bereich 80 liegt.

Zu dem Zeitpunkt, zu dem die Feldplatten 112 und 113

BAD ORIGINAL

abgeschieden werden, kann außerdem ein äußerer Äquipotentialring 115 (Fig. 5) uin den Außenumfang des Halbleiterplättchens herum angeordnet werden. Der ^ing 115 ist mit dem Substrat 80 in der üblichen Weise verbunden.

Die Feldplatten 112 und 113 und der Ring 115 können jeweils eine Breite von ungefähr 20 Mikron aufweisen. Der Schutzringbereich 84 kann eine Breite von ungefähr 8 Mikron aufweisen und ist in der Mitte zwischen den gegenüberliegenden Kanten der Platten 112 und 113 angeordnet, wobei diese Kanten einen Abstand von ungefähr 44 Mikron aufweisen. In ähnlicher Weise liegt der Bereich 90 vom P-Leitfähigkeitstyp (Fig. 5) in der Mitte zwischen den Platten 112 und 115» deren Kanten einen Abstand von ungefähr 44 Mikron aufweisen.

Die Anoden-Elektrode 51 wird dann in der gezeigten Weise ausgebildet und steht mit dem Anoden-Bereich 81 vom P-Leitfähigkeitstyp in Eingriff, wie dies in den Fig. 2 und 6 gezeigt ist. Weiterhin wird die Kathoden-Elektrode ^O in der in den Fig. 2, 5 und 6 gezeigten Weise gebildet.

Der laterale Thyristor nach den Fig. 2 bis 9 wird durch Strahlung von der Leuchtdiode 45 (Fig. G und 9) eingeschaltet, die so angeordnet ist, daß sie die freiliegende Oberfläche des Halbleiterplättchens beleuchtet. Weil das Halbleiterplättchen äußerst empfindlich ist, ist die Größe, die Lei. t;ung oder Lage der Leuchtdiode 45 nicht kritisch.

Die anhand der Fig. 2 bis 8 beschriebenen Muster bilden

BAD ORIGINAL

die elektrische Schaltung gemäß Fig. 9 und stellen eine Hälfte des Festkörper-Relais dar, das weiter unten beschrieben wird. Das Einschalten des Thyristors wird gegen eine Zündung durch kurzzeitige Impulse ohne Vorhandensein von Licht verriegelt. Die Spannungsteilung, die zwischen den Kondensatoren 60-61 und 75 erreicht wird, legt ein Spannungsfenster fest, in dem ein Einschalten möglich ist. Von Bedeutung ist hierbei, daß der kapazitive Spannungsteiler eine sehr niedrige Gate-Spannung für die Steuertransistoren und einen sehr niedrigen Funktions-Leckstrom ermöglicht. Die Kondensatoren ergeben weiterhin eine Abschirmung gegenüber einfallendem Licht oder Strahlung.

Der neuartige laterale Thyristor nach den Fig. 2 bis 8 kann mit Hilfe irgendeines gewünschten Verfahrens hergestellt werden. Das Bauteil ergibt eine maximale effektive stromführende Fläche zwischen dem Anodenbereich 81 und dem Basisbereich 83 für eine vorgegebene Fläche des HaIbleiterplättchens. Die Grenzschichtmuster-Form ist weiterhin so ausgebildet, daß sie den Durchlaßspannungsabfall in einem größtmöglichen Ausmaß verringert, während gleichzeitig eine hohe Lichtempfindlichkeit aufrechterhalten wird, damit die Leuchtdiode 45 nicht kritisch ist.

Ein wesentliches Merkmal der neuartigen Geometrie besteht in den neuartigen Hilfsbereichen 82a, 32b, 82c und S-d vom P-Leitfähigkeitstyp, die schleife: iörmig um .jeden Basisbereich 83a, 83b, 83c bzw. 83d herumlaufen. Diese Geometrie ermöglicht es, alle N(+)-Kathoden miteinander zu verbinden. Damit sind die Bereiche 82a, 82b, ^::'c und

BAD ORIGINAL

82d und der Hauptbereich 82 Bereiche konstanten Potentials, in die alle Thyristorbasen eingebettet sind. Durch Aufspreizen in dem Bereich 82 an den Enden der Basen steht eine große Fläche für die Metallisierung zur Parallelverbindung der Bereiche zur Verfügung.

Vorzugsweise wird eine widerstandsbehaftete Verbindung von der Kathode 50 zu den Schleifen 82a, 82b, 82c und 82d hergestellt, beispielsweise durch Verwendung von mit Abstand angeordneten punktförmigen Verbindungen, die schematisch als Verbindungspunkte 120 in Pig. 4- gezeigt sind und sich über die Länge der Schleife 82b vom P-Leitfähigkeitstyp erstrecken. Die Verbindung kann außerdem durch einen kurzen Kontaktstreifen 121 gemäß Pig. 4 hergestellt werden. Durch die Verwendung einer widerstandsbehafteten Verbindung zwischen den Hilfsschleifen und der Kathoden-Elektrode 50, wie es in den Fig. 4- und 6 gezeigt ist, werden Träger, die von den Anodenbereichen 81a und 81b während des Einschaltens des Bauteils injiziert werden, in Richtung auf die Emitterbereiche 86a und 86b bewegt, statt daß sie von den Hilfsbereichen 82a, 82b, 82c und 82d aufgefangen werden. Dies vergrößert den Sammelwirkungsgrad des Emitters und verringert wesentlich den Durchlaßspannungsabfall des Bauteils. Beispielsweise wurde durch die Herstellung der widerstandsbehafteten Verbindung zwischen den Hilfsschleifenbereichen und der Kathode 50 der Durchlaßspannungsabfall bei einem Durchlaßstrom von 1,5 A von ungefähr 1,4-5 V auf ungefähr 1,15 V verringert. Dies führt zu einer wesentlichen Verringerung der Verlustleistung während des leitfähigen Zustands.

