DE2500384A1 - Pnpn-halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

pnpn-Halbleitervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine pnpn-Halbleitervorrichtung mit hoher Leistungsfähigkeit und hoher Betriebsfrequenz.

Die bisher bei Umformer- oder Umsetzervorrichtungen verwendeten Hochleistungs-Thyristoren sind auf eine Betriebsfrequenz von 5 kHz beschränkt. In letzter Zeit ergab sich jedoch ein Bedarf für Thyristoren mit einer höheren Betriebsfrequenz, z.B. einer solchen von 10 kHz. Zur Erhöhung der Betriebsfrequenz von Thyristoren auf 10 kHz oder mehr müssen diese Thyristoren folgende Eigenschaften besitzen:

1. Die Abschaltzeit sollte 10 Mikrosekunden oder weniger betragen,

2. Die Schaltverluste sollten niedrig sein. Genauer gesagt: Der Gesamtbereich sollte innerhalb einer sehr kurzen Zeitspanne in den Durchschaltzustand bringbar sein, wobei im Durchschaltzustand ein geringer Spannungsabfall vorhanden sein sollte.

Hochfrequenz-Thyrietoren der herkömmlichen Bauart mit Hauptthyristorabschnitt und Hilfsthyristorabschnitt werden

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in der Weise hergestellt, daß ihr Siliziumsubstrat mit einem Schwermetall, wie Gold (Au) o.dgl. dotiert wird, um die Lebensdauer der Träger zu verkürzen und dadurch die Sperr- oder Abschaltzeit, herabzusetzen. Bekanntlich bewirkt bei derartigen Thyristoren die Anlegung eines Gate-Triggerimpulses zunächst das Durchschalten des Hilfsthyristorabschnitts, worauf das Durchschalten des Hauptthyristorabschnitts erfolgt. Derartige Thyristoren erfordern daher im Vergleich zu den herkömmlichen Thyristoren ohne Hilfsabschnitt nur eine kurze Zeitspanne zum Durchschalten ihres Gesamtbereichs.

Bei der Herstellung der Thyristoren der genannten Art bewirkt jedoch die Verkürzung der Lebensdauer der Träger infolge der Diffusion eines Schwermetalls einerseits eine Erhöhung des Spannungsabfalls während des Durchschaltens und andererseits eine Erhöhung des Streustroms, so daß es schwierig ist, eine hohe Sperrzustandsspannung des Thyristors zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist es schwierig, die beiden vorstehend unter 1. und 2. aufgeführten Erfordernisse gleichzeitig zu erfüllen.

Eine bekannte Möglichkeit zur Verringerung der Abschaltzeit besteht zudem darin, den Hauptstromfluß durch einen Hochfrequenz-Thyristor durch Umkehrung einer an Anode und Kathode desselben anliegenden Spannung zu unterbrechen und anschließend eine Rückwärts- oder Gegenspannung an diese beiden Elektroden anzulegen, wodurch die Abschaltzeit erheblich verkürzt wird. Da diese Möglichkeit die Verkürzung der Abschaltzeit ohne Verringerung der Lebensdauer der Träger erlaubt, ist sie insofern höchst vorteilhaft, als nach dieser Möglichkeit Hochfrequenz-Thyristoren hergestellt werden können, welche den beiden vorgenannten Erfordernissen genügen. Hierbei iet es jedoch erforderlich, eine ausreichend

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große Gegenspannung an den betreffenden Übergang anzulegen. Selbst wenn die genannte Möglichkeit unmittelbar auf Hochfrequenz-Thyristoren der bekannten Bauart angewandt wird, ist es daher dabei unmöglich, eine Gegenspannung einer ausreichenden Größe über die Übergangszone anzulegen, so daß unzufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer zweckmäßigen und verbesserten pnpn-Halbleitervorrichtung, bei welcher die Abschaltzeit durch Anlegung einer Gegenspannung bzw. rückwärts gerichteten Spannung an Gate-Elektrode und Kathode besonders wirksam verkürzt werden kann.

Diese pnpn-Halbleitervorrichtung soll dabei sowohl hohe Leistungsfähigkeit und hohe Betriebsfrequenz als auch eine verkürzte Abschaltzeit besitzen.

Diese Aufgabe wird bei einer pnpn-Halbleitervorrichtung der genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch ein pnpn-Halbleitersubstrat mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, das eine Kathoden-Emitterschicht und eine Hilfsemitterschicht mit jeweils gleicher Leitfähigkeit, welche an der einen Hauptfläche angeordnet und voneinander getrennt sind, eine neben der Kathoden-Emitterschicht an der einen Hauptfläche angeordnete Kathoden-Basisschicht und eine an der anderen Hauptfläche vorgesehene Anoden-Emitterschicht aufweist, durch eine in ohmschem Kontakt mit der Anoden-Emitterschicht angeordnete Anode, durch eine in ohmschem Kontakt mit der Kathoden-Emitterschicht stehende Kathode, durch eine in ohmschem Kontakt mit der Hilfsmitterschicht stehende Hilfsemitterelektrode, durch eine in ohmschem Kontakt mit dem dicht an der Hilfsmitterschicht befindlichen Abschnitt der Kathoden-Basisschicht angeordnete Gate-Elektrode, durch mindestens eine Hilfselektrode, die mit dem

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2 B Π Π 3 8 U

neben der Kathode befindlichen Abschnitt der Kathoden-Basisschicht in ohmschem Kontakt steht, durch eine Halbleiter-Diode mit einer Halbleiterschicht, die durch den zwischen Kathoden-Emitterschicht und Hilfsemitterschicht befindlichen Abschnitt der Kathoden-Basisschicht gebildet und von der genannten Hilfselektrode getrennt ist, durch eine weitere, mit der Halbleiterschicht in ohmschem Kontakt stehende Elektrode und durch Mittel zur elektrischen Verbindung der weiteren Elektrode mit der Gate-Elektrode _o

Die Diode kann dabei vorzugsweise zwischen der Hilfselektrode und der Kathode angeordnet sein.

Außerdem kann die Diode zwischen zwei Hilfselektroden angeordnet sein, die mit der Kathoden-Basisschicht in ohmschem Kontakt stehen.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilschnitt durch einen Hochfrequenz-Thyristor gemäß dem Stand der Technik,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Strom- und Spannungswellenformen an verschiedenen Punkten der Konstruktion gemäß Fig. 1 bei Anwendung eines Verfahrens zur Anlegung einer Gegenspannung an Gate-Elektrode und Kathode,

Fig. 3 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung zur Erläuterung des Verfahrens der Anlegung einer Gegenspannung an Gate-Elektrode und Kathode der Konstruktion gemäß Fig. 1,

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Fig. 4 eine Teilschnittdarstellung eines Hochfrequenz-Thyristors mit Merkmalen nach der Erfindung,

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Abschaltzeit in Abhängigkeit von der Gegenspannung an Gate-Elektrode und Kathode,

Fig. 6 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung einer Abwandlung der Erfindung und

Fig. 7 eine Fig. 4 ähnelnde Darstellung einer weiter abgewandelten Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein bereits verwendeter Hochfrequenz-Thyristor dargestellt, der eine Scheibe aus einem Halbleitermaterial mit einer Anoden-Emitterschicht 10, einer Anoden-Basisschicht 12, einer Kathoden-Basisschicht 14 und einer Kathoden-Emitterschicht 16 aufweist, die jeweils abwechselnde Leitfähigkeit besitzen und in der genannten Reihenfolge unter Bildung eines pnpn-Halbleitersübstrats mit pn-Übergängen- zwischen den benachbarten Schichten übereinander angeordnet sind, Die Kathoden-Emitterschicht 16 ist in einem vorbestimmten Abschnitt der Kathoden-Basisschicht 14 angeordnet, so daß sie an der einen Hauptfläche der Scheibe freiliegt. Eine Hilfsemitterschicht 18 vom gleichen Leittyp wie die Kathoden-Emitterschicht 16 ist in einem anderen vorbestimmten Abschnitt der Kathoden-Basisschicht 14 mit Abstand von der Schicht 16 so angeordnet, daß sie ebenfalls an der einen Hauptfläche der Scheibe freiliegt.

