LIGHT ACTIVATED DEVICE

Abstract: 1. A light-controllable arrangement comprising a thyristor (Th ) which is integrated into a semi-conductor body and has an anode-side emitter zone (11) and a cathode-side emitter zone (3), and two inner zones (1,2) which are arranged between the emitter zones, and a light-controllable, current-amplifying arrangement which is integrated into the semiconductor body, the output of which is connected to the control input of the thyristor (Th ), at least the cathode-side emitter zone (3) being electrically connected to the adjacent inner zone (2) by a shunt, characterized in that the light-controllable, current-emplifying arrangement consists of a phototransistor (FT) and a field-effect transistor (FET), the gate input (G) of which is connected to the output of the phototransistor.

Description: Li chtsteuerbarer Thyristor Die Erfindung bezieht sich auf einen lichtsteuerbaren Thyristor, mit einem Halbleiterkörper mit einer anodenseitigen und einer katodenseitigen Emitterzone und zwei zwischen den Emitterzonen liegenden Innenzonen, mit einer in den Halbleiterkörper integrierten, durch Licht steuerbaren stromserstärkenden Anordnung, deren Ausgang mit dem Steuereingang des Thyristors verbunden ist, wobei mindestens die Batodenseitige Innenzone durch einen Nebenschluss elektrisch mit der angrenzenden inneren Zone verbunden ist. Ein solcher Thyristor ist bereits beschrieben worden. Bei TI:iyristoren dieser Art besteht im allgemeinen das Problem, dass eine sichere Zündung bereits mit geringen Lichtmengen erreicht werden soll. Beim bekannten Thyristor ist daher ein Hilfsthyristor in den Halbleiterkörper des Thyristors integriert, der den Steuerstrom für den den Laststrom schaltenden Thyristor liefert. Der Hilfsthyristor muss sehr empfindlich sein, um bereits bei geringen Lichtmengen einen für die Zündung des Thyristors ausreichenden Strom zu liefern. Hohe Lichtempfindlichkeit des Hilfsthyristors bringt jedoch eine hohe Empfindlichkeit gegen du/dt-Beanspruchungen mit sich. Beim bekannten Thyristor wird eine gute du/dt-Festigkeit und gleichzeitig eine relativ hohe Lichtempfindlichkeit durch einen speziell ausgebildeten Nebenschluss im Hilfsthyristor erreicht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen lichtsteuerbaren Thyristor der eingangs erwäbziten Art so weiterzubilden, dass die Li chtempfindlichkeit und die du/dt Festigkeit praktisch voneinander unabhängig einstellbar sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die lichtempfindliche Anordnung aus einem Fototransistor besteht, mit dessen Ausgang der Steuereingang eines Feldeffekttransistors verbunden ist. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird an Hand von Ausfuhrun#gsbeispielen in Verbindung mit den Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild der Erfindung, Fig. 2 den Schnitt durch einen lichtempfindlichen Thyri stor gemäss einem ersten Ausführungsbeispiel, Fig. 3 den Schnitt durch ein zweites Ausftllirungsbeispiel des Fototransistors und Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel des Fototransi stors. In Fig. 1 ist der Fototransistor mit FT, der Feldeffekttransistor mit FET und der Thyristor mit Th bezeichnet. Der Kollektor des Fototransistors FT ist mit der Anodenspannung Ua verbunden. Der Emitter des Fototransistors ist über einen Widerstand Rg entweder mit der katodenseitigen Emitterzone 3 des Thyristors oder mit der katodenseitigen inneren Zone 2 des Thyristors verbunden. Der Ausgang des Fototransistors ist derart mit dem Steuereingang G des FET verbunden, dass die am Widerstand Rg abfallende Spannung zwischen Steuereingang G und Quelle S des FET liegt. Die eingezeichneten Kondensatoren CB, Cc, , Cg, CGbezeichnen die Emitter-Basis-Kapazität und die Kollektor-Emitter-Kapazität des Fototransistors beziehungsweise die zwischen Steuereingang und Quelle und die zwischen Steuereingang und Senke des FET liegenden Kapazitäten. Die Senke D des FET, das heisst sein Ausgang, ist mit der anodenseitigen Mittelzone 1 des Thyristors, das heisst mit seinem Eingang, verbunden. Zumindest zwischen der Emitterzone 3 und der angrenzenden Innenzone 2 liegt ein das du/dt-Verhalten des Thyristors bestimmender Widerstand, der mit R 2 bezeichnet ist. Zur weiteren Verbesserung kann auch zwischen der anodenseitigen Emitterzone 11 und der angrenzenden Innenzone 1 ein weiterer Nebenschluss liegen, der durch den Widerstand R 1 symbolisiert ist. Die Anordnung kann auch so modifiziert sein, dass die Kapazität CC nicht zwischen Kollektor und Emitter des Fototransistors, sondern zwischen Kollektor des Fototransistors und Quelle S des FET liegt, wie durch die gestrichelte Verbindung angedeutet ist. Der Emitter des Fototränsistors bleibt jedoch mit dem Steuereingang des FET verbunden. Fällt auf den Emitter des Fototransistors FT Licht, zieht dieser Strom und im Widerstand Rg wird ein Spannungsabfall erzeugt, der den FET einschaltet. Damit fliessen bei der eingezeichneten Thyristorspannung negative Ladungsträger aus der Emitterzone 3 in die Innenzone 2 oder gemäss der Alternative direkt in die Laststrecke des FET und in die anodenseitige Innenzone 1 des Thyristors. Die Ansammlung von negativen Ladungsträgern in der Innenzone 11 regt eine Emission von positiven Ladungsträgern aus dieser Emitterzone 11 in die angrenzende Innenzone 1 an, die zum pn-Übergang zwischen den beiden Innenzonen diffundieren. Damit wird dieser pn-Über- gang in Durchlassrichtung vorgespannt und der Thyristor zündet. Um eine möglichst hohe Unempfindlichkeit gegen hochfrequente Störimpulse zu erreichen, empfiehlt es sich, die Grösse der Kapazitäten in folgendes Verhältnis zu setzen: C3 cs CC # < CG und CD < CG. Dies wird durch eine geeignete Dimensionierung der Anordnung erreicht. Die dargestellte Anordnung ist extrem lichtempfindlich, da der Fototransistor nur so viel Strom liefern muss, dass die Steuerspannung des FET über die Einsatzspannung er höht wird. Dieser von der Grösse des Widerstandes Rg abhängige Strom kann extrem klein sein, da der FET selbst einen sehr hohen Eingangswiderstand hat und so die Empfindlichkeit gegenüber einfallendem Licht wesentlich höher wird als bei bisher verwendeten Lösungen. Auf der anderen Seite ist die Empfindlichkeit des Thyristors gegen duAdt-Belastungen durch Wahl der Widerstände R 1 und R 2 in weiten Grenzen einstellbar. Eine mögliche Realisierungsform einer aus Fototransistor, FET und Thyristor bestehenden integrierten Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt. Die zum Beispiel n-dotierte Innenzone 1 des Thyristors bildet auch den Kol- lektor des Fototransistors FT und die Senke für den FET. Die katodenseitige Innenzone des Thyristors tritt teilweise an die Oberfläche des Halbleiterkörpers und ist mit 2 bezeichnet. In die Oberfläche des Halbleiterkörpers ist die katodenseitige Emitterzone 3 des Thyristors eingelassen. Sie ist stark n-dotiert. Die Quelle des FET wird durch-eine Zone 4 gebildet, die ebenfalls an der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegt und gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Zone 3 hat. Die katodenseitige Innenzone 2 hat ein dünneres Teil 5, das teilweise unter der Quelle 4 liegt und bis an die Oberfläche des Halbleiterkörpers reicht. Auf der vom FET abgewandten Seite des Halbleiterkörpers ist eine an die Oberfläche des Halbleiterkörpers angrenzende anodenseitige Emitterzone 11 angeordnet, die beispielsweise stark p-dotiert ist. Diese Emitterzone kann auch an der anderen Oberfläche des HalbleiterkÏrpers angeordnet sein und der katodenseitigen Emitterzone 3 gegenüberliegen. Im ersten Fall erhält man einen Lateralthyristor, während der zweite Fall einen Vertikalthyristor darstellt. Die Emitterzone 3 ist durch eine Emitterelektrode 6 kontaktiert. Die Quelle 4 des FET ist mit einer Elektrode 7 versehen, über die der Strom in die Quelle 4 fliesst. Im gezeigten Ausführrngsbeispiel stellt die Elektrode 7 auch den für die du/dt-Festigkeit des Thyristors notwendigen Nebenschluss zwischen Emitterzone 3 und der Basiszone des Thyristors dar, die durch einen Teil der Innenzone 2 gebildet ist. Der Widerstand des Nebenschlusses ist durch den Widerstand R 2 symbolisiert. Für den Fall, dass die Quelle des FET (S in Fig. 1) direkt mit der katodenseitigen Emitterzone 3 des Thyristors verbunden sein soll (durchgehende Leitung in Fig. 1), bilden die katodenseitige Emitterzone 3 und die Quelle 4 des FET eine einzige Zone. Für diesen Fall ist die Elektrode 7 entbehrlich und der notwendige Nebenschluss wird durch eine die Zone 2 kontaktierende Elektrode 10 hergestellt. Der Widerstand ist auch in diesem Fall mit R 2 bezeichnet. Die Elektrode 10, das heisst der Nebenschluss, muss auf Jeden Fall an einer von der Steuerzone des FET entfernt liegenden Stelle angeordnet sein. Als wentferntn soll eine Entfernung angesehen werden, bei der der Wi- derstand in der Schicht 2 mindestens 50 Ohm beträgt. Der an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tretende Teil der Steuerzone 5 des FET ist von einer Steuerelektrode 9 überdeckt, Jedoch durch eine auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegende Isolierschicht 8 elektrisch von dieser getrennt. Die Isolierschicht 8 kann zum Beispiel aus Siliciumdioxid bestehen. Die Steuerzone 5 des FET ist vorzugsweise dünner als die Zone 2, um eine kurze Kanallänge und damit eine hohe Schaltgeschvindigkeit des FET zu ermöglichen. Der Fototransistor FT weist eine Emitterzone 13 auf, die zum Beispiel stark n-dotiert ist, sowie eine darunterliegende p-dotierte Basiszone 14. Die Emitterzone 13 und die Basiszone 14 ist von einer stark p-dotierten Zone 15 umgeben. Diese dient dazu, den Emitter 13 mit Sicherheit von der Umgebung zu trennen. An der Oberfläche des Halbleiterkörpers ist eine weite- re, die Emitterzone 13 und Basiszone 14 umgebende stark p-dotierte Zone 16 angeordnet, die mit einer Hilfselektrode 17 kontaktiert ist. An diese Hilfselektrode 17 ist eine Hilfspannung gleicher Polarität wie die Emitterspannung anlegbar. Die Emitterzone 13 ist mit einer Emitterelektrode 18 kontaktiert, die elektrisch mit der Steuerelektrode 9 des FET verbunden ist. Wird an den Thyristor und den Fototransistor eine Spannung der eingezeichneten Polarität angelegt, so erzeugen auf die Oberfläche des Fototransistors auftreffende Lichtstrahlen in der sich in der Zone 1 ausbildenden Raumladungszone Ladungsträgerpaare. Von diesen wandern die Löcher in Richtung auf die Basiszone 14 und verursa- chen eine Emission von negativen Ladungsträgern aus der Emitterzone 13. Wird die Hilfselektrode 17 an eine gegen Anode negative Spannung gelegt, so bildet sich eine Form der Raumladungszone aus, die ein Abfliessen der lichtelektrisch erzeugten Träger zum FET und zum Thyristor verhindern. Damit wird sichergestellt, dass der grösste Teil der erzeugten Ladungsträger zum Einschalten des Fototransistors beiträgt. Der Emitterstrom fliesst dann durch den Widerstand Eg und den Widerstand R 2 zur Kato- de. Der Widerstand Rg kann zum Beispiel durch eine Schicht 24 aus polykristallinem Silicium bestehen, die auf die Oberseite der Schicht 8 zwischen Steuerelektrode 9 und dem Kontakt 7 aufgedampft ist. Der Widerstand Rg kann zum Beispiel auch eine integrierte Diode sein. Der Strom erzeugt am Widerstand Rg einen Spannungsabfall, der die Steuerelektrode 9 des FET positiv vorspannt. Damit bildet sich an dem an die Oberfläche des Halbleiterkörpers grenzenden Teil der Steuerzone 5 des FET ein Kanal 22 aus. Durch diesen Kanal fliessen nun negative Ladungsträger in die Zone 1 in Richtung auf die anodenseitige Emitterzone 11 des Thyristors zu. Dieser emittiert dann positive Ladungsträger, die zum pn-Über- gang 23 diffundieren und im Bereich der Zone 3 eine Emission von negativen Ladungsträgern aus der Zone 3 hervorrufen. Damit wird der pn-Übergang 23 in Durchlassrichtung vorgespannt und der Thyristor kann zünden. In Fig. 3 ist eine abgewandelte Form des Fototransistors dargestellt, die mit dem FET und dem Thyristor nach Fig. 1 kombiniert werden kann. ¯Der Fototransistor unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 hauptsächlich darin, dass die Emitterzone 13 so in die Basiszone 14 eingelassen ist, dass die Basiszone 14 am Rand an die Oberfläche des Halbleiterkörpers anstösst. Dieser Teil der Basiszone 14 und der an die Oberfläche tretende Teil der Kollektorzo- ne ist von Hilfselektroden 21 überdeckt, die gegen die Basiszone und die Kollektorzone durch die Isolierschicht 8 isoliert sind. Die Hilfselektroden 21 sind an eine Hilfsspannung gleicher Polarität wie die Emitterspannung anlegbar. Bei angelegter Hilfsspannung verformt sich die Raumladungszone in der Zone 1 so, dass die erzeugten Löcher von allen Seiten zur Basis fliessen können, wie dies durch die Pfeile angedeutet ist. Der Fototransistor nach Fig. 4 unterscheidet sich von dem nach Fig. 3 im wesentlichen dadurch, dass die Emit- terzone 13 und die Basiszone 14 in mehrere Teilemitterzonen 20 und diesen zugeordneten Teilbasiszonen 19 auf- geteilt ist. Hierbei sind alle an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tretenden Teile der Teilbasiszonen 19 von Hilfselektroden 21 bedeckt. Die Emitterelektroden sind hier der besseren Übersichtlichkeit halber vereinfacht durch Drähte dargestellt. Wird an den Transistor eine Spannung und an die Hilfselektroden 21 die Hilfs- spannung angelegt, so bildet sich eine Raumladungszone aus, von der eine Äquipotentiallinie in der Zone 1 angedeutet ist. Die Löcher fliessen dann von allen Seiten, wie durch die Pfeile angedeutet, auf die Teilbasiszonen 19 zu. Die an einer Hilfsspannung liegende Hilfszone 16 dient wieder dazu, den Abfluss der erzeugten Löcher nach aussen zu verhindern. Sie schirmt auch den Fototransistor gegen lichtunabhängige Störströme ab, die in anderen Teilen des Thyristors fliessen können. Um den Lichteinfall in die Zone 1 möglichst wenig zu stören, werden die Hilfselektroden 21 dünn ausgeführt. Bestehen sie zum Beispiel aus stark n-dotiertem polykristallinem Silicium, so ist eine Dicke von zum Beispiel 0,5 /um ausreichend, da das Silicium in dieser Dicke im wesentlichen durchsichtig ist. Zweckmässigerweise werden die Hilfszone 16 und die Hilfselektroden 21 an dieselbe Hilfsspannung angeschlossen, die zum Beispiel die Emitterspannung sein kann. Die Zonen 13, 4 und 3 können gleichzeitig zum Beispiel durch eine erste Ionenimplantation hergestellt werden. Mittels einer zweiten Ionenimplantation kann die Basiszone 14 und der Steuerteil 5 des FET hergestellt werden. Die Zonen 15, 16, 2 und 11 werden zweckmässigerweise durch den gleichen Diffusionsschritt erzeugt. Besonders gUnstige Ausführungsbeispiele lassen sich mit folgenden Dimensionierungen und Dotierungen erzielen: Dicke der Mittelzone 1: 10 bis 100 #m, Dotierung 1014 bis 5 . 1015 cm 3; Randdotierung der Zone 2: 1016 bis 1017 cm -3, Dicke 0,5 bis 5 1um; Dicke der Steuerzone 5 und der Basis 14: 0,3 bis 1 /um, Implantation Dosis 2 bis 5 . 1012 cm 2, Energie 150 Energie 150 bis 200 keV; Dicke der Zonen 3, 4, 13: 0,1 bis 1015 bis 1016 16 cm-2 s 1 100 bis 150 keV; Arsen-Implantation Dosis 1015 bis 1016 cm-2 , Energie 100 bis 150 keV; Dicke der Hilfselektroden 21: 0,4 bis 1 /um, Breite der Emitterteilzonen: 5 bis 20 /um, Abstand 20 bis 50 /um; laterale Ausdehnung der Anordnung zum Beispiel 100 bis 200 /um, Dicke der Anordnung etwa 250 bis 500 /um. Für grössere Leistungen empfiehlt es sich, die beschriebene Anordnung im Vielfach auf einem einzigen Chip nach Art einer integrierten Schaltung anzuordnen und die Je- weiligen Spannungen durch entsprechende Leiterbahnen zuzuführen. Mit den angegebenen Abmessungen ist auch die eingangs erwähnte Bedingung für die Kapazitäten erfüllt. 10 Patentansprüche 4 Figuren

Claims: Patentansprüche 1. Lichtsteuerbarer Thyristor, mit einem Halbleiterkörper mit einer anodenseitigen und einer katodenseitigen Emitterzone und zwei zwischen den Emitterzonen liegenden Innenzonen, mit einer in den Halbleiterkörper integrierten, durch Licht steuerbaren stromverstärkenden Anordnung, deren Ausgang mit dem Steuereingang des Thyristors verbunden ist, wobei mindestens die katodenseitige Innenzone durch einen Nebenschluss elektrisch mit der angrenzenden inneren Zone verbunden ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die lichtempfindliehe Anordnung aus einem Fototransistor (FT) besteht, mit dessen Ausgang der Steuereingang (G) eines Feldeffekttransistors (FET) verbunden ist. 2. Lichtsteuerbarer Thyristor nach Anspruch 1, d a d u r e h g e k e n n z e i 0 h n e t , dass die Quelle (S) des FET durch eine an der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegende Zone (4) gleichen Leitfähig- keitstyps wie die katodenseitige Emitterzone (3) des Thyristors gebildet ist, dass die Senke (D) des FET ein an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tretendes Teil der anodenseitigen Innenzone (1) ist, dass die Steuerzone des FET durch ein sich bis zur Oberfläche des Halbleiterkörpers erstreckendes, zwischen Quelle und Senke liegendes Teil (5) der katodenseitigen Innenzone (2) gebildet ist; dass auf der vom Thyristor abgewandten Seite des FET eine weitere, an der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegende, den Emitter des Fototransistors bildende Zone (13) vom gleichen Leitfahigkeitstyp wie die katodenseitige Emitterzone (3) des Thyristors angeordnet ist, dass unter dieser eine dem Fototransistor zugeordnete Basiszone (14) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps liegt; dass die Emitterzone (13) des Transistors durch eine Emitterelektrode (18) kontaktiert ist, dass der an die Oberfläche tretende Teil der Steuerzone (5) des FET von einer gegen die Steuerzone elektrisch isolierten Steuerelektrode (9) überdeckt ist; und dass die Emitterzone (13) des Fototransistors (FT) und die Steuerelektrode (9) elektrisch miteinander verbunden sind. 3. Lichtsteuerbarer Thyristor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die katodenseitige Emitterzone (3) des Thyristors und die Quelle (4) des FET eine einzige Zone bilden. 4. Lichtsteuerbarer Thyristor nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h gekennzeichnet, dass die anodenseitige Emitterzone (11) des Thyristors an die gleiche Oberfläche des Halbleiterkörpers angrenzt wie die katodenseitige Emitterzone (3) und dass sie auf der dem FET abgewandten Seite der katodenseitigen Emitterzone (3) liegt. 5. Lichtsteuerbarer Thyristor nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r e h g e k e n n z e i c h n e t , dass die anodenseitige Emitterzone (11) des Thyristors an die der katodenseitigen Emitterzone (3) gegenüberliegende Oberfläche des Halbleiterkörpers angrenzt und der katodenseitigen Emitterzone (3) gegenüberliegt. 6. Lichtsteuerbarer Thyristor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Emitter- und Basiszone (13, 14) des Fototransistors von einer Hilf szone (16) umgeben ist, die gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Basiszone (i4), jedoch höhere Dotierung hat, und dass diese Hilfszone (16) an eine Hilfsspannung anschliessbar ist, die gleiche Polarität wie die Emittersp annung hat. 7. Lichtsteuerbarer Thyristor nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Emitter- und Basiszone (13, 14) des Fototransistors nach Art einer Planarstruktur in die Oberfläche des Halbleiterkörpers eingelassen sind und dass der an die Oberflache tretende Teil der Basiszone (14) und der Koliektor- zone (i) von einer elektrisch gegen diese isolierte Hilfselektrode (21) überdeckt wird, die an eine Hilfs- spannung gleicher Polarität wie die Emitterspannung anschliessbar ist. 8. Lichtsteuerbarer Thyristor nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Emitter- und Basiszone des Fototransistors unterteilt ist und dass alle an die Oberfläche tretenden Teilbasiszonen (19) von Hilfselektroden (21) überdeckt sind, und dass Jeweils alle Hilfselektroden (21) und alle Teilemitterzonen (20) elektrisch miteinander verbunden sind. 9. Lichtsteuerbarer Thyristor nach einem der Ansprüche 6 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die Hilfselektroden (21), die Hilfszone (16) und die Emitterzonen (13, 20) an der gleichen Spannung liegen. 10. Lichtsteuerbarer Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Emitterzone (13, 20) des Fototransistors, die Quelle (4) des FET und die katodenseitige Emitterzone (3) des Thyristors durch einen ersten, die Basiszone (14) des Fototransistors und die Steuerzone (5) des FET durch einen zweiten Ionenimplantationsschritt hergestellt sind.

Inventors: TIHANYI, JENO, DR. DIPL.-PHYS., Tihanyi, Jenö, Dr. Dipl.-Phys.
Applicants: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT
Application year: 1980
Main classification: H01L31
IPC codes: H01L31, H01L29, H03K17, H01L27