DE4433796A1 - Steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein anodenseitig ansteuerbares Halbleiterbauelement, dessen Halbleiterkörper eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, parallel geschalteter Einheitszellen mit Thyristorstruktur aufweist, und auf bidirektionale Halbleiterschalter mit einem solchen anodenseitig aussteuerbaren Halbleiterbauelement.

Bidirektionale Halbleiterbauelemente, die in beiden Polungsrichtungen der Hauptelektroden durch ein Steuersignal ein- und möglichst auch abgeschaltet werden können, sind für viele Wechselstromanwendungen sehr vorteilhaft. Ein häufig eingesetztes Bauelement dieser Art ist der Triac, der zwei antiparallel angeordnete Thyristorstrukturen enthält und unabhängig vom Vorzeichen der anliegenden Spannung durch Gatestrom eingeschaltet werden kann. Abgeschaltet werden kann der Triac nicht über das Gate, sondern nur durch Umpolung der Hauptelektroden.

Ein Bauelement, das durch MOS-Gate in beiden Polungsrichtungen sowohl ein- als auch abschaltbar ist, wurde in IEEE Transactions on Electron Devices, vol. ED-27 (1980), S. 380-87, beschrieben. Bei diesem sogenannten TRIMOS (MOS-Triac) handelt es sich um ein lateral es Bauelement, das aus zwei spiegelbildlich angeordneten DMOS-Transistoren besteht, deren Gateelektroden miteinander verbunden sind. Der Spannungsbereich ist hierbei durch die Durchbruchspannung des Gateoxids begrenzt und reicht typischerweise nur bis etwa 50 V. Wenn man die Gatelektroden voneinander trennt und einzeln ansteuert, können Spannungen bis etwa 300 V erreicht werden. Dabei wirkt sich günstig aus, daß das Bauelement bei höheren Strömen wie ein IGBT funktioniert, so daß der On-Widerstand durch Leitfähigkeitsmodulation reduziert wird. Durch die Trennung der Gateelektroden, die von den beiden verschiedenen Hauptelektroden aus angesteuert werden, gehen aber Vorteile bei der Ansteuerung wieder verlo­ ren.

Ein bilateral schaltendes Bauelement mit Thyristorstruktur und lateralem Aufbau, das als BEST (bilateral emitter switched thyristor) bezeichnet wird, wurde auf dem International Electron Device Meeting IEDM 1992 vorgestellt (IEDM′92-Konferenzband, S. 249-252). Das Sperrvermögen des Bauelements betrug weniger als 70 V. Die Charakteristiken sind vergleichbar mit denen des TRIMOS. Durch den lateralen Aufbau dieser Schaltelemente ist nicht nur der Spannungsbereich eng begrenzt sondern auch der schaltbare Strom. Zum Ein- und Abschalten ist für jede Stromrichtung ein eigenes MOS-Gate vorgesehen, das von der Kathodenelektrode der jeweiligen Stromrichtung angesteuert wird. Dies ist wegen des Aufwands für die Treiberelektronik nachteilig. Für vertikale bidirektionale Bauelemente ist ein solches Konzept ungeeignet.

Die üblichen Leistungsbauelemente wie der MOSFET, der insulated-gate Bipolartransistor oder IGBT, der normale Bipolartransistor und der (GTO-)Thyristor werden von der Kathode aus angesteuert und erfordern eine positive Steuerspannung zum Einschalten. Für einen bidirektionalen Schalter, der durch ein (relativ kleines) Gatesignal bezogen auf eine feste Hauptelektrode geschaltet werden kann, braucht man neben einem üblichen kathodenseitig ansteuerbaren Bauelement ein anodenseitig ansteuerbares Bauelement. Durch Vertauschen von n- und p-Leitfähigkeitstyp in den verschiedenen Halbleiterzonen erhält man aus den genannten üblichen anodenseitig ansteuerbare Bauelemente. Diese besitzen aber den Nachteil, daß sie nicht zusammen mit den üblichen integrierbar sind, u. a. da die schwach dotierte Basis zur Aufnahme der Spannung den umgekehrten Leitungstyp, nämlich p-Leitung, besitzt. Ein zweiter Nachteil dieser anodenseitig steuerbaren Bauelemente besteht darin, daß das Gatesignal zum Schalten umgekehrte Polarität haben muß wie bei dem normalen: zum Einschalten ist eine negative Spannung am Gate erforderlich. Ein bidirektionaler Schalter mit solchen Einzelbauelementen verlangt also zum Ein- und Abschalten in den beiden Stromrichtungen Steuersignale entgegengesetzter Polarität, u. a. muß beim Stromnulldurchgang das Steuersignal geändert werden. Infolgedessen wird eine aufwendigere Treiberelektronik benötigt.

In der Patentanmeldung P 44 02 877 wurde ein MOS-gesteuerter Thyristor vorgeschlagen, der durch einen in die n-Emitterzone integrierten p-Kanal- MOSFET in Serie zu der Thyristorstruktur ein- und abgeschaltet werden kann. Beim Abschalten wird die an dem MOSFET sich aufbauende Spannung über einen zweiten integrierten MOSFET, der sich automatisch einschaltet, wenn der erste abgeschaltet wird, als negative Gatespannung an die p-Basis des Thyristors gelegt. Dadurch wird ein effizientes Abschalten ermöglicht. Der von außen an gesteuerte MOSFET und der Thyristor sind unter Verwendung des zweiten, internen MOSFETs nach Art der bekannten Kaskodenschaltung integriert. Das Bauelement läßt einen hohen Durchlaßstrom pro Fläche bei geringer Durchlaßspannung zu, kann bis zu hohen Sperrspannungen eingesetzt werden und hat eine Kennlinie mit Strombegrenzung.

Wie in dieser Patentanmeldung beschrieben, erhält man durch Vertauschen von n- und p-Leitung in den verschiedenen Halbleiterzonen ein inverses Bauelement, das von der Anodenseite her ansteuerbar ist. Dieses Bauelement wird wie die üblichen Bauelemente durch positive Gatespannung eingeschaltet und durch Wegnahme oder Umkehrung des Gatesignals abgeschaltet. Da es eine schwach dotierte p-Basiszone zur Aufnahme der Spannung enthält, eignet sich aber nicht zur monolithischen Integration gemeinsam mit üblichen Bauelementen, die Transistor- oder Thyristorstrukturen aufweisen.

Der Erfindung liegt das allgemeine Problem zugrunde, ein bidirektional betreibbares Bauelement zu schaffen, das durch MOS-Gate ein- und ab­ schaltbar und für einen größeren Spannungs- und Strombereich geeignet ist als die bekannten bidirektionalen ein- und abschaltbaren Bauelemente. Das Bauelement soll für beide Stromrichtungen von der gleichen Hauptelektrode aus ansteuerbar sein, und zwar mit der gleichen Polarität des Steuerimpulses.

Ein Teilproblem der Erfindung ist dabei die Schaffung eines von der Anodenseite her ansteuerbaren MOS-Bauelements, das zusammen mit herkömmlichen Bauelementen, die Transistor- oder Thyristorstruktur aufweisen, integrierbar ist. Ein solches anodenseitig ansteuerbares Bauelement ist auch an sich von Bedeutung, da es dann in einer bei üblichen Bauelementen verwendeten Technologie herstellbar ist. Das Bauelement soll durch positive Steuerspannung (gegenüber der Anode) einschaltbar und durch Wegnahme oder Umkehrung der Steuerspannung abschaltbar sein.

Das Problem wird bei einem Halbleiterbauelement der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an eine schwach dotierte n-Basis­ zone nach beiden Seiten höher dotierte p-Zonen als p-Basiszone und p- Emitterzone angrenzen und auf die p-Basiszone eine hoch dotierte n- Emitterzone folgt, die mit einer Kathodenelektrode kontaktiert ist, daß in der p-Emitterzone ein erster n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor, der durch eine floatende Elektrode in Serie mit der Thyristorstruktur geschaltet ist, integriert ist, daß die Drain-Elektrode des ersten MOS-Feldeffekttransistors mit einer äußeren Anodenelektrode versehen ist, die keinen Kontakt mit der p-Emitterzone hat und daß zwischen der n-Basiszone und der Drain-Zone des ersten MOS-Feldeffekttransistors ein zweiter n-Kanal-MOS- Feldeffekttransistor integriert ist. Dieses Halbleiterbauelement läßt sich zusammen mit anderen, an sich bekannten Bauelementen integrieren, um bestimmte elektrische Funktionen zu erzeugen, insbesondere um ein bidirektional schaltbares Bauelement mit nur einem Gate zu erzeugen, das unabhängig von der Stromrichtung mit gleicher Spannung angesteuert werden kann.

Das isolierte Gate des zweiten MOS-Feldeffekttransistors, das sich über dem p-Gebiet zwischen n-Basis und n⁺-Gebiet befindet, ist in einer bevorzugten Ausführungsform mit der äußeren Anode verbunden. Da es sich bei dem vorstehend beschriebenen Bauelement um eine spezielle Art eines inversen Cascoden-geschalteten MOS-Thyristors handelt, wird es im folgenden abgekürzt als ICMT bezeichnet. Der MOS-Feldeffekttransistor wird im folgenden als MOSFET bezeichnet.

Obwohl der ICMT ein anodenseitig ansteuerbares Bauelement ist, hat es mit der schwach dotierten n-Basiszone und den sich nach beiden daran anschließenden höher dotierten p-Zonen sowie den darauf folgenden n⁺- Zonen einen Aufbau, der in seiner Struktur weitgehend dem von üblichen Transistor- bzw. Thyristor-Bauelementen entspricht. Das anodenseitig ansteuerbare Bauelement kann daher leicht zusammen mit üblichen Bauelementen auf einem Halbleiterchip integriert werden. Als Einzelbauelement kann der ICMT wirtschaftlich mit bei üblichen Bauelementen verwendeten Technologien hergestellt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Unter­ teilung in Einheitszellen durch wannenförmige Ausbildung der p-Emitterzone vorgenommen ist, daß in die p-Emitterzone der Einheitszellen parallel zu deren Rand an mindestens einer Seite zwei n⁺-Zonen im Abstand voneinander eingebettet sind, daß die n⁺-Zonen mit dem zwischen ihnen liegenden p-Gebiet der p-Emitterzone und einer darüber angeordneten, isolierten Gate-Elektrode den ersten n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor bilden, daß das eine dem Rand der wannenförmigen p-Emitterzone benachbarte n⁺- Gebiet und die an die Oberfläche tretende n-Basiszone zusammen mit dem zwischen ihnen liegenden Gebiet der p-Emitterzone und eine darüber an geordneten Gate-Elektrode den zweiten n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor bilden, daß die andere n⁺-Zone und die p-Emitterzone eine gemeinsame floatende Elektrode haben, und daß die dem Rand benachbarte n⁺-Zone mit der äußeren Anodenelektrode verbunden ist, die keinen Kontakt mit der p- Emitterzone hat.

Ein ICMT der oben beschriebenen Art kann sowohl mit vertikaler als auch lateraler Thyristorstruktur realisiert werden. Bei vertikaler Ausbildung sind die n-Emitterzone, die p-Basiszone, die n-Basiszone, die p-Emitterzone und der Anodenkontakt übereinander angeordnet, wobei der mit der n- Emitterzone verbundene Kathodenkontakt auf der unteren Begrenzungsebene und die Anodenelektrode sowie die Gate-Elektrode auf der oberen Begrenzungsebene des Halbleiterkörpers angeordnet sind.

Bei lateraler Ausbildung ist die schwach dotierte n-Basiszone auf einem Substrat angeordnet, von dem sie durch eine Isolatorschicht oder einen pn- Übergang getrennt ist. In die n-Basiszone sind wannenartig, in lateralem, durch die Sperrfähigkeit gegebenen Abstand voneinander die p-Basiszone und die p-Emitterzone eingebettet. In die p-Basiszone ist die n-Emitterzone und in die p-Emitterzone sind die Source- und Drainzonen des ersten MOS- Feldeffekttransistors eingebettet.

Damit das Bauelement bei Einschalten des ersten MOSFETs und Anliegen einer negativen Spannung an der Kathode einschaltet, muß der in Serie liegende Thyristor gezündet werden. Das Zünden des Thyristors kann dadurch erreicht werden, daß er in Schaltrichtung an sich nicht sperrfähig angelegt ist. Bevorzugt aber hat der Thyristor ein Vorwärtssperrvermögen, und er wird dann erfindungsgemäß mit einer speziellen Vorrichtung zum Zünden durch das anodenseitige Gate ohne Zugriff auf die n- und p- Basiszone ausgestattet. Eine Ausführungsform einer solchen Zündanordnung besteht darin, daß im Halbleiterkörper in größerer Entfernung von dem Flächenbereich mit den Einheitszellen oder durch Unterbrechung der p- Emitterzone von diesen getrennt ein Zündbereich angeordnet ist, bestehend aus einer p-Emitterzone mit der daran angrenzenden n-Basiszone, der daran anschließenden p-Basiszone und der darauf folgenden n-Emitterzone, wobei die p-Emitterzone mit einem Zünd-Gate-Kontakt versehen ist und eine n⁺- Zone enthält, deren Kontaktelektrode mit der floatenden Elektrode verbunden ist, jedoch im Zündbereich nicht den pn-Übergang zwischen der p-Emitterzone und eingebetteter n⁺-Zone kurzschließt. Mit Hilfe dieses Zündbereichs ist das Halbleiterbauelement durch das Gate ein- und abschaltbar. In einer alternativen Anordnung zum Einschalten der Thyristorstruktur ist am Rande des Halbleiterkörpers eine Oberflächenkanalzone vorgesehen, die die p-Emitterzone mit der p-Kanalzone verbindet, im abgeschalteten Zustand aber durch die sich einstellende Spannung an einem MOS-Gate unterbrochen wird. Dieses durch MOS-Gate ein- und abschaltbare Halbleiterbauelement ist im Anspruch 7 beschrieben.

Eine bevorzugte laterale, durch MOS-Gate ein- und abschaltbare Ausführungsform des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements ist im Anspruch 8 beschrieben.

Ein bidirektionaler Halbleiterschalter ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß ein anodenseitig ansteuerbares, Halbleiterbauelement der oben beschriebenen Art in einer Hybridschaltung zusammen mit einem an sich bekannten kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelement angeordnet ist. Bei einem solchen Halbleiterschalter sind der Anodenanschluß des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements und der Kathodenanschluß des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements zu einer gemeinsamen ersten Hauptelektrode und die Kathode der anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements sowie die Anode des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements zu einer zweiten Hauptelektrode verbunden. Die Gate-Elektroden der beiden Halbleiterbauelemente sind bevorzugt zu einer gemeinsamen Gate-Elektrode verbunden.

Ein monolithisch integriertes, bidirektional schaltbares Halbleiterbauelement ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß Einheitszellen des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements der oben beschriebenen Art in einem Hallbeiterkörper mit Einheitszellen eines kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements angeordnet sind und daß die Einheitszellen des anodenseitig steuerbaren Halbleiterbauelements in einem ersten Flächenbereich und die Einheitszellen des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements in einem zweiten Flächenbereich des Halbleiterkörpers angeordnet sind. Die Einheitszellen des bekannten kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements im zweiten Flächenbereich bilden vorzugsweise einen Insulated-Gate-Bipolar-Transistor (IGBT) mit einer anodenseitigen p-Zone, einer n-Basiszone und einer kathodenseitigen p-Zone, in die eine n⁺-Zone eingebettet ist, die zusammen mit der n-Basiszone, dem dazwischen liegenden Gebiet der kathodenseitigen p-Zone und einem isolierten Gate einen MOS-Feldeffekttransistor bildet, wobei die kathodenseitige Elektrode mit der Anodenelektrode und die anodenseitige Elektrode mit der Kathodenelektrode des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements verbunden sind. Die Gate-Elektrode des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements und die Gate-Elektrode des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements sind bevorzugt zu einer gemeinsamen Gate-Elektrode verbunden.

Wenn die Thyristorstruktur ohne Vorwärtssperrvermögen ausgelegt ist, werden zur Vermeidung einer Shortung im Grenzbereich zwischen dem ersten und zweiten Flächenbereich die n-Emitterzone und die p-Basiszone des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements im ersten Flächenbereich von der anodenseitigen p-Zone des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements im zweiten Flächenbereich getrennt. Zweckmäßige Mittel zur Trennung sind in den Ansprüchen 14 und 15 beschrieben.

Als Alternative zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann in einem vom ersten Flächenbereich getrennten oder entfernten Bereich ein Zündgate vorgesehen sein, welches eine in die n-Basiszone wannenförmig eingebettete p-Zone mit einem Gate-Kontakt aufweist, der mit der Gate- Elektrode des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements verbunden ist, welches weiterhin eine zweite, in die n-Basiszone eingebettete p-Zone enthält, die durch einen MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp mit der ersten p-Zone verbunden ist und eine n⁺-Zone mit einer Kontaktelektrode enthält, wobei diese Kontaktelektrode mit der floatenden Elektrode und die Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp mit der Kontaktelektrode einer zusätzlich in die n-Basiszone eingebetteten p-Zone verbunden ist, die bei Rückwärtssperrbetrieb des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements in der Raumladungszone um den pn- Übergang liegt.

Ein weiteres bidirektional schaltbares Halbleiterbauelement besteht erfindungsgemäß darin, daß es aus einer einzigen Gruppe von in sich bidirektional schaltbaren Einheitszellen der oben beschriebenen Art gebildet wird, die aus dem oben beschriebenen ICMT-Einheitszellen hervorgehen, indem die n-Emitterzone und die p-Basiszone in Teilbereichen durch eine an die Kathodenmetallisierung angrenzende p-Zone ersetzt wird, die auf die oben beschriebene Art von der n-Emitterzone und der p-Basiszone getrennt ist, wobei die Anodenmetallisierung und die Kathodenmetailisierung mit einer ersten und zweiten Hauptelektrode verbunden sind und indem die Gate- Elektrode von der zweiten Hauptelektrode getrennt und mit einem vom Gateanschluß des ersten MOSFET getrennten Gateanschluß verbunden ist, so daß bei leitender Verbindung des Gates des zweiten MOS- Feldeffekttransistors mit der ersten Hauptelektrode die Funktion des durch das Gate des ersten MOS-Feldeffekttransistors schaltbaren anodenseitig steuerbaren Halbieiterbauelements und bei positiver Ansteuerung des Gates des ersten MOS-Feldeffekttransistors die Funktion des durch das Gate des zweiten MOS-Feldeffekttransistors kathodenseitig schaltbaren Insulated-Gate- Bipolar-Transistors erhalten wird.

Bei dieser Ausführungsform ist jede Einheitszelle an sich als bidirektionaler Schalter ausgebildet, der den Strom in beiden Flußrichtungen ein- und abschalten kann. Ein bedeutender Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß sie weniger Halbleiteroberfläche benötigt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Einheitszelle eines erfindungsgemäßen anodenseitig ansteuerbaren integrierfähigen MOS-Bauelements (ICMT-Element) im Schnitt;

Fig. 2 einen Bereich eines anodenseitig ansteuerbaren, integrier­ fähigen MOS-Bauelements, der eine Gateelektrode zum Zünden aufweist, im Schnitt;

Fig. 3 den Randbereich eines anderseitig ansteuerbaren integrier­ fähigen MOS-Bauelements zum Zünden durch MOS-Gate;

Fig. 4 ein anodenseitig ansteuerbares, laterales integrierfähiges Bauelement;

Fig. 5 ein bidirektionales Bauelement, das eine Einheitszeile gem. Fig. 1 und eine IGBT-Einheitszelle aufweist;

Fig. 6a-d das bidirektionale Bauelement gem. Fig. 4 in verschiedenen Betriebszuständen und zwar:

Fig. 6a im Vorwärtssperrzustand (Arbeitspunkt auf der Sperrkennlinie im ersten Quadranten);

Fig. 6b im Vorwärtsdurchlaßzustand (Arbeitspunkt auf der Durchlaß­ kennlinie im ersten Quadranten);

Fig. 6c im Rückwärtssperrzustand (Arbeitspunkt auf der Sperrkennlinie im dritten Quadranten);

Fig. 6d Rückwärtsdurchlaßzustand (Arbeitspunkt auf der Durchlaß­ kennlinie im dritten Quadranten);

Fig. 7 einen Teilbereich eines bidirektionalen Bauelements mit nichtgeshortetem pn-Übergang an einer Hauptelektrode im Schnitt;

Fig. 8 ein besonders ausgestalteter Zündbereich eines anodenseitig ansteuerbaren MOS-Bauelements, mit dem ein Einschalten bei Rückwärtsbelastung unterbunden wird im Schnitt;

Fig. 9 eine Einheitszelle mit bidirektionaler Schaltfähigkeit im Schnitt.

In Fig. 1 ist eine Einheitszelle eines erfindungsgemäßen anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements im Schnitt dargestellt. Die Einheitszelle enthält eine schwach dotierte n-Basiszone 3, an die sich jeweils nach unten bzw. oben eine höher dotierte p-Basiszone 2 und eine höher dotierte p- Emitterzone 4 anschließen.

Auf die untere p-Basiszone 2 folgt nach unten eine hoch dotierte n⁺- Emitterzone 1. Diese stellt den Kathodenemitter einer Thyristorstruktur dar, welche aus der Schichtenfolge 1, 2, 3, 4 gebildet wird. Die obere p- Emitterzone 4 ist wannenförmig ausgebildet, derart daß seitlich die n- Basiszone 3 an die Oberfläche tritt. In diese p-Wanne sind pro halber Ein­ heitszeile zwei n⁺-Zonen 5a, 5b eingebettet und das dazwischen liegende p- Gebiet ist mit einer isolierten Gateelektrode 6 versehen, so daß ein lateraler n-Kanal-MOSFET M1 gebildet wird. Die Isolatorschicht unter der Gateelektrode besteht in der Regel aus Siliziumdioxid, die Gateelektrode 6 aus dotiertem Polysilizium. Die n⁺-Emitterzone 1 ist mit einer Kathodenmetallisierung 7 bedeckt, die mit einem Kathodenanschluß K verbunden ist. Die neben dem MOSFET-Bereich an die Oberfläche tretende Anodenemitterzone 4 des Thyristors ist mit einer floatenden Verbindungselektrode FE versehen, die gleichzeitig die benachbarte n⁺-Zone 5a des MOSFETs M1 kontaktiert und somit die vertikalen Thyri­ storstrukturen 1, 2, 3, 4, die in Fig. 1 mit Th bezeichnet ist, mit dem lateralen MOSFET