BAD ORIGINAL

Während der Herstellung und Fertigbearbeitung des Bauteils nach den Fig. 3 bis 6 werden der Anodenbereich 81 und alle seine Segmente vorzugsweise stark dotiert, verglichen mit der Dotierung der Bereiche 82, 83 und 8^ vom P-Leitfähigkeitstyp. Beispielsweise kann der Anodenbereich 81 bis zu einem Punkt dotiert werden, bei dem er einen spezifischen Widerstand von 50 Ohm pro Quadrat hat, verglichen mit den 1600 Ohm pro Quadrat für die Bereiche 82, 83 und 84. Dies egt eine hohe Verstärkung und damit eine hohe Lichtempfindlichkeit für den sich in natürlicher Weise ergebenden lateralen Thyristor fest, der aus den Bereichen 81, 80 und 83 besteht. Weiterhin wird durch stärkere Dotierung des Anodenbereichs der Durchlaßspannungsabfall des Bauteils verringert.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung liegt in der Steuerung der Dotierung der Emitterbereiche, wie beispielsweise der Bereiche 86a und 86b nach den Fig. 3 und 6, derart, daß die Konzentration vom N-Leitfähigkeitstyp an der Oberfläche des Bauteils einen optimalen Wert von

20 20

1 x 10 bis 6 χ 10 Phosphorionen/ccm aufweist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß Phosphor durch eine dünne Oxid-Schicht während der Bildung der Bereiche 86 eindiffundiert wird oder daß eine Sreuerung der verschiedenen Gasströmungen während des Diffusionsvorganges vorgenommen wird. Durch die Verringerung der Konzentration vom N-Leitfähigkeitstyp an der Oberfläche der Bereiche 86 wird der Injektionswirkungsgrad des Bauteils vergrößert, wodurch der Durchlaßspannungsabfall weiter verringert wird und die Empfindlichkeit des Bauteils für ein Einschalten durch Photonen von der Leuchtdiode ^5 beträchtlich vergrößert wird.

BAD ORIGINAL

In Fig. 10 ist ein. Schaltbild einer Ausführungsform eines vollständigen Wechselspannungsrelais gezeigt. Das Relais nach Fig. 10 verwendet zwei identische Thyristoren 210 und 211, die zueinander anti-parallelgeschaltet sind und zwischen zwei Netzwechselspannungs-Leistungsanschlüsse 212 bzw. 213 eingeschaltet sind. Die schematisch dargestellten Thyristoren 210 und 211 sind jeweils von dem in den Fig. 1 bis 9 gezeigten Typ und mit Gate-Schaltungen versehen, die schematisch durch die Gate-Anschlüsse 216 bzw. 217 dargestellt sind. Das Thyristor-Halbleiterplättchen 210 weist auf seiner oberen Fläche das Anoden-Elektrodenkissen 220 und das Kathoden-Elektrodenkissen 221 auf, während das Halbleiterplättchen 211 ein identisches Anodenkissen 222 und ein Kathodenkissen 223 aufweist (Fig. 11).

Die Thyristoren 210 und 211 sind elektrisch derart miteinander verbunden, daß die Anode 220 des einen Thyristors mit der Kathode 223 des anderen Thyristors und die Anode 222 des einen Thyristors mit der Kathode 221 des anderen Thyristors verbunden ist. Entsprechend sind die Halbleiterbauteile in der in Fig. 10 gezeigten antiparallelen Beziehung miteinander verbunden.

Eine einzige Leuchtdiode 225, die ein übliches im Handel erhältliches Gallium-Aluminium-Arsenid-Bauteil mit Anschlüssen 226 und 227 gemäß Fig. 10 sein kann, ist derart angeordnet, daß sie in der noch zu beschreibenden Weise die lichtempfindlichen Oberflächen der Halbleiterplättchen 210 und 211 beleuchtet, um ein Einschalten der Halbleiterplättchen zu ermöglichen, sofern die anderen Schaltungsbedingungen passend sind. Zwischen dem

BAD

Eingangskreis, der mit den Anschlüssen 226 und 227 verbunden ist, und dem Vechselspannungsleistungskreis. der mit den Anschlüssen 212 und 213 verbunden ist, wird eine gute elektrische Isolation ausgebildet.

Identische Steuerschaltungen, wie sie weiter oben beschrieben wurden, sind zur Steuerung des Einschaltens der Thyristoren 210 bzw. 211 vorgesehen und schließen jeweilige MOSFET-Transistoren 230 und 231, Zener-Dioden 232 und 233» Widerstände 234 und 235 und Kondensatoren 236 und 237 ein. Die Kondensatoren 23u und 237 dienen ähnlich wie die Kondensatoren 60 und 61 nach Fig. 9 als ein Bauteil von jeweiligen kapazitiven Spannungsteilern. Das zweite Bauteil der kapazitiven Spannungsteiler besteht aus der verteilten Kapazität 238 und 239 der MOSFET-Transistoren 230 bzw. 231·

Die Schaltungsbauteile 230 bis 239 könnten als diskrete Bauteile ausgeführt sein. Vorzugsweise sind jedoch diese Bauteile mit den Halbleiterplattchen, die die Thyristoren 210 und 211 bilden, integriert ausgeführt, wie dies anhand der Fig. 1 bis 9 beschrieben wurde.

