DE1295699B

DE1295699B - Schaltbares Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1295699B
Application number: DEG38199A
Authority: DE
Inventors: Holonyak Jun Nick; Aldrich Richard Wayland
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1962-07-17
Filing date: 1963-07-16
Publication date: 1969-05-22
Also published as: US3239728A; GB1057823A

Description

Gegenstand des Hauptpatents 1 154 872 ist ein schaltbares Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit drei pn-Ubergängen zwischen Schichten von abwechselndem und entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, bei dem eine flächenhafte Elektrode mit niedrigem ohmschem Widerstand an der Oberfläche jeder der beiden äußeren Schichten und an der frei liegenden Oberfläche der jeweils an sie angrenzenden inneren Schicht des Halbleiterkörpers mit ohmschem Kontakt so angebracht ist, daß die pn-Ubergänge zwischen den äußeren Schichten und der jeweils an sie angrenzenden inneren Schicht teilweise überbrückt sind, und bei dem an der frei liegenden Oberfläche der an die eine äußere Schicht angrenzenden inneren Schicht eine Steuerelektrode an einer Stelle angeordnet ist, zwischen der und der äußeren Schicht der nichtüberbrückte Teil des pn-Ubergangs zur Außenfläche hindurchgeht (nach Anspruch 4).

Die Erfindung betrifft eine Ausgestaltung eines solchen Halbleiterbauelementes.

Die Wirkungsweise derartiger schaltbarer Halbleiterbauelemente läßt sich am einfachsten an Hand eines Modells erklären. Man denkt sich beispielsweise ein sogenanntes Vierschichten-Bauelement (z. B. npnp oder pnpn), das in der Fig. 1 gezeigt ist, aus einem pnp-Teiltransistor (Fig. 1 b) und einem npn-Teiltransistor (Fig. Ic) zusammengesetzt, wobei der mittlere pn-übergang J_c und die beiden mittleren Zonen beiden Teiltransistoren gemeinsam angehören.

Liegt an der äußeren p-Zone nun beispielsweise ein positives und an der äußeren η-Zone des pnpn-Bauelementes ein negatives Potential, dann sind die beiden äußeren pn-Ubergänge in Flußrichtung und der mittlere pn-übergang J_c in Sperrichtung vorgespannt, d. h., jeder der beiden Teiltransistoren enthält einen sperrenden pn-übergang. Das Vierschichten-Bauelement kann in den leitenden Zustand gebracht werden, indem man durch Erhöhung der angelegten Spannung eine Stromleitung durch den pnübergang J_c erzwingt. Man kann jedoch auch über eine Steuerelektrode in eine der beiden mittleren Zonen einen Strom J_c injizieren, der eine Änderung der Ladungsverteilung im mittleren pn-übergang J_c hervorruft.

Zur Erklärung des Einschaltvorgangs in den stromleitenden Zustand können die Stromverstärkungsfaktoren in den beiden Teiltransistoren herangezogen werden. Der Stromverstärkungsfaktor « ist als derjenige Bruchteil des von dem Emitter eines Transistors injizierten Stroms definiert, der den Kollektor dieses Transistors erreicht. Der Stromverstärkungsfaktor «_p„p des linken Teiltransistors in Fig. 1 gibt damit das Verhältnis von Kollektorstrom zu Emitterstrom in diesem Teiltransistor an, wobei der vorherrschende Strom ein Löcherstrom ist. Dagegen gibt der Stromverstärkungsfaktor «_np„ des rechten Teiltransistors in F i g. 1 denjenigen Bruchteil des Stroms des Emitters an, der den Kollektor dieses Teiltransistors erreicht, wobei der Hauptstrom ein Elektronenstrom ist.

Der Gesamtstrom ist daher die Summe aus Löcherstrom aus der außenliegenden p-Zone und dem Elektronenstrom aus der außenliegenden η-Zone und einem geringen Kriechstrom. Das Halbleiterbauelement befindet sich im eingeschalteten oder leitenden Zustand, wenn die Summe der Stromverstärkungsfaktoren « beider Teiltransistoren gegen »1« geht, während es sich im ausgeschalteten oder nichtleitenden Zustand befindet, wenn diese Summe kleiner als Eins, z. B. 0,9 ist. Die Stromverstärkungsfaktoren werden größer, wenn die Spannungen zwischen Emitter und Kollektor jedes Teiltransistors erhöht werden, doch geht der Anstieg nur langsam und hört auf, wenn der normalerweise sperrende pn-übergang J_c zusammenbricht und ein merklicher Strom fließt. Besonders rasch steigen die Stromverstärkungsfaktoren bei Erhöhung des jeweiligen Emitterstroms an.

Der Emitterstrom des rechten Teiltransistors in F i g. 1 kann erhöht werden, indem man an die innenliegende p-Zone eine Steuerelektrode anschließt und über die Steuerelektrode einen Steuerstrom /_(; zuführt. In den nichtleitenden Zustand kann man dagegen dadurch umschalten, daß man den Strom, den man den beiden Teiltransistoren zuführt, so lange senkt, bis der pn-übergang J_c gesperrt wird. Dazu kann man z. B. die am Halbleiterbauelement anliegende Spannung erniedrigen.