Weiterhin ist eine Anode 20 in ohmsehern Kontakt mit der Anoden-Emitterschicht 10 und mithin mit der anderen Hauptfläche der Scheibe angeordnet, während eine Kathode 22 in ohmschem Kontakt mit der Kathoden-Emitterschicht 16 und folg-

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lieh mit der ersten Hauptfläche der Scheibe angeordnet ist. Ein Hilfsemitter 24 steht in ohmsehern Kontakt mit der Hilfsemitterschicht 18, und eine Gate-Elektrode 26 ist in ohmschem Kontakt mit dem Abschnitt der Kathoden-Basisschicht 14 angeordnet, welcher sich an der von der Kathoden-Emitterschicht 16 entfernten Seite der Hilfsemitterschicht 18 befindet. Weiterhin ist eine Hilfselektrode 28 zwischen Gate-Elektrode 24 und Kathode 22 in ohmschem Kontakt mit der Kathoden-Basisschicht 14 angeordnet und elektrisch mit dem Hilfsemitter 24 verbunden.

Anode 20, Kathode 22 und Gate-Elektrode 26 sind an eine Anodenklemme A, eine Kathodenklemme K bzw. eine Gate-Klemme G angeschlossen.

Die Hilfsemitterschicht 18 und die darunter befindlichen Abschnitte der Schichten 14, 12 und 10 bilden einen Hilfsthyristorabschnitt mit dem Hilfsemitter 24 und dem unter ihm befindlichen Teil der Anode 20. Dieser Hilfsthyristorabschnitt ist in Fig. 1 mit a bezeichnet. Der restliche Teil der Konstruktion gemäß Fig. 1 bildet einen mit b bezeichneten Hauptthyristorabschnitt.

Bekanntlich wird bei der Anordnung gemäß Fig. 1 zunächst eine Gate-Triggerspannung an die Gate-Elektrode 26 angelegt, um den Hilfsthyristorabschnitt a in den Leit- oder Durchschaltzustand zu bringen, worauf der Hauptthyristorabschnitt b in den Durchschaltzustand versetzt wird, so daß die gesamte Konstruktion gemäß Fig. 1 leitend wird.

Die für das Durchschalten der Gesamtkonstruktion gemäß Fig. 1 nach Anlegung der Gate-Triggerspannung an die Gate-Elektrode erforderliche Zeitspanne ist im Vergleich zu einem Thyristor ohne den genannten Hilfsthyristorabschnitt ver-

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gleichsweise kurz. Die bekannten Hochfrequenz-Thyristoren wurden daher im allgemeinen mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 ausgeführt.

Zur Verkürzung der Abschaltzeit werden zudem die Scheiben aus dem Halbleitermaterial Üblicherweise mit einem Schwermetall, wie Gold, dotiert, um die Lebensdauer der (Ladungs-) Träger zu verringern. Diese Maßnahme führt zu einer Vergrößerung des Spannungsabfalls über Anode und Kathode während des Durchschaltens infolge einer Verkürzung der Trägerlebensdauer, was einerseits zu Schaltverlusten und andererseits zu einer Vergrößerung des Streustroms führt. Infolge der Vergrößerung des Streustroms ist es schwierig, eine hohe Sperrzustandsspannung der Hochfrequenz-Thyristoren zu gewährleisten. Aus diesem Grund ist es schwierig, gleichzeitig die eingangs unter 1. und 2. genannten Erfordernisse zur Erhöhung der Betriebsfrequenz auf z.B. 10 kHz oder mehr zu erfüllen. Beispielsweise wurde es bisher als unmöglich angesehen, Thyristoren mit einer Sperrzustandsspannung von 1000 V oder mehr eine Abschaltzeit von 10 Mikrosekunden oder darunter zu erteilen.