Die Transistoren 230 und 231 sind mit den Gate-Elektroden 216 und 217 der Thyristoren 210 bzw.211 verbunden. Solange die Transistoren 230 und 231 leiten oder durchgeschaltet sind, kann die Beleuchtung der Oberflächen der Bauteile 210 und 211 durch die Leuchtdiode 225 das Sauteil nicht einschalten. Die Transistoren 230 und 231 schalten ein, wenn ihre jeweiligen Gate-Elektroden 2^0 und 241 in geeigneter Weise auf eine geeignete Schwellwertspannung V,, aufgeladen sind. Entsprechend leiten,

BAD ORIGINAL

wenn die Knoten 242 und 243 die Einschalt-Schwellwertspannung der Transistoren 230 und 231 erreichen,und wenn eine ausreichende Drain-Source-Spannung vorhanden ist, die Bauteile und klemmen die jeweiligen Gate-Elektroden 216 und 217 der Thyristoren 210 und 211.

Die Spannung an jedem der Knoten 242 und 243, die mit Vq bezeichnet wird, ist:

^V0 = ^VccV^(C1^+Cp⁾

In dieser Gleichung ist V₀^ die Spannung längs der An-

CC

Schlüsse 212 und 213» C die Kapazität der verteilten Kondensatoren 238 bzw. 239 und C_x. die Kapazität der Kondensatoren 236 bzw. 237.

Aus dem vorstehenden ist zu erkennen, daß die Spannung Vq an den Knoten 242 oder 243 größer als die Schwellwertspannung der Transistoren 230 und 231 ist, wenn die momentane Wechselspannung zwischen den Anschlüssen 212 und 213 positiver oder negativer ist als irgendein bestimmter "Fenster"-Wert. Entsprechend kJ.emmen die Transistoren 23O und 231 die Thyristoren 210 und 211, wenn diese Fensterspannung überschritten ist. Diese Anordnung ermöglicht dann eine Nulldurchgangs-Detektorschaltung, ohne daß ein Widerstand erforderlich ist, der sich zwischen den Hauptanschlüssen des Bauteils erstreckt.

Die neuartige kapazitive Spannungsteilerschaltung ist auch für die Unterdrückung des Zündens der Bauteile und 211 aufgrund von schnell ansteigenden Impulsen

ORfGINAL

nützlich, wie beispielsweise von Störimpulsspitzen oder von Signalen mit einem hohen dV/dt-Wert. Derartige hohe Störimpulse mit kurzer Dauer legen eine ausreichend hohe Spannung längs der parasitären oder Streu-Kapazitäten 23ö und 239 an, damit die Transistoren 230 bzw. 231 einschalten und den jeweiligen Thyristor klemmen. Entsprechend wird der Thyristor nicht aufgrund solcher schnell ansteigender Störimpulse gezündet.

Bei relativ langsam ansteigenden Impulsen, wie sie beispielsweise durch stark induktive Lasten hervorgerufen werden, die mit den Relaisanschlüssen 212 und 213 verbunden sind, sind diese Impulse nicht ausreichend schnell, um die Steuertransistoren einzuschalten und damit in unerwünschter Weise die Thyristoren 210 und 211 zu klemmen, so daß ein Einzelphasenbetrieb oder ein Prellen des Relais bei stark induktiven Lasten vermieden wird. Es sei weiterhin darauf hingewiesen, daß dies erreicht wird, ohne daß es erforderlich ist, die optische Empfindlichkeit des Bauteils zu verringern. Die Thyristoren 210 und 211 können daher so ausgebildet werden, daß sie eine optimale optische Empfindlichkeit für den Zündvorgang aufweisen, ohne daß die Gefahr eines fehlerhaften Betriebs durch relativ langsam ansteigende vorübergehende Impulse besteht.

Ein weiterer Vorteil der Schaltung nach Fig. 10 besteht in der Konstruktion der Widerstände 234- und 235· Der Temperaturkoeffizient des Widerstandes ist gegen die Empfindlichkeit des jeweiligen Thyristors ausgeglichen. Das heißt, daß dann, wenn der Widerstand den üblichen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, es möglich sein

BAD ORIGINAL

würde, daß der Widerstand den zugehörigen gesteuerten Gleichrichter klemmt, wenn er heiß ist. Durch den Ausgleich des Widerstandsteraperaturkoeffizienten der Widerstände 234 und 235 kann diese Klemmwirkung jedoch vermieden werden.

Anhand der Fig. 11 bis 14 wird im folgenden eine Anordnung zur Aufnahme der Halbleiterplättchen 210 und 211 und der Leuchtdiode 225 nach Fig. 10 beschrieben. In den Fig. 11 und 12 ist ein keramischer Substratträger 260 gezeigt, der aus Aluminiumoxid bestehen kann, jedoch auch aus irgendeinem gewünschten elektrisch isolierenden thermisch leitenden Material bestehen kann. Beispielsweise kann die Aluminiumoxid-Platine 260 eine Stärke von 0,635 mm, eine Länge von ungefähr 22,9 mm und eine Breite von ungefähr 6,35 tnm aufweisen. Eine Vielzahl von Leiterbahnmustern ist auf einer Oberfläche des Substrats 260 ausgebildet, und zwar unter Einschluß von Leiterbahnen 261 biw 267· Jede dieser Leiterbahnen kann durch eine Goldplattierung auf dem Substrat gebildet sein, wobei die Goldplattierung eine Stärke von mehr als ungefähr 0,00381 mm aufweist. Jedes der Thyristor-Halbleiterplättchen 210 und 211 wird dann in geeigneter Weise auf leitende Kissen 265 bzw. 264 aufgelötet oder auf andere Weise befestigt, so daß die Leiterplättchen in guter thermischer Berührung mit dem Aluminiumoxid-Substrat 260 stehen. Jedes der Halbleiterplättchen 210 und 211 kann eine Größe von ungefähr 2,08 χ 2,95 mm für ein Bauteil typischer Größe aufweisen. Das Leuchtdioden-Halbleiterplättchen 225 ist mit einem Ende auf dem Leiterbahnmuster 262 befestigt.