Man kann den nichtleitenden Zustand jedoch auch dadurch herstellen, daß man über die Steuerelektrode Strom herauszieht, d. h. aus der inneren p-Zone, die als Basis dient, Löcher absaugt. Dadurch entsteht nämlich in dieser Basis ein Feld, das den Fluß negativer Ladungen aus der außenliegenden η-Zone vermindert und den pn-übergang J_c von Ladungsträgern befreit. Der verkleinerte Elektronenstrom durch den pn-übergang J_c ruft dagegen ein Feld hervor, das den Löcherstrom aus der außenliegenden p-Zone vermindert. Der mittlere pn-übergang J_c geht in den nichtleitenden Zustand über, sobald der abgezogene Steuerstrom groß genug ist. Der Schaltvorgang geht in sehr kurzer Zeit, z. B. einigen Mikrosekunden, vor sich. Da jedoch die Steuerströme, die zum Umschalten abgezogen werden müssen, etwa gleich den Strömen sind, die das Halbleiterbauelement normalerweise führt, wird diese Abschaltungsart nur selten angewendet.

Auch die Wirkungsweise eines Halbleiterschalters, der sich sowohl ein- als auch ausschalten läßt, kann mit Hilfe der Stromverstärkungsfaktoren der beiden angenommenen Teiltransistoren verstanden werden. Ein Teil des Stromes, der durch das Halbleiterelement hindurchfließt, wird von dem pnp-Teiltransistor geliefert. Die Größe dieses Stromes hängt von seiner Stromverstärkung a_pnp ab. Wenn der pnp-Teiltransistor des Halbleiterbauelements einen Strom liefert, der wesentlich größer als derjenige Strom ist, der erforderlich ist, um den normalerweise sperrenden mittleren pn-übergang J_c im leitenden Zustand zu lassen, dann wird es sehr schwierig, über die Steuerelektrode ausreichend Strom abzuziehen, um das Halbleiterbauelement zu sperren. Der Strom, der über die Steuerelektrode abgezogen wird, kann also die zum Sperren des Halbleiterbauelementes erforderliche Größe so lange nicht erreichen, bjs er fast die Größe des durch das Halbleiterbauelement fließenden Stromes erreicht. Das bedeutet aber, daß der Stromverstärkungsfaktor des pnp-Teiltransistors auf einen solchen Wert gesenkt werden muß, daß dieser Teiltransistor nach Möglichkeit nur gerade so viel Strom liefert, daß der mittlere pn-übergang J₁- elektrisch leitend gehalten werden kann, wenn kein Steuerstrom fließt. Die Stromverstärkung für diesen angenommenen Teiltransistor sollte also gegen Null gehen.

Um das Halbleiterbauelement in seinen leitenden Zustand zu bringen, muß die Forderung erfüllt sein, daß die Summe der Stromverstärkungen (a_pnp + a„_p„)

3 4

der beiden Teiltransistoren gegen Eins geht. Wenn sehen und in die an sie angrenzende innere Schicht einalso die Stromverstärkung des pnp-Teiltransistors des gelassen ist, daß diese mit einer ohmschen Steuerelek-Halbleiterbauelements gegen Null geht, soll die Strom- trode versehen ist, daß der Teiltransistor, dessen Basisverstärkung des npn-Transistors Eins erreichen. Ein schicht mit der Steuerelektrode versehen ist, einen praktisch verwertbares schaltbares Halbleiterbauele- 5 Stromverstärkungsfaktor kleiner als Eins und der ment entsteht, wenn die Stromverstärkung des npn- Teiltransistor, dessen Basisschicht keine Steuerelek-Teiltransistors ein bis zwei Größenordnungen größer trode aufweist, einen wesentlich kleineren Strpmverals die Stromverstärkung des pnp-Teiltransistors ist. starkungsfaktor aufweist und daß die Summe ,c^er Das Sperrvermögen, das hier als das Verhältnis des Stromverstärkungsfaktoren der zwei Teiltransistoren Stromes durch das ganze Bauelement kurz vor dem io dicht unterhalb Eins liegt.

Schalt Vorgang zu dem Steuerstrom definiert ist, der Aus der französischen Patentschrift 1 291 490 ist zum Sperren des Halbleiterbauelements abgezogen ein schaltbares Halbleiterbauelement mit einem Halbwerden muß, wird größer, wenn das Verhältnis der leiterkörper mit drei übergängen zwischen Schichten Stromverstärkung des npn-Teiltransistors zur Strom- von abwechselndem und entgegengesetztem Leitfähigverstärkung des pnp-Teiltransistors größer wird. Wenn 15 keitstyp bekannt, bei dem eine flächenhafte Elektrode also beispielsweise dieses Verhältnis der Stromver- mit niedrigem ohmschem Widerstand an der Oberstärkungen ein bis zwei Größenordnungen beträgt, fläche einer äußeren Schicht und an der frei liegenden so läßt sich das Halbleiterbauelement außerordentlich Oberfläche der an sie angrenzenden inneren Schicht empfindlich sperren. Wenn das Verhältnis der Strom- des Halbleiterkörpers mit ohmschem Kontakt so verstärkungen richtig abgestimmt ist, kann das Sperr- 20 angebracht ist, daß der pn-übergang zwischen dieser vermögen des Halbleiterbauelements so groß gemacht äußeren und der angrenzenden inneren Schicht teilwerden, daß es die Öffnungsverstärkung des Bau- weise überbrückt ist, und bei dem an der frei liegenden elements erreicht. Oberfläche der an die andere äußere Schicht angren-