Außerdem ist es bekannt, den Hauptstromfluß durch den Thyristor durch Umkehrung der Spannung an seiner Anode und Kathode und anschließende Anlegung einer Rückwärts- oder Gegenspannung an Gate-Elektrode und Kathode des Thyristors zu unterbrechen. Diese Maßnahme führt tatsächlich zu einer Verkürzung der Abschaltzeit, und sie ist insofern äußerst vorteilhaft, als sich dabei den eingangs genannten Erfordernissen genügende Hochfrequenz-Thyristoren herstellen lassen, weil die Abschaltzeit ohne Verkürzung der Lebensdauer der Träger herabgesetzt werden kann.

Die genannte Maßnahme ist im folgenden anhand von Fig. 2

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kurz erläutert. Zum Zeitpunkt t^ wird eine Gate-Triggerspannung bzw. ein -Triggerimpuls mit der Wellenform (c) gemäß Fig. 2 an die Gate-Elektrode eines Thyristors angelegt, um letzteren durchzuschalten. Infolgedessen beginnt ein Hauptstrom mit der Wellenform (b) gemäß Fig. 2 über den Thyristor zu fließen, während die Spannung über Anode und Kathode des Thyristors auf die durch die Wellenform (a) in Fig. 2 angedeutete Weise variiert. Zum Zeitpunkt t₂ wird die Spannung an Anode und Kathode umgekehrt, um den Hauptstromfluß zu unterbrechen, wie dies in Fig. 2(a) und 2(b) angedeutet ist.

Nach der Unterbrechung des Hauptstromflusses wird eine Gegenspannung mit der gemäß Fig. 2 auf einen negativen Wert übergehenden Wellenform (c) während eines vorbestimmten festen Intervalls, welches den Zeitpunkt, zu welchem die Anlegung der Vowärtsspannung an Anode und Kathode des Thyristors eingeleitet wird, einschließt, an Gate-Elektrode und Kathode angelegt. Gemäß Fig. 2 erfolgt die Anlegung der Gegenspannung an die Gate-Elektrode während einer Zeitspanne zwischen dem Zeitpunkt t,, an welchem die Anodenspannung auf die Vorwärtsrichtung überzugehen beginnt, und einem Zeitpunkt te, an welchem die Anodenspannung ihre vorbestimmte positive Größe bereits erreicht hat. Die Anodenspannung durchläuft ihren Nullpunkt zu dem innerhalb des Intervalls (t, - te) liegenden Zeitpunkt t#_.

Es kann in Betracht gezogen werden, daß dann, wenn die herkömmlichen Hochfrequenz-Thyristoren die eingangs unter 1. und 2. genannten Erfordernisse erfüllen sollen, das vorstehend in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Verfahren auf Thyristoren mit dem Aufbau gemäß Fig. 1 angewandt wird_o Im folgenden ist nunmehr das Verhalten der Thyristorkonstruktion gemäß Fig. 1 anhand von Fig. 3 speziell in bezug auf das Intervall zwischen den Zeitpunkten t^ und t,- erläutert.

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Fig. 3 ist eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, in welcher die Widerstände und Ströme angegeben sind. Die dargestellte Anordnung weist eine Anoden-Emitterschicht 10 und eine Kathoden-Basisschicht 14 vom p-Leittyp sowie eine Anoden-Basisschicht 12, eine Kathoden-Emitterschicht 16 und eine Hilfsemitterschicht 18 vom n-Leittyp auf. Im folgenden sei angenommen, daß die Anoden-Basisschicht 12 infolge von Löchern bzw. Elektronenmangelsteilen, die Trägerreste darstellen, von einem Strom Ij, durchflossen wird.

Beim Fehlen einer an Gate-Elektrode 26 und Kathode 22 angelegten Gegenspannung, bei welcher erstere gegenüber letzterer negativ wird, werden die Elektronenmangelsteilen in der Anoden-Basisschicht 12 durch eine zum Zeitpunkt t. (Fig. 2) wieder an Anode 20 und Kathode 22 angelegte Vorwärtsspannung angezogen, welche die Anode 20 relativ zur Kathode 22 positiv werden läßt. Ein Teil des Stroms I_D fließt daher über den Übergang J zwischen Kathoden-Basisschicht 14 und -Emitterschicht 16, bis er die Kathode 22 erreicht. Dies führt zur Injektion von Elektronen aus der Kathoden-Emitterschicht 16 in die Kathoden-Basisschicht 14.

Das Ergebnis dieser Elektroneninjektion ähnelt der Anlegung einer Triggerspannung an die Gate-Elektrode 26, um den Thyristor in den Durchschaltzustand zu versetzen. Ungeachtet dessen, daß nach dem Zeitpunkt t^ keine Gate-Triggerspannung an die Gate-Elektrode angelegt wird, kann der Thyristor mithin durchgeschaltet und nicht mehr fähig sein zu sperren bzw. abzuschalten. Ersichtlicherweise wird somit die Abschaltzeit durch den Injektionswirkungsgrad am Übergang J stark beeinflußt.

Wenn jedoch an der Gate-Elektrode eine kleinere Spannung als diejenige an der Kathode anliegt, so daß über den Über-

gang J eine Gegenspannung einer ausreichenden Größe vorhanden ist, hindert diese Spannung den Strom I₀ daran, über den Übergang J zu fließen. Folglich fließt der Strom I^ längs der Pfeillinie gemäß Fig. 3» bis er an der Gate-Elektrode 26 abgenommen wird. Unter diesen Bedingungen wird ein Spannungsabfall über einen Flächenwiderstand des unter dem Übergang J befindlichen, mit R₁ bezeichneten Abschnitts der Kathoden-Basisschicht 14 hervorgerufen. Wenn dieser Spannungsabfall größer ist als die über den Übergang J angelegte Gegenspannung, wird an einen Teil des Übergangs J eine Vorwärtsspannung angelegt. Infolgedessen werden Elektronen aus der Kathoden-Emitterschicht 16 in die Kathoden-Basisschicht 14 injiziert. Unabhängig davon, daß keine Gate-Triggerspannung am Thyristor anliegt, kann dieser daher in den Durchschaltzustand gebracht werden. Zur Vermeidung dieses ungünstigen Zustande ist es erforderlich, an den Übergang J eine Gegenspannung einer ausreichenden Größe anzulegen.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht somit hervor, daß zur Verkürzung der Abschaltzeit von Thyristoren durch Anlegung einer Gegenspannung an ihre Gate-Elektrode und Kathode eine Gegenspannung ausreichender Größe an den Übergang J angelegt werden sollte.

Bei der in den Fig. 1 und 3 dargestellten herkömmlichen Konstruktion von Hochfrequenz-Thyristoren wird jedoch nur ein kleiner Teil einer über Gate-Elektrode und Kathode des Thyristors anliegenden Gegenspannung über den Übergang J angelegt. Dadurch wird zwar die Abschaltzeit etwas verkürzt, doch kommt die Wirkung der Gegenspannung bzw. der rückwärts gerichteten Spannung über Gate-Elektrode und Kathode nicht zufriedenstellend zur Geltung. Wie noch näher erläutert werden wird, wurde dieser Umstand durch Versuchsdaten belegt.

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Genauer gesagt, wenn eine Gegenspannung über Gate-Elektrode und Kathode angelegt wird, wird sie über den Übergang J zwischen Kathoden-Emitterschicht 16 und -Basisschicht 14 und über die Summe der Querwiderstände R^» R* und R. der Kathoden-Basisschicht 14 (vergl. Fig. 3) angelegt. Von diesen Widerständen wird der Widerstand R,, der eine ziemlich hohe Größe besitzt, durch einen Flächenwiderstand des tiefen Abschnitts der Kathoden-Basisschicht bestimmt. Dies bedeutet, daß ein ziemlich großer Anteil der Gegenspannung über den Widerstand R₃ wirkt. Bei der Konstruktion gemäß Fig. 3 kann daher die Gegenspannung nicht zufriedenstellend über den Übergang J angelegt werden, so daß die Abschaltzeit nicht ausreichend verkürzt werden kann.

Anhand der vorstehenden Ausführungen kann somit gesagt werden, daß die Möglichkeit der Anlegung einer Gegenspannung an Gate-Elektrode und Kathode eines Thyristors zwecks Verkürzung der Abschaltzeit bei Hochfrequenz-Thyristoren zwar wirksam ist, die unmittelbare Anlegung der Gegenspannung an Hochfrequenz-Thyristoren mit dem herkömmlichen Aufbau jedoch nicht zur Anlegung einer ausreichend hohen Gegenspannung über den vorhandenen Übergang J führt, so daß auch keine zufriedenstellende Wirkung erzielt wird.

Die Erfindung bezweckt die Schaffung der wirksamsten Konstruktion von pnpn-Halbleitervorrichtungen zur Verkürzung ihrer Abschaltzeit durch Anlegung einer Gegenspannung an ihre Gate-Elektrode und Kathode bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung der übrigen elektrischen Eigenschaften dieser Halbleitervorrichtung.

In Fig. 4, in welcher die den Teilen von Fig. 1 oder 3 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, ist ein Hochfrequenz-Thyristor mit Merkmalen nach der

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Erfindiong dargestellt. Die dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich nur darin von der Konstruktion gemäß Fig. 1 oder 3, daß in der Kathoden-Basisschicht 14 eine Halbleiterschicht 30 mit gegenüber der Schicht 14 entgegengesetzter Leitfähigkeit zwischen der Hilfsemitterschicht 18 und der Kathoden-Emitterschicht 16 vorgesehen ist, so daß sie mit dem benachbarten Abschnitt der Kathoden-Basisschicht 14 eine Halbleiter-Diode bildet, welche einen pn-übergang J¹ aufweist. Sodann ist zwischen Gate-Elektrode 24 und Hilfselektrode 28 eine Diodenelektrode 32 in ohmschem Kontakt mit der Halbleiterschicht 30 angeordnet. Die Gate-Elektrode 26 ist elektrisch mit der Diodenelektrode 32 verbunden, während die Hilfsemitterelektrode 24 gegenüber der Hilfselektrode 28 elektrisch isoliert ist.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 4 bewirkt die Anlegung einer Gegenspannung über Gate-Elektrode 26 und Kathode 22 eine Rückwärtsvorspannung des Übergangs J zwischen Kathoden-Basisschicht 14 und -Emitterschicht 16, während der Übergang J¹ zwischen der Halbleiterschicht 30 und der Kathoden-Basisschicht 14 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Mithin wird praktisch die gesamte Gegenspannung an Gate-Elektrode und Kathode über den Übergang J angelegt, so daß die Abschaltzeit ausreichend verkürzt wird.

Es wurden Versuche sowohl mit einem erfindungsgemäßen Prüfelement gemäß Fig. 4 als auch mit der herkömmlichen Konstruktion gemäß Fig. 1 oder 3 durchgeführt, indem zur Messung der Abschaltzeit dieser Elemente eine Gegenspannung über Gate-Elektrode und Kathode angelegt wurde. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in Fig. 5 dargestellt, in welcher die Abschaltzeit in Mikrosekunden auf der Ordinate in Abhängigkeit von einer Gegenspannung (in V) an Gate-Elektrode und Kathode auf der Abszisse aufgetragen ist. In Fig„ 5

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entsprechen die mit den kleinen Kreisen bezeichneten Meßwerte der erfindungsgemäßen Konstruktion, während die durch die Kreuzchen angegebenen Meßwerte für die bekannte Konstruktion gelten.

Aus Fig. 5 geht hervor, daß die erfindungsgemäße Konstruktion eine ausgezeichnete Verkürzung der Abschaltzeit gewährleistet. Beispielsweise kann zur Halbierung der Abschaltzeit eine Gegenspannung von etwa 10 V über Gate-Elektrode und Kathode angelegt werden, wobei die Abschaltzeit dann 10 Mikrosekunden oder weniger beträgt. Weiterhin ist experimentell belegt worden, daß die gleichen Versuchselemente in der Lage sind, sinusförmige Halbwellenströme mit Spitzenwerten von 600 - 700 A bei einer Betriebsfrequenz von 10 kHz zu leiten.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß es bei Anwendung der Konstruktion gemäß Fig. 4 möglich ist, Hochfrequenz-Thyristoren hoher Leistung zu realisieren, die eine Abschaltzeit von 10 MikroSekunden oder weniger und eine Betriebsfrequenz von 10 kHz oder mehr besitzen, während ihre restlichen elektrischen Eigenschaften unbeeinträchtigt bleiben.

Zur Bildung der Diode gemäß Fig. 4 unter Heranziehung des zwischen Hilfsemitterschicht 18 und Kathoden-Emitterschicht 16 befindlichen Abschnitts der Kathoden-Basisschicht 14 kann ein beliebiges der nachstehenden Verfahren angewandt werden: 1. Diffusion eines Fremdatoms, wie Phosphor (P) oder Arsen (As); 2. Epitaxialkristallwachstumj 3» Anwendung des Schottky-Übergangs (Metall-Halbleiter-Übergang) und 4. Legieren·

Es hat sich gezeigt, daß die nach einem der vorgenannten Verfahren gebildeten Dioden gemäß der Erfindung die vorstehend in Verbindung mit den Fig. 4 und 5 beschriebene Verkürzung der Abschaltzeit gewährleisten.

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In den Fig. 6 und 7, in denen den Teilen von Fig. 4 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, sind abgewandelte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt. Gemäß Fig. 6 ist die Diode in der Kathoden-Basisschicht 14 zwischen der Hilfsemitterelektrode 24 und der damit verbundenen Hilfselektrode 28 angeordnet. Gemäß Fig. stehen zwei Hilfselektroden 28 und 28' in ohmschem Kontakt mit der Kathoden-Basisschicht 14 zwischen Gate-Elektrode 24 und Kathode 22, wobei die Diode in der Kathoden-Basisschicht 14 zwischen den gemeinsam an die Hilfsemitterelektrode 24 angeschlossenen Hilfselektroden 28 und 28' angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, daß durch die Anordnungen gemäß den Fig. 6 und 7 die Abschaltzeit zufriedenstellend und wirksam verkürzt wird.

Obgleich vorstehend nur einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, , ohne daß vom Rahmen und Grundgedanken der Erfindung abgewichen wird. Anstelle der vorstehend beschriebenen, in Rückwärtsrichtung sperrenden Thyristoren ist die Erfindung beispielsweise gleichermaßen auf Halbleitervorrichtungen anwendbar, bei denen die Anoden-Emitterschicht über die Anode elektrisch mit der Oberfläche eines Abschnitts der Anoden-Basisschicht verbunden ist und welche als "in Rückwärtsrichtung leitende bzw. durchschaltende Thyristoren" bezeichnet werden.

Zusammenfassend wird mit der Erfindung also eine pnpn-Halbleitervorrichtung mit einer Kathoden-Bas is schicht, einer Kathoden-Emitterschicht und einer an einer ihrer Hauptflächen angeordneten Hilfsemitterschicht geschaffen, bei welcher eine Hilfselektrode auf der Kathoden-Basisschicht neben einer Kathode angeordnet und eine Diode in der Kathoden-Basisschicht zwischen einer Gate-Elektrode und der Hilfselektrode ausge-

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Dildet ist. Die Diode weist eine aus einem angrenzenden Abschnitt der Kathoden-Basisschicht gebildete Halbleiterschicht, eine mit der Gate-Elektrode verbundene Elektrode und einen pn-übergang auf, der durch eine an die Gate-Elektrode angelegte Rückwärtsvorspannung in Vorwärts- oder Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

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Claims (8)

1. Patentansprüche

   Θρηρη-Halbleitervorrichtung, gekennzeich- - net durch ein pnpn-Halbleitersubstrat mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, das eine Kathoden-Emitterschicht und eine Hilfsemitterschicht mit jeweils gleicher Leitfähigkeit, welche an der einen Hauptfläche angeordnet und voneinander getrennt sind, eine neben der Kathoden-Emitterschicht an der einen Hauptfläche angeordnete Kathoden-Basisschicht und eine an der anderen Hauptfläche vorgesehene Anoden-Emitterschicht aufweist, durch eine in ohmschem Kontakt mit der Anoden-Emitterschicht angeordnete Anode, durch eine in ohmschem Kontakt mit der Kathoden-Emitterschicht stehende Kathode, durch eine in ohmschem Kontakt mit der Hilfsemitterschicht stehende Hilfsemitterelektrode, durch eine in ohmschem Kontakt mit dem dicht an der Hilfsemitterschicht befindlichen Abschnitt der Kathoden-Basisschicht angeordnete Gate-Elektrode, durch mindestens eine Hilfselektrode, die mit dem neben der Kathode befindlichen Abschnitt der Kathoden-Basisschicht in ohmschem Kontakt steht, durch eine Halbleiter-Diode mit einer Halbleiterschicht, die durch den zwischen Kathoden-Emitterschicht und Hilfsemitterschicht befindlichen Abschnitt der Kathoden-Basisschicht gebildet und von der genannten Hilfselektrode getrennt ist, durch eine weitere, mit der Halbleiterschicht in ohmschem Kontakt stehende Elektrode und durch Mittel zur elektrischen Verbindung der weiteren Elektrode mit der Gate-Elektrode.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Hilfselektrode mit der Hilfsemitterelektrode elektrisch verbunden ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

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   die Diode zwischen der Hilfselektrode und der Hilfsemi tterelektrode angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode zwischen der Hilfselektrode und der Kathode angeordnet ist.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Hilfselektroden in ohmschem Kontakt mit der Kathoden-Basisschicht angeordnet sind und daß die Diode zwischen den beiden Hilfselektroden angeordnet ist.
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hilfselektroden elektrisch miteinander verbunden sind.
7. 7. pnpn-Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch ein pnpn-Halbleitersubstrat mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, das eine Kathoden-Emitterschicht und eine Hilfsemitterschicht mit jeweils gleicher Leitfähigkeit, welche an der einen Hauptfläche angeordnet und voneinander getrennt sind, eine neben der Kathoden-Emitterschicht an der einen Hauptfläche angeordnete Kathoden-Basisschicht und eine an der anderen Hauptfläche vorgesehene Anoden-Emitterschicht sowie eine neben der Anoden-Emitterschicht angeordnete und dieser gegenüber die entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzende Anoden-Basisschicht aufweist, durch eine Anode, welche sowohl mit der Anoden-Emitterschicht als auch mit der Anoden-Basisschicht in ohmschem Kontakt steht und welche diese beiden Schichten kurzschließt, durch eine in ohmschem Kontakt mit der Kathoden-Emitterschicht angeordnete Kathode, durch eine in ohmschem Kontakt mit der Hilfsemitterschicht stehende Hilfsemitterelektrode, durch eine Gate-Elektrode, die mit dem sehr dicht an der

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   Hilfsemitterschicht liegenden Abschnitt der Kathoden-Basisschicht in ohmschem Kontakt steht, durch mindestens eine Hilfselektrode, die mit dem neben der Kathode befindlichen Teil der Kathoden-Basisschicht in ohmschem Kontakt steht, durch eine Halbleiter-Diode mit einer Halbleiterschicht, die durch den zwischen der Kathoden-Emitterschicht und der Hilfsemitterschicht liegenden Teil der Kathoden-Bas is schicht gebildet wird und welche von der genannten Hilfselektrode getrennt ist, durch eine weitere, in ohmschem Kontakt mit der Halbleiterschicht stehende Elektrode und durch eine Einrichtung zur elektrischen Verbindung dieser weiteren Elektrode mit der Gate-Elektrode.
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Hilfselektrode elektrisch mit der Hilfsemitterelektrode verbunden ist.

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