BAD ORIGINAL

Die Halbleiterplattchen 210 und 211 sind so befestigt, daß ihre Anoden- und Kathodenleitungen allgemein mi-einander und mit einem Ende der Leiterbahnen 266 und 267 ausgerichtet sind. Entsprechend wird ein einziger Draht 270 in bequemer Weise zur elektrischen Verbindung der leitenden Kissen 223 des Thyristors 211 und 220 des Thyristors 210 und der Enden der Leiterbahn 2b7 verwendet. Dies kann mit Hilfe eines Heftverbindungsverfahrens von relativ einfacher Art erreicht werden, das sich aufgrund seiner Eigenart für automatische Hochgeschwindigkeitstechniken eignet. Entsprechend wird ein Heftverbindungskopf in einfacher Weise auf den Draht 270 niedergedrückt, um den Draht an drei mit Abstand voneinander angeordneten Punkten elektrisch zu befestigen, die der Lage der Kissen 223, 220 und dem Ende der Leiterbahn 2ü7 entsprechen. In ähnlicher Weise wird ein zweiter paralleler Draht 271 durch eine Heftverbindung mit den leitenden Kissen 222, 221 und dem Ende der Leiterbahn I."¹L-6 verbunden. Die Heftverbindung des Drahtes 271 ist in den Fig. 11 und 12 gezeigt. Jeder leitende Draht 270 und 271 kann ein Aluminiumdraht mit einem Durchmesser von ungefähr 0,15 ^s sein.

Als Ergebnis dieser Verbindungen sind die Lei. tungsanschlüsse 212 und 213 mit den Thyristorbauteilen 210 und 211 in Fig. 11 in der in Fig. 10 gezeigten Weise verbunden, wobei die Thyristoren in anti-paralleler Beziehung zueinander geschaltet sind. Es sei bemerkt, daß, weil die Halbleiterplattchen 210 und ?ΛΛ außerdem ihre jeweiligen Steuerschaltungen enthalten, die ^teuerschaltunfen damit ebenfalls an ihrer Stelle mit Hilfe dieses einzigen Kei'tverbindungsvor^anges verbunden sin-i.

!AD ORIGINAL

Wie dies gezeigt ist, ist die Leuchtdiode 225 über einem Ende der Leiterbahn 262 angeordnet, die mit einem Anschluß 226 verbunden ist. Die andere Elektrode der Leuchtdiode 225 ist elektrisch über einen Draht 280 mit einem Ende der Leiterbahn 261 verbunden. Der Draht 280, der eine Anschlußleitung der Leuchtdiode 225 sein kann, ist mit dem Ende der Leiterbahn 261 auf irgendeine gewünschte Weise verbunden.

Die Leiterbahn 261 ist dann elektrisch mit der mit Abstand angeordneten Leiterbahn 263 entweder durch eine direkte KurzSchlußverbindung durch einen Draht 281 oder über einen Widerstand 282 verbunden. Die Auswahl des Kurzschlußdrahtes 281 oder des Widerstandes 282 hängt von der an den Anschlüssen 226 und 227 zur Verfügung stehenden Leistung und von der Charakteristik der Leuchtdiode 225 ab. Die Drähte 280 und 281 können Golddrähte mit einem Durchmesser von ungefähr 0,0254- mm sein. Es ist zu erkennen, daß die Anschlüsse 212, 213, 226 und 227 sich derart vom Umfang des Substrats 260 aus erstrecken, daß sie eine Halbleiterpackung vom Dual-in-line-Anschlußstift-Typ bilden.

Eine optische Kappe oder ein Gehäuse 291 wird dann über die Leuchtdiode 225 und die Thyristoren 210 und 211 aufgesetzt und umschließt den Bereich, der in Fig. 11 durch die gestrichelte Linie 290 angedeutet ist. Diese Kappe ist in den Fig. 13 und 14 als Kappe 291 gezeigt und kann aus irgendeinem gewünschten reflektierenden Kunststoffmaterial bestehen, das in der Lage ist, die Temperaturen auszuhalten, die während des Betriebs des Bauteils auftreten. Ein weiß eingefärbtes Kunststoffmaterial wurde

BAD ORIGINAL

33454A9

verwendet. Das ausgewählte Kunststoffmaterial kann ein Disulfo-Kunststoff sein. Das Kunststoffmaterial ist vorzugsweise weiß, so daß Licht von den Innenoberflächen, der Kappe reflektiert wird. Die Kappe kann auch aus einem geeigneten Silicon-Material, wie beispielsweise RTV, bestehen, dem Titanoxid-Pulver zugemischt wurde. Das Titsnoxid-Pulver bleibt in eindeutiger Weise in dem SiIi. on-Material in Dispersion. Diese Mischung kann in einem Ofen über ungefähr 15 min bei ungefähr 115 C ausgehärtet werden.

Die Kappe 291 weist eine geneigte Seitenfläche 292 oberhalb der Lage der Leuchtdiode 225 auf, wobei diese geneigte Kante Licht in Richtung auf den Bereich der HaIbleiterplättchen 210 und 211 reflektiert, wie dies in Fig. 13 zu erkennen ist.

Die Kappe 291 kann an ihrem Platz festgeklebt werden, wie dies in Fig. 13 gezeigt ist, oder sie kann so ausgebildet sein, daß sie das Substrat überlappt und über die Kante des Substrats einrastet. Ein klares Silicon-Material wird dann in das Innere der Kappe 292 über die Füllbohrungen 293 und 294 nach den Fig. 13 und 14 eingeleitet, um alle Halbleiterplättchen 225, 210 und .11 sowie ihre Anschiußleitungen einzukapseln, während .iie Beleuchtung von der Leuchtdiode 225 die lichtempfindlichen Oberflächen der Thyristor-Halbleiterplättchen 210 und 211 erreichen kann.

Nachdem die Kappe 291 an ihrem Platz befestigt und mit Silicon gefüllt wurde, kann das gesamte Substrat 260 zusammen mit der Kappe 291 in einem Arischlußrahnen

BAD ORIGINAL

befestigt werden, der die Anschlüsse 212, 213, 226 und 227 ergibt. Das Bauteil kann dann vollständig in einem angefortnten Gehäuse angeordnet werden, das beispielsweise durch einen Übertragungs-Formvorgang oder dergleichen gebildet werden kann. Die Anschlüsse 212, 213, 226 und erstrecken sich von dieser Halbleiterpackung,um eine Dual-in-line-Halbleiterpackung mit relativ geringer Größe und geringem Volumen zu bilden. Das Bauteil kann dennoch eine dauernde Strombelastung von 1 1/2 A oder mehr bei Spannungen von 240 V Wechselspannung aushalten.

BAD ORIGINAL

Claims (31)

1. : "*:·' : / :"": · /-33 45U9 Patentanwälte —'" DTpT.-Ing. Curt Wallach

   Europäische Patentvertreter Dipl.-Ing. Günther Koch

   European Patent Attorneys Dlpl.-Phys. Dr.Tino Haibach

   Dipl.-Ing. Rainer Feldkamp

   D-8000 München 2 · Kaufingerstraße 8 · Telefon (0 89) 2 60 80 78 · Telex 5 29 513 wakai d

   Datum:

   Unser Zeichen: 17 833 P/Nu

   Patentansprüche

   Festkörper-Wechselspannungsrelais mit ersten und zweiten Thyristoren, die jeweilige Anoden- und Kathoden-Elektroden und einen jeweiligen Gate-Kreis aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Thyristor (210, 211) in einem getrennten jeweiligen ersten und zweiten Halbleiterplättchen ausgebildet und vom Typ mit lateraler Leitfähigkeit ist, daß die Anoden- und Kathoden-Elektroden (220 bis 223) jedes Thyristors (210, 211) auf der gleichen ersten Oberfläche der ersten und zweiten Halbleiterplättchen angeordnet sind, daß die erste Oberfläche der ersten und zweiten Halbleiterplättchen optisch empfindlich ist, so daß die ersten und zweiten Halbleiterplättchen durch Beleuchten der einen Oberfläche angeschaltet werden können und Strom leiten, daß das Festkörper-Wechselspannungsrelais weiterhin eine Leuchtdiode (225) zur Beleuchtung der ersten Oberflächen bei ihrer Ansteuerung, zwei Wechselspannungsanschlüsse (212, 213), mit denen die Anoden- und Kathoden-Elektroden (220 bis 223) der ersten und zweiten Thyristoren in anti-paralleler Beziehung

   ■334544a

   zueinander verbunden sind, zwei Steueranschlüsse (226, 227)» die von den Wechselspannungsanschliissen (212, 213) isoliert sind und mit der Leuchtdiode (225) gekoppelt sind, sowie erste und zweite Steuerschaltungen (23O, 240) aufweist, die mit den Gate-Kreisen der ersten bzw. zweiten Thyristoren (210, 211) verbunden sind und den ersten bzw. zweiten Gate-Kreis klemmen, um ein Zünden der ersten und zweiten Thyristoren (210, 211) zu verhindern, wenn die Spannung zwischen den beiden Wechselspannungsanschlüssen (212, 213) einen vorgegebenen Wert überschreitet, und die die ersten und zweiten Gate-Kreise bei Auftreten von kurzzeitigen Impulsen klemmen, die einen Wert von dV/dt aufweisen, der größer als ein vorgegebener Wert ist.
2. 2. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Steuerschaltung einen ersten bzw. einen zweiten Transistor (240, 241) einschließt, daß jeder Transistor einen Ausgangskreis und einen Transistor-Steuerkreis aufweist, der betätigbar ist, um den jeweiligen Steuerkreis zwischen einem leitenden und einem nicht-leitenden Zustand zu schalten, daß erste und zweite kapazitive Spannungsteiler (236 bis 239) vorgesehen sind, daß die ersten und zweiten Transistor-Ausgangskreise zwischen dem Gate-Kreis und der Anoden-Elektrode des zugehörigen der ersten und zweiten Thyristoren (210, 211) derart eingeschaltet sind, daß, wenn der erste oder zweite Transistor-Ausgangskreis leitend ist, der jeweilige der ersten oder

   BAD ORIGINAL

   zweiten Thyristoren nicht bei einer Beleuchtung seiner ersten Oberfläche zünden kann, daß die ersten und zweiten kapazitiven Spannungsteiler längs der beiden Wechselspannungsanschlüsse (212, 213) angeschaltet sind und zwischen den Kondensatoren jeweilige Knoten (242, 243) aufweisen, die mit dem Steuerkreis des jeweiligen Steuertransistors derart verbunden sind, daß die Spannung an den Knoten den jeweiligen Transistor leitend macht, solange wie die Spannung zwischen den beiden WechselspannungsanSchlüssen einen vorgegebenen Wert überschreitet, um ein Einschalten des jeweiligen der Thyristoren zu verhindern, wenn die Wechselspannung eine vorgegebene Fensterspannung überschreitet, und daß schnell ansteigende Störimpulse die Transistoren für ihre Dauer einschalten, um ein Einschalten der Thyristoren durch kurzzeitige, einen hohen Wert von dV/dt aufweisende Impulse zu verhindern.
3. 3. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Steuerschaltungen (230» 231) weiterhin erste bzw. zweite Zener-Dioden (232, 233) einschließen, die zwischen den Knoten (2^-2, 243) des ersten bzw. zweiten kapazitiven Spannungsteilers (236 bis 239) und der Anoden-Elektrode des ersten bzw. zweiten Thyristors (210, 211) eingeschaltet sind.
4. 4. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster bzw. ein zweiter Widerstand (234, 255)

   BAD ORIGINAL

   zwischen dem Gate-Kreis des ersten bzw. zweiten Thyristors (210, 211) und der Anoden-Elektrode des ersten bzw. zweiten Thyristors eingeschaltet ist.
5. 5. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Transistoren (240, 241) Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren sind und daß die Transistor-Steuerkreise den Gate-Kreis der Transistoren einschließen.
6. 6. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach Anspruch 5? dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kondensator (238, 239) ,jedes der ersten und zweiten kapazitiven Spannungsteiler (236 bis 23") durch die verteilte Kapazität des ersten bzw. zweiten Transistors (240, 241) gebildet ist.
7. 7· Festkörper-Wechselspannungsrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß ein elektrisch isolierendes, thermisch leitendes Keramiksubstrat (260) zur Befestigung der ersten und zweiten Halbleiterplattchen und der Leuchtdiode (225) vorgesehen ist, daß die ersten und zweiten Halbleiterplattchen und die Leuchtdiode an der gleichen Oberfläche des Substrats (260) befestigt und mit Abstand voneinander angeordnet sind, daß die optisch empfindlichen Oberflächen der ersten und zweiten Halbleiterplattchen von dem Substrat (260) fort gerichtet sind und daß die Leuchtdiode (225) sich an einer Position befindet, die eine

   BAD ORIGINAL

   Beleuchtung der ersten und zweiten Halbleiterplättchen durch Reflexion des abgegebenen Lichtes an reflektierenden Oberflächen (292) ermöglicht.
8. 8. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet , daß die erste Oberfläche jedes Halbleiterplättchens eine Grenzschichten aufnehmende Oberfläche mit einem ersten Leitfähigkeitstyp bildet, daß ein Anodenbereich (81) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und ein Basisbereich (83) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp jeweils in dieser Oberfläche ausgebildet und mit seitlichem Abstand voneinander angeordnet sind, daß ein Emitterbereich (86) des ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb des Basisbereichs (83) ausgebildet und vollständig in diesem enthalten ist und sich in diesem von der Oberfläche aus erstreckt, daß die Anoden- und Kathoden-Elektroden mit den Anoden- bzw. Emitterbereichen (81, 86) verbunden sind und daß der Anodenbereich (81) stärker dotiert ist als der Basisbereich (86), um den Durchlaßspannungsabfall zu verringern und die Lichtempfindlichkeit zu vergrößern.
9. 9. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die erste Oberfläche jedes Halbleiterplättchens eine Grenzschichten aufnehmende Oberfläche von einem ersten Leitfähigkeitstyp bildet, daß ein Anodenbereich (81) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und ein Basisbereich (83) des

   bAD ORIGINAL

   entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps jeweils in die Oberfläche hinein gebildet sind und einen lateralen Abstand voneinander aufweisen, daß ein Emitterbereich (86) des ersten Leitfähigkeitstyps innerhalb des Basisbereichs (83) ausgebildet und vollständig in diesem enthalten ist und sich in diesem von der Oberfläche aus erstreckt, daß die Anoden- und Kathoden-Elektroden mit den Anoden- bzw. Emitterbereichen verbunden sind und daß der Emitterbereich relativ schwach an der Oberfläche bis auf einen Pegel dotiert ist, der durch eine Diffusion durch eine dünne Oxidschicht hindurch erzielt würde, um die Strahlungsempfindlichkeit des lateralen Thyristors zum Einschalten bei einer Bestrahlung durch die Strahlungseinrichtungen zu vergrößern.
10. 10. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach einem der Ansprüche 8 und 9, gekennzeichnet durch einen Schutzring (84-) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, der in die Oberfläche hinein ausgebildet und zwischen den Anoden- und Basisbereichen (81, 83) mit Abstand von diesen angeordnet ist, wobei der Schutzring keinen Kontakt mit den Kathoden- und Anoden-Elektroden aufweist und elektrisch bezüglich dieser Elektroden schwimmt.
11. 11. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach einem der Ansprüche 1 bis 7t dadurch gekennzeichnet , daß die erste Oberfläche jedes Halbleiterplättchens eine Grenzschichten aufnehmende Oberfläche von einem ersten Leitfähigkeitstyp bildet,

    BAD ORIGINAL

    daß ein Anodenbereich (81) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und ein Basisbereich (83) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp jeweils in diese Oberfläche hinein ausgebildet und mit seitlichem Abstand voneinander angeordnet sind, daß ein Emitterbereich (86) vom ersten Leitfähigkeitstyp in dem Basisbereich (83) ausgebildet und vollständig in diesem enthalten ist und sich in diesem von der Oberfläche aus erstreckt, daß die Anoden- und Kathoden-Elektroden mit den Anoden- bzw. Emitterbereichen verbunden sind und daß ein Hilfsbereich (82) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in der Oberfläche ausgebildet ist und einen seitlichen Abstand von dem Basisbereich (83) aufweist und diesen umgibt.
12. 12. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß der Basisbereich (83) eine langgestreckte Form aufweist und an der Oberfläche endet, daß der Emitterbereich (86) zumindest durch eine langgestreckte rechtwinklige Form gebildet ist, die in dem Basisbereich enthalten ist, und daß der Anodenbereich (81) ein fingerförmiges Muster aufweist, dessen Finger den Basisbereich (83) umhüllen.
13. 13- Festkörper-Wechselspannungsrelais nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen (120, 121), die eine widerstandsbehaftete Verbindung des Hilfsbereichs (82) mit der Kathoden-Elektrode bilden, vorgesehen sind.

    BAD ORIGINAL

    -3 3 A b 4 4 9
14. 14. Lateraler, optisch ziindbarer Thyristor mit einem Halbleiterplättchen, das eine Grenzschichten aufnehmende Oberfläche von einem ersten Leitfähigkeitstyp, einen Anodenbereich vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und einen Basisbereich vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, die jeweils in diese Oberfläche hinein ausgebildet sind und seitlich mit Abstand voneinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet , daß ein Emitterbereich (24) des ersten Leitfähigkeitstyps in dem Basisbereich (23) ausgebildet und vollständig in diesem enthalten ist und sich von der Oberfläche aus erstreckt, daß Anoden- und Kathoden-Elektroden (41, 40) mit den Anoden- bzw. Emitterbereichen (21, 24) verbunden sind, daß Strahlungseinrichtungen (45) zum Bestrahlen zumindest eines Teils der Oberfläche zum Einschalten des Thyristors vorgesehen sind und daß ein Hilfsbereich (2Ja) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in der Oberfläche ausgebildet ist, mit seitlichem Abstand von dem Basisbereich angeordnet ist und diesen umgibt.
15. 15. Thyristor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Anodenoereich (21) stärker dotiert ist als der Basisbereich (23), um den Durchlaßspannungsabfall zu verringern und die Lichtempfindlichkeit zu vergrößern.
16. 16. Thyristor lach Anspruch 14 oder 15» dadurch gekennzeichnet , daß der Emitterbereich (24) relativ schwach an der Oberfläche

    BAD ORIGINAL

    dotiert ist und eine Oberflächenkonzentration aufweist, die durch eine Diffusion durch eine dünne Oxidschicht erzielt werden würde.
17. 17· Thyristor nach einem der Ansprüche 14- bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzring (22) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in die Oberfläche hinein ausgebildet und zwischen den Anoden- und Basisbereichen (21, 23) mit seitlichem Abstand angeordnet ist, und daß der Schutzring (22) außer Kontakt mit den Kathoden- und Anoden-Elektroden ist und elektrisch bezüglich dieser Elektroden schwimmt.
18. 18. Festkörper-Wechselspannungsrelais nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterbereich (24·), der Basisbereich (2J) und der Schutzring (22) relativ dünne Bereiche mit sich über gleiche Strecken erstreckenden Teilen sind.
19. 19. Thyristor nach den Ansprüchen 14 bis 18, gekennzeichnet durch Einrichtungen, die eine widerstandsbehaftete Verbindung des Hilfsbereiches mit der Kathoden-Elektrode bilden.
20. 20. Optisch triggerbarer Thyristor mit einem Halbleitersubstrat von einem ersten Leitfähigkeitstyp, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (80) zumindest erste und zweite mit Abstand voneinander angeordnete parallele Basisbereiche (8Ja

    bis 83d) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, die sich in die Oberfläche des Substrats hineinerstrecken, daß jeweilige Etnitterbereiche (85a, 85b bis 88a, 88b) des ersten Leitfähigkeitstyps sich in die Oberfläche von zumindest ersten und zweiten parallelen Basisbereichen (83a bis 83d) erstrecken und vollständig innerhalb ihrer jeweiligen Basisbereiche enthalten sind, daß jeweilige langgestreckte Anodenbereiche (81a bis 8ie) vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sich in das Substrat hinein erstrecken und auf gegenüberliegenden langgestreckten Seiten der parallelen Basisbereiche (83a bis 83d) mit seitlichem Abstand von diesen angeordnet sind und sich zumindest über die Strecke dieser Basisbereiche erstrecken, daß ein Anodenkontakt mit den Anodenbereichen und ein Kathodenkontakt mit den Emitterbereichen verbunden ist, und daß Strahlungsgeneratoreinrichtungen (4-5) vorgesehen sind, die zur Erzeugung von Minoritätsträgern in dem Substrat ansteuerbar sind, die als Basisansteuerung wirken, um den Thyristor einzuschalten, wenn geeignete Vorspannungen an die Anoden- und Kathodenkontakte angelegt sind.
21. 21. Thyristor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die Anodenbereiche durch parallele langgestreckte Finger (81a bis 81c) gebildet sind, die sich von einem vergrößerten Bereich (81) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aus erstrecken, der sich in die Substratoberfläche hinein erstreckt und benachbart zu einem Ende der Basisbereiche angeordnet ist.

    BAD ORIGINAL
22. 22. Thyristor nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl von HiIfsbereichen (82a bis 82d) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps vorgesehen ist, die sich in die Substratoberfläche hinein erstrecken und schleifenförmig um die jeweiligen Basisbereiche (83a bis 83d) herum mit seitlichem Abstand von deren langgestreckten Seiten und an einem Ende dieser Basisbereiche angeordnet sind,und daß die Hilfsbereiche zwischen den Jeweiligen Basisbereichen und den langgestreckten, den Basisbereichen zugeordneten Anodenbereichen angeordnet sind.
23. 23· Thyristor nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß sich die Vielzahl von Hilfsbereichen (82a bis 82d) von einem vergrößerten Bereich (82) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps erstreckt, der benachbart zu einem Ende der Basisbereiche angeordnet ist.
24. 24. Thyristor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet , daß die langgestreckten Anodenbereiche und die Vielzahl von Basisbereichen voneinander durch einen kontinuierlichen langgestreckten serpentinenartigen Streifen des Materials des ersten Leitfähigkeitstyps getrennt sind.
25. 25· Thyristor nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet , daß ein Schutzring (84) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in der Mitte des langgestreckten serpentinenformigen

    Streifens angeordnet ist und sich über die gleiche Strecke und in die Substratoberfläche hinein erstreckt.
26. 26. Thyristor nach Anspruch 2^LV oder 25, dad .. r c h gekennzeichnet , daß erste und zweite Feldplatten vorgesehen sina, die mit Abstand voneinander angeordnet sind und oberhalb der gegenüberliegenden Kanten des langgestreckten serpentinenförmigen Streifens angeordnet sind und sich über die gleiche Länge erstrecken.
27. 27· Thyristor nach einem der Ansprüche 20 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß ein jeweiliger Steuertransistor (7b bis 79) für jeden der zumindest ersten und zweiten Basisbereiche vorgesehen ist, daß jeder Steuertransistor mit Abstand voneinander angeordnete Source- und Drain-Bereiche aufweist, die sich in die Oberfläche des Substrats hinein erstrecken und mit seitlichem Abstand von ihren jeweiligen Basisbereichen angeordnet sind, daß Kontakteinrichtungen (95) auf dem Substrat gehaltert sind und elektrisch jeden der Basisbereiche mit dem Drain-Bereich des jeweiligen Steuertransistors verbinden, daß die Drain-Bereiche jedes der Steuertransistoren mit dem Kathodenkontakt verbunden sind, daß jeweilige Gate-Isolationsschichten über dem Substrat in dem Raum zwischen den Source- und Drain-Bereichen jedes der Steuertransistoren angeordnet sind und daß Gate-Elektrodeneinrichtungen oberhalb jeder der Gate-Isolationsschichten angeordnet sind.

    BAD ORIGINAL
28. 28. Thyristor nach Anspruch 27» dadurch gekennzeichnet , daß erste und zweite Kondensatoren (75» 60, 71) auf dem Substrat ausgebildet sind» in Serie zwischen den Anoden- und Kathodenkontakten eingeschaltet sind und einen kapazitiven Spannungsteiler bilden, daß die Gate-Elektrodeneinrichtungen der Steuertransistoren mit dem Knoten zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren verbunden sind, daß die ersten und zweiten Kondensatoren derart bemessen sind, daß sie lediglich einen kleinen Bruchteil der Spannung zwischen den Anoden- und Kathodenkontakten zwischen die Gate-Elektrodeneinrichtungen und das Substrat anlegen, so daß die Gate-Isolationsschicht sehr dünn sein und eine Dicke in der Größenordnung von 0,1 Mikron aufweisen kann.
29. 29. Thyristor nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet , daß der erste Kondensator (75) durch eine verteilte Kapazität gebildet ist und daß der zweite Transistor (60, 61) aus einer Kondensator-Grenzschicht in dem Substrat und einer Kondensator-Elektrode oberhalb der Kondensator-Grenzschicht besteht und daß die Kondensator-Elektrode mit dem Anodenkontakt verbunden ist.
30. 30. Thyristor nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet , daß Zener-Diodeneinrichtungen (71) in dem Substrat ausgebildet sind und zwischen dem Knoten zwischen den ersten und zweiten Kondensatoren und der Kathoden-Elektrode angeschaltet sind.
31. 31. Thyristor nach einem der Ansprüche 27 bis ;0, dadurch gekennzeichnet, integrale Widerstandselemente (?0) vorgesehen sind, die längs der Source- und Drain-Bereiche jedes der Steuertransistoren angeschaltet sind, daß die Widerstandseinrichtungen einen Streifen aus polysilizium einschließen, der oberhalb eines vorgegebenen Bereichs des Substrats abgeschieden ist, daß eine Siliziumdioxid-Schicht zwischen dem vorgegebenen Bereich des Substrats und dem Streifen aus Polysi?-izium angeordnet ist, so daß der Widerstand elektrisch gegenüber parasitären Strömen in dem Substrat isoliert ist, daß sich erste und zweite Anschlüsse von mit Abstand angeordneten Punkten auf dem Polysilizium-Streifen erstrecken und daß der erste Anschluß mit jeder der Kontakteinrichtungen verbunden ist, die mit den Basen verbunden ist, während der zweite Anschluß mit dem Kathodenkontakt verbunden ist.

    COPY
    BAD ORIGINAL