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das zenden inneren Schicht eine ohmsche Steuerelektrode

Halbleiterbauelement nach dem Hauptpatent derart 25 angeordnet ist. Aus dieser Druckschrift ist es ferner

auszugestalten, daß es über die Steuerelektrode so- bekannt, um eine gewünschte Durchschaltverstärkung

wohl in den leitenden als auch in den nichtleitenden sicherzustellen, den Stromverstärkungsfaktor des Teil-

Zustand gebracht werden kann. transistors, dessen Basis mit der Steuerelektrode ver-

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- sehen ist, in der Nähe von Eins zu wählen und den

löst, daß der pn-übergang zwischen der mit der Steuer- 30 Stromverstärkungsfaktor des Teiltransistprs, dessen

elektrode versehenen inneren Schicht und der inneren Basis keine Steuerelektrode aufweist, in der Nähe der

Schicht ohne Steuerelektrode eine die Schichtdicke Null zu wählen. Um eine Abschaltverstärkung zu

der beiden inneren Schichten variierende Stufe auf- erlangen, bei der der abzuschaltende Strom groß

weist, die den Teiltransistor, dessen Basisschicht mit gegenüber dem Steuerstrom ist, spll nach dieser Druck-

der Steuerelektrode versehen ist, in seinem Quer- 35 schrift im leitenden Zustand des Halbleiterbauelements

schnitt senkrecht zur Schichtenfolge in ein an die die Summe der Stromverstärkungsfaktoren der beiden

Steuerelektrode angrenzendes Gebiet mit einem hohen Teiltransistoren wenig größer als Eins sein.

Stromverstärkungsfaktor und in ein restliches Gebiet Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung und

mit einem wesentlich geringeren Stromverstärkungs- das Halbleiterbauelement nach der Weiterbildung der

faktor unterteilt, und der hohe Stromverstärkungs- 4° Erfindung werden nun an Hand der beiliegenden Fi-

faktor kleiner als Eins ist. guren ausführlich erläutert.

Gegenstand des Hauptpatents ist ferner ein schalt- Fig. IA zeigt ein Modell einer bekannten Vierbares Halbleiterbauelement mit einem Halbleiter- schicht-Diode mit drei Anschlüssen; körper mit drei pn-Ubergängen zwischen Schichten Fig. IB und IC zeigen die zwei Teiltransistoren, von abwechselndem und entgegengesetztem Leit- 45 die in der Vierschicht-Diode nach der Fig. IA entfähigkeitstyp, bei dem eine flächenhafte Elektrode halten sind;

mit niedrigem ohmschem Widerstand an der Ober- Fi g.,2 zeigt die nach Gleichungen (6) und (11) be-

fläche einer der beiden äußeren Schichten und an der rechnete Abschaltverstärkung ß_off in Abhängigkeit

frei liegenden Oberfläche der an sie angrenzenden vom Verhältnis des durch das Halbleiterbauelement

inneren Schicht des Halbleiterkörpers mit ohmschem 5° abzuschaltenden Stroms /zum Haltestrom, wobei als

Kontakt so angebracht ist, daß der pn-übergang zwi- Parameter der Emitterinjektionswirkungsgrad y₂ ge-

sqhen der äußeren und der an sie angrenzenden inneren wählt ist, sowie experimentelle Werte (Kurve ohne

Schicht teilweise überbrückt ist, bei dem die äußere Parameterangabe γ₂);

Schicht, deren pn-übergang überbrückt ist, aus meh- Fig. 3 zeigt eine Anordnung, an der die experimen-

reren Teilen besteht, zwischen denen die Oberfläche 55 teilen Werte in Fig. 2 gewonnen wurden;

der angrenzenden inneren Schicht frei liegt, bei dem die F i g. 4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele des HaIb-

fiächenhafte Elektrode an der Oberfläche der Teil- leiterbauelements nach der Erfindung bzw. nach der

schichten und der dazwischenliegenden Abschnitte Weiterbildung der Erfindung,

der ,angrenzenden inneren Schicht mit ohmschem An Hand der Fig. IA bis IC soll zjim besseren

Kontakt angebracht ist (nach Anspruch 6). 60 Verständnis der oben beschriebenen Halbleiterbau-

Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft eine elemente noch eine kurze mathematische Betrachtung

Ausgestaltung dieser Ausführung des Gegenstandes eingefügt werden. _{: ;}. ·

des Hauptpatents. Diese Ausgestaltung hat zum Ziel, Wie bereits oben betont worden ist, ist das pnpn-

die Abschalteigenschaften des Halbleiterbauelements Bauelement mit drei Anschlüssen nach Fig. IA ein-

zu verbessern. (>5 mal an Seinen beiden außenliegenden Zonen mit

Diese Verbesserung wird dadurch. erzielt, daß die Kontdktekktroden versehen, und zum anderen ist an

andere aus einer Zone bestehende äußere Schicht mit einer der als Basis dienende» Zonen (in der Darstellung

einer nicht überbrückenden ohmschen Elektrode ver- an der innenliegenden p-Zone) eine Steuerelektrode

5 6

angebracht. Angenommen, an dem Halbleiterbau- Punkt schaltet das Halbleiterbauelement in seinen element sei eine äußere Spannung angelegt, durch die gesperrten Zustand um.

das außenliegende p-Gebiet positiv und das außen- Um nun den Steuerstrom I_G zu bestimmen, der

liegende η-Gebiet negativ wird. Bei dieser Polarität erforderlich ist, um einen vorgegebenen Verbraucherfließt ein Strom aus der außenliegenden p-Zone durch 5 strom I_F2 abzuschalten, sei angenommen, daß die das Halbleiterbauelement hindurch zur außenliegen- Stromverstärkungsfaktoren der beiden Teiltranden η-Zone, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. sistoren bei den Strömen I_E2 und I_E1 ihre größt-Der Strom, der in die außenliegende p-Zone einströmt, möglichen Werte haben. Wir nehmen an, daß I_E2 sei mit I_E2 bezeichnet. Der Strom, der aus der außen- bei dem Vorhandensein eines Steuerstroms J₀ einen liegenden η-Zone austritt, sei mit I_E1 bezeichnet. Der to kleinstmöglichen Haltestrom I_M besitzt, um das HaIb-Strom in der Steuerelektrode heiße I_G. Wie oben sei leiterelement in seinem leitenden Zustand zu belassen, für den Stromverstärkungsfaktor im pnp-Teiltransi- Ferner wird angenommen, daß I₁₁ der Haltestrom ist, stör die Bezeichnung a_pnp und für den Stromverstär- der benötigt wird, um das Halbleiterbauelement in kungsfaktor im npn-Teiltransistor die Bezeichnung seinem leitenden Zustand zu belassen, wenn I_G = 0 «up» gewählt. Sofern man Kriechströme vernachlässigt, 15 ist. Dann wird die Abschalt verstärkung ß_off definiert lassen sich die folgenden Gleichungen aufstellen, die als das Verhältnis der Änderung im kleinstmöglichen die Ströme in dem leitend gemachten Halbleiter- Haltestrom gegenüber seinem Wert bei einem Steuerbauelement miteinander verknüpfen: strom I_G = 0 zum vorliegenden Steuerstrom I_G. Die

folgenden Gleichungen definieren die Abschaltver- hi' ^apnp ~~ h ⁼ (1 —<*npn)hi> U) ²⁰ Stärkung des Halbleiterbauelements:

hl ' ^anpn = (1 - a_pnp) I_E2 · (2) (T T \ T / T \

β ₌ (^jm ~ ¹H) ₌ JjKh _ JjLΛ (4)

Löst man diese Gleichungen nach I_E2 auf, so erhält " h h \ hf/

man folgende Gleichung: 25

Substituiert man nun aus der Gleichung (3), so

hi — Ie " r · (3) ergibt sich für die Abschaltverstärkung folgender

^anpn + ^apnp ~ 1 Ausdruck:

Um nun zu bestimmen, welche Forderungen zum

Abschalten des Halbleiterbauelements zu erfüllen sind, β _ ( ^mn Λ ί\ _ _l*l\ . (5)

sei angenommen, daß sich das Halbleiterbauelement ^off \ a_npn + ^a _Pn_P — 1 / \ hi)

in seinem stromführenden Zustand befindet und daß
ein äußerer Strom einem Verbraucher zufließt, dessen 35

Größe hauptsächlich durch die Höhe der äußeren Ist l_M sehr viel größer als I_n, so ergibt sich:
Spannung und durch den Widerstand des mit dem
Halbleiterbauelement verbundenen Verbrauchers bestimmt ist. Der pn-übergang in der Mitte des Halb- α _> ^ms. fy_r /_M » /_H . (6)

leiterbauelements, also der mit J_c bezeichnete pn- 40 " ^an_pn + ^a _pnp — 1

übergang zwischen der innenliegenden η-Zone und

der innenliegenden p-Zone, ist so gepolt, daß sie einem Die Beziehung nach Gleichung (6) ist ebenfalls aus

Stromfluß in der angegebenen Richtung entgegen- der französischen Patentschrift 1 291 490 bekannt,
steht. Wenn jetzt ein Strom fließt, so tritt an dem pn- Im allgemeinen ist die Art und Weise, wie sich die

übergang J_c eine Spannung in einer Richtung auf, 45 Werte α für die Stromverstärkungsfaktoren als Funkdie den Strom durch diesen pn-übergang /_c hindurch tion der Stromstärken ändern, unbekannt. Experiaufrechterhält oder unterstützt. Die Spannung am mente haben gezeigt, daß es möglich ist, beide Strompn-Ubergang wechselt also aus der Sperrichtung im Verstärkungsfaktoren α bei mittleren Strömen gegen nichtleitenden Zustand in eine Vorwärtsspannung im Eins gehen zu lassen, was beispielsweise das Ergebnis elektrisch leitenden Zustand. Durch diesen Mechanis- 50 von Feldern ist, die von einem ohmschen Stromfluß mus ändern sich dann sowohl der Strom durch das hervorgerufen werden. Unter diesen Bedingungen Halbleiterbauelement als auch die Stromverstärkungs- geht die Abschaltverstärkung ß_o„ ebenfalls gegen faktoren α in den beiden Teiltransistoren des Halbleiter- Eins. Es ist aber dann klar, daß die Abschalt verbauelements. Befindet sich das Halbleiterbauelement Stärkung sehr groß und damit der zum Abschalten erst einmal in seinem leitenden Zustand, so ändern 55 erforderliche Steuerstrom dann sehr klein gemacht sich die Stromverstärkungsfaktoren in einer solchen werden kann, wenn sich Maßnahmen finden lassen, Richtung, daß für jeden der Teiltransistoren genau der mittels deren der eine oder die beiden Stromverausreichende Basisstrom geliefert wird, um den Strom- Stärkungsfaktoren herabgesetzt werden können,
fluß aufrechtzuerhalten. Wenn der Strom von einer Der Stromverstärkungsfaktor α ist in der Haupt-

der beiden Basen weggenommen wird, so fällt der 60 sache aus zwei Parametern zusammengesetzt, nämlich Verbraucherstrom ab, sofern sich die Stromverstär- aus dem Emitterwirkungsgrad γ und dem Transportkungsfaktoren α nicht von selbst vergrößern können. faktor ß. Der Stromverstärkungsfaktor α ist dann ein-

Für einen vorgegebenen Verbraucherstrom gibt es fach das Produkt aus diesen beiden Größen, also
für jeden der beiden Stromverstärkungsfaktoren a = , · rf Π)

einen größtmöglichen Wert. Wenn sich die Größe des 65 ^a ? P ■ \ )

abfließenden Steuerstroms erhöht, so nimmt die Strom- Nun ist γ in der Hauptsache durch die relative

verstärkung des npn-Transistors so lange ab, bis Störstellenkonzentration auf beiden Seiten des pn-"πι>" + ^ap*p kl^{emer a}'^s Eins geworden ist. An diesem Übergangs bestimmt. Ist die Dotierung weder zu

hoch noch zu niedrig gewählt, so ergibt sich für γ die folgende Gleichung:

1 +

a_BW_B

(8)

Darin bedeutet L_E die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger auf der Emitterseite des pn-Ubergangs, W_B die Basisbreite und σ_Β und a_E die Leitfähigkeiten der Basis- bzw. der Emitterzone. Weiterhin wird der Emitterwirkungsgrad von der Lebensdauer der Ladungsträger in dem Halbleitermaterial beeinflußt. Oder anders ausgedrückt, der Wirkungsgrad des Emitters kann über die Lebensdauer der Ladungsträger in dem Halbleitermaterial gesteuert werden. Die Bedeutung dieser Gleichungen für die Abschaltverstärkung kann noch besser gezeigt werden, wenn die Wirkung der Stromverstärkungen erörtert worden ist.

Aus der Gleichung (6) für die Abschaltverstärkung kann man entnehmen, daß für eine größtmögliche Abschaltverstärkung die Summe der einzelnen Stromverstärkungsfaktoren a_pnp + a„_pn gegen Eins gehen soll und daß die Abschaltverstärkung groß gemacht werden kann, wenn ein oder auch beide Stromverstärkungsfaktoren gesenkt werden. Da nun a_npH im Zähler steht, läßt sich dann die größtmögliche Wirkung erzielen, wenn man den Stromverstärkungsfaktor a._np weitestgehend senkt. Eine Betrachtung dieser Gleichungen zeigt ebenso, daß der StromverstSrkungsfaktor von mindestens einem der Teiltransistoren des Halbleiterbauelementes mit dem Verbraucherstrom anwachsen muß, wenn ein pnpn- oder ein npnp-Halbleiterbauelement Schaltereigenschäften zeigen soll. Eine Maßnahme, die eine der beiden Stromverstärkungen, beispielsweise a_w, klein zu machen, liegt darin, den Emitterwirkungsgrad γ₂ des pnp-Teiltransistors niedrig zu wählen [s. Gleichung (7)]. Ein Weg, diesen Effekt zu zeigen, ist in der F i g. 2 dargestellt. In dieser Figur sind berechnete Werte der Abschaltverstärkung ß_off auf der Ordinate als Funktion des Verhältnisses zwischen dem abzuschaltenden Strom und dem Haltestrom, also als Funktion von -=— auf der Abszisse aufgetragen. Als

¹H

Parameter sind mehrere Werte des Emitterwirkungsgrades γ₂ gewählt worden. Zu diesem Zweck ist der Stromverstärkungsfaktor α«,, konstant zu 0,9 angenommen worden. Ferner wurde vorausgesetzt, daß die Stromverstärkung a^ der folgenden Gleichung genügt:

so daß sich für a_pnp der folgende Ausdruck ergibt:

Es sei noch einmal darauf hingewiesen, daß die Form für a_pnp nur angenommen ist.

Die Versuchsdaten (Kurve ohne Parameterangabe γ₂), die in der F i g. 2 miteingezeichnet sind, wurden an einem Halbleiterbauelement gewonnen, das in der F i g. 3 gezeigt ist. Das Halbleiterbauelement ist aus einem Silizium-Einkristallplättchen hergestellt, das zweifach dotiert ist, und zwar mit Aluminium (2 · 10¹⁷ Atome/cm³) und mit Antimon (1(F Atome/cm³), so daß das Siliziumplättchen p-Leitung zeigt. Die vier Schichten mit unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp werden in dem Plättchen 10 dadurch hergestellt, daß man von der ursprünglichen p-leitenden unteren Zone 12 ausgeht und die Dotiermaterialien aus ihr herausdiffundieren läßt, so daß sich die danebenliegende, innere Zone 11 mit η-Leitung bildet. Die innere p-leitende Zone 13 und die äußere, n-leitende Zone 14 werden durch ein Diffusionsverfahren mit Gallium bzw. mit Phosphor hergestellt. Auf diese Weise ist die als Basis dienende, η-leitende Zone 11 von den p-leitenden Zonen 12 und 13 umgeben, die als Emitter- bzw. als p-leitende Basiszone dienen. Die obere, p-leitende Basiszone trägt auf einem Teil ihrer Oberfläche eine η-leitende Emitterzone 14. Die untere, p-leitende Emitterzone 12 trägt einen ohmschen Anodenkontakt 15, während an der oberen, η-leitenden Emitterzone 14 ein ohmscher Kathodenkontakt 16 angebracht ist. Ein ohmscher Kontakt 17 zum Steuern ist auf der oberen, p-leitenden Basiszone 13 angebracht. Wie man sieht, entsprechen die Einzelteile dieses Halbleiterbauelementes den Einzelteilen der schematischen Darstellung aus Fig. IA. Um diese Übereinstimmung noch besser zu zeigen, sind noch Leitungen angegeben, die den Strömen /_£1, I_E2 und Iq entsprechen. Der Spannungsabfall, der durch den Strom und den Widerstand des Halbleiterbauelementes hervorgerufen wird, bestimmt sich zu

=/ce»

Wβ L.'

(12)

(9)

Dabei bezeichnet I₀ denjenigen Strom, bei dem das Halbleiterbauelement abschaltet. Den Haltestrom, den man für die Bedingungen

Dabei bedeutet L die Kontaktlänge (Kontakt 17), Q_b ist der mittlere spezifische Basiswiderstand, w_B ist die Basisbreite [diese Dimension ist wirklich eine Dicke, nämlich der Abstand zwischen der oberen, η-leitenden Emitterzone 14 und der innenliegenden, η-leitenden Zone (11)]. W_E stellt die Emitterbreite dar. Bei diesem Halbleiterbauelement beträgt g_h etwa 0,1 Ohm · cm, W_E etwa 0,05 cm, w_B etwa 2,5 · 10~⁴ cm und L etwa 0,05 cm. Mit einem Steuerstrom von 5 Milliampere ergibt sich dann aus der Gleichung (12) ein Spannungsabfall von

60

"W

5 · IQ"³ · 0,1 · 0,05
2,5 · ΙΟ"⁴ ■ 0,05

20 Volt.

erhält, kann man durch folgende Gleichung dar- Diese Spannung ist etwas größer als die Durchstellen: bruchsspannung zwischen Emitter und Basis. Das / - 65 erklärt den plötzlichen Abfall in der Abschaltver-Ih = ~ , (10) ... _L._: /

In

Yez

Stärkung bei y-= 100, wobei dieses Verhältnis in der Tat einem Steuerstrom /_G von etwa 5 Milliampere

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9 10

entspricht. Die Abschaltverstärkung ß_oif wurde für Sperrvorspannung betrieben wird. Dabei baut sich dieses Halbleiterbauelement zu 3,3 bestimmt. in der p-leitenden Basiszone 21 ein Feld auf, das die

Die Eigenschaften des Halbleiterbauelementes nach Elektronen auf der Seite der p-leitenden Basiszone 21 F i g. 3 können wesentlich verbessert werden, wenn des Kollektor-pn-Ubergangs J_c in das Gebiet mit dem man das Halbleiterbauelement nach einem anderen 5 niedrigen Stromverstärkungsfaktor «,. hinübertreibt. Verfahren herstellt, wenn man also beispielsweise Wenn einer der beiden Stromverstärkungsfaktoren

von einem Halbleiterplättchen ausgeht, das aus einem vermindert worden ist, werden darüber hinaus die Material von hohem spezifischem Widerstand negativen Minoritätsladungsträger aus dem Kollektor-(1000 Ohm · cm) besteht, und die Zonen nach einem pn-übergang herausgeschwemmt, da sich in dem üblichen bekannten Dreifach-Diffusionsverfahren her- io Kollektor-pn-Ubergang J_c eine Stufe befindet. Wenn stellt. der Strom jetzt auf die rechte Seite der Figur ver-

Ein Ausführungsbeispiel für ein Halbleiterbau- schoben wird (was wegen der beiden Elektroden auf element nach der Erfindung, das sowohl eine Abschalt- der p-leitenden Basiszone möglich ist, nämlich wegen verstärkung als auch eine Durehschaltverstärkung der Steuerelektrode 17 und des überbrückenden Emitzeigt, ist in der Fi g. 4 dargestellt. Dieses Halbleiter- 15 terkontakts 16), so wird die kurzgeschlossene Emitterbauelement kann auch mit Hilfe eines bekannten zone 23 von Strömen vorgespannt, die einen wesent-Dreifach-Diffusionsverfahrens hergestellt werden, wie lieh kürzeren Stromweg durchlaufen. Demzufolge es Tür das Halbleiterbauelement nach F i g. 3 an- nimmt die Vorspannung der unteren, kurzgeschlosgenommen worden ist. Die obere Emitterzone ist die senen Emitterzone 23 ab, die Löcherinjektion nimmt η-leitende Schicht 20. Die obere, p-Ieitende Basis- 20 ab und beide Stromverstärkungsfaktoren werden zone 21 weist (links in der Zeichnung) einen dünnen reduziert. Diese Folge von Ereignissen sperrt das Abschnitt auf, der durch ein a_H als ein Gebiet mit Halbleiterbauelement, da die Summe der Stromhohem Stromverstärkungsfaktor gekennzeichnet ist. Verstärkungsfaktoren unter Eins absinkt. Der andere Abschnitt der Basiszone 21 ist von Wie aus der obigen Erörterung hervorgeht, vernormaler Dicke und ist durch a_L als Gebiet mit 25 mindert die kurzgeschlossene Emitterzone des pnpniedrigem Stromverstärkungsfaktor gekennzeichnet. Teiltransistors den Injektionswirkungsgrad des pnp-An die obere Basiszone 21 schließt sich eine ver- Teiltransistors, so daß schon wegen dieser Vorgänge hältnismäßig dicke, als Basiszone dienende, η-leitende die Summe der Stromverstärkungsfaktoren nicht Schicht 22 an, die geradeoberhalb einer als Emitter- wesentlich über Eins ansteigen kann. Demzufolge ist zone dienenden, p-leitenden Schicht 23 erscheint. Die 30 eine kurzgeschlossene Emitterschicht in einer p-leitenuntere Emitterzone 23 ist mit einem überbrückenden den Schicht ein außerordentlich wirksamer Weg, die Emitterkontakt 24 versehen. Die überbrückung ge- beiden Stromverstärkungsfaktoren so aufeinander abschieht durch einen Kontaktteil 25, der durch die zustimmen, daß sich eine gute Abschältverstärkung untere, p-leitende Emitterschicht 23 bis zur mittleren ergibt.

η-leitenden Basiszone 22 reicht. Während des Be- 35 Ein besonders guter Aufbau des schaltbaren Halbtriebes injiziert die kurzgeschlossene, p-leitende Emit- leiterbauelementes ist in der F i g. 5 dargestellt. Auch terzone 23 Löcher in die η-leitende Basiszone 22. hier ist der Halbleiterkörper 30 in Form eines Plätt-Der obere überbrückende Emitterkontakt ist mit der chens wieder aus einem η-leitenden Material mit Hilfe BezugszüTer 16 und die Steuerelektrode mit der Be- eines bekannten Dreifach-Diffusionsverfahrens herzugsziffer 17 versehen worden. 40 gestellt worden. Eine p-leitende Basiszone 31 liegt

Wenn die obere, kurzgeschlossene Emitterzone 20 dicht neben einer η-leitenden Basiszone 32. In der negativ und die untere Emitterzone 23 positiv ist, so p-leitenden Basiszone 31 ist sehr ähnlich wie in der ist der Kollektor-pn-Ubergang J₁- vor dem Schaltvor- Fig. 3 eine n-Ieitende Emitterzone 33 angebracht, gang in Sperrichtung vorgespannt. Ein positiver Bei diesem Aufbau sind jedoch in die n-leitende Strom/_(;, der über die Steuerelektrode 17 eingegeben 45 Schicht 32 . eine Vielzahl von p-leitenden Schichtwird, fließt quer durch die obere, p-leitende Basis- teilen 34 eindiffundiert. Eine ohmsche, nicht Überzone 21 dem oberen überbrückenden Emitterkon- brückende Kontaktelektrode 35 auf der oberen, n-leitakt 16 zu. Wenn dieser Strom anwächst und der tenden Schicht 33 stellt den Kathodenanschluß des linke Abschnitt der oberen, p-leitenden Basiszone 21 Halbleiterbauelementes dar, eine Steuerelektrode 36 positiv wird, so injiziert die obere Emitterzone 20 in 50 ist auf der oberen, p-leitenden Basiszone 31 ander Nähe derjenigen Kante sehr stark, die der Steuer- geordnet und an der unteren Oberfläche ist eine überelektrode 17 am nächsten liegt. Die injizierten La- brückende ohmsche Kontaktelektrode 37 vorgesehen, dungsträger (Elektronen) durchlaufen das Gebiet, das die die p-leitenden Emitterzonenteile 34 gegenüber durch a„ gekennzeichnet ist. Der Elektronenstrom, der n-Ieitenden Basiszone 32 kurzschließt. Auf diese der in die η-leitende Basiszone 22 eintritt und dort 55 Weise ist der Wirkungsgrad der Emitterzone des gesammelt wird, biegt nach rechts um und läuft auf pnp-Teiltransistors außerordentlich niedrig, so daß den kurzschließenden Teil 25 des Emitterkontaktes sich für den Stromverstärkungsfaktor a_pnp ein sehr zu und beginnt, die untere p-leitende Emitterzone niedriger Wert ergibt. Solange nicht ausreichend vorzuspannen. Wenn die Steuerelektrode 17 star- hohe Ströme erreicht werden, wirkt das Halbleiterker angesteuert wird, so fließt ein höherer Strom, und 60 bauelement wie ein gewöhnlicher npn-Transistor. Von schließlich setzt auch die Wirkung der unleren ausreichend hohen Stromwerten an werden jedoch Emitterzone 23 ein, die dann Löcher in Richtung die p-leitenden Emitterzonenteile 34 in der n-leitenden auf das «,,-Gebiet injiziert. An diesem Punkt weist der Basiszone 32 so weit vorgespannt, daß eine gewisse Kollektor-pn-Ubergang J_e eine Summe der beiden Injektion auftritt. Dadurch ergibt sich ein Stromver-Stromverstärkuhgsfaktoren auf, die gegen Eins gehl ^f»5 Stärkungsfaktor, der scheinbar von der Kontakt- und schaltet daher um. elektrode 37 herrührt. Dieser Stromverstärkungsfak-

Ein Abschalten des Halbleiterbauelementes wird tor« zuzüglich zum regulären Stromverstärkungsdadurch erreicht, daß die Steuerelektrode 17 mit faktor des npn-Teiltransistors geht bei einem aus-

reichend hohen Strom gegen Eins, und das Halbleiterbauelement geht in den leitenden Zustand über.

Dieses Halbleiterbauelement zeigt deshalb eine Abschaltverstärkung, weil der pnp-Teiltransistor der art ausgebildet ist, daß er keinen Haltestrom führen kann, wenn die Steuerelektrode 36 negativ vorgespannt ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltbares Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit drei pn-Ubergängen zwischen Schichten von abwechselndem und entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, bei dem eine flächenhafte Elektrode mit niedrigem ohmschem Widerstand an der Oberfläche jeder der beiden äußeren Schichten und an der frei liegenden Oberfläche der jeweils an sie angrenzenden inneren Schicht des Halbleiterkörpers mit ohmschem Kontakt so angebracht ist, daß die pn-Ubergänge zwischen den äußeren Schichten und der jeweils an sie angrenzenden inneren Schicht teilweise überbrückt sind, und bei dem an der frei liegenden Oberfläche der an die eine äußere Schicht angrenzenden inneren Schicht eine Steuerelektrode an einer Stelle angeordnet ist, zwischen der und der äußeren Schicht der nicht überbrückte Teil des pn-übergangs zur Außenfläche hindurchgeht nach Anspruch 4 des Hauptpatents 1 154 872, dadurch gekennzeichnet, daß der pn-übergang zwischen der mit der Steuerelektrode (17) versehenen inneren Schicht (21) und der inneren Schicht (22) ohne Steuerelektrode eine die Schicht dicke der beiden inneren Schichten variierende Stufe aufweist, die den Teiltransistor (20, 21, 22), dessen Basisschicht mit der Steuerelektrode versehen ist, in seinem Querschnitt senkrecht zur Schichtenfolge in ein an die Steuerelektrode (27) angrenzendes Gebiet (a_w) mit einem hohen Stromverstärkungsfaktor und in ein restliches Gebiet (a_L) mit einem wesentlich geringeren Stromverstärkungsfaktor unterteilt, und der hohe Stromverstärkungsfaktor kleiner als Eins ist.

2. Schaltbares Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit drei pn-Ubergängen zwischen Schichten von abwechselndem und entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp, bei dem eine flächenhafte Elektrode mit niedrigem ohmschem Widerstand an der Oberfläche einer der beiden äußeren Schichten und an der frei liegenden Oberfläche der an sie angrenzenden inneren Schicht des Halb leiterkörpers mit ohmschem Kontakt so angebracht ist, daß der pn-übergang zwischen der äußeren und der an sie angrenzenden inneren Schicht teilweise überbrückt ist, bei dem die äußere Schicht, deren pn-übergang überbrückt ist, aus mehreren Teilen besteht, zwischen denen die Oberfläche der angrenzenden inneren Schicht frei liegt, bei dem die flächenhafte Elektrode an der Oberfläche der Teilschichten und der dazwischenliegenden Abschnitte der angrenzenden inneren Schicht mit ohmschem Kontakt angebracht ist nach Anspruch 6 des Hauptpatents 1 154 872, dadurch gekennzeichnet, daß die andere aus einer Zone bestehende äußere Schicht (33) mit einer nicht überbrückenden ohmschen Elektrode (35) versehen und in die an sie angrenzende innere Schicht (31) eingelassen ist, daß diese mit einer ohmschen Steuerelektrode (36) versehen ist, daß der Teiltransistor (31, 32, 33), dessen Basisschicht mit der Steuerelektrode versehen ist, einen Stromverstärkungsfaktor kleiner als Eins und der Teiltransistor (31, 32, 34), dessen Basisschicht keine Steuerelektrode aufweist, einen wesentlich kleineren Stromverstärkungsfaktor aufweist und daß die Summe der Stromverstärkungsfaktoren der zwei Teiltransistoren dicht unterhalb Eins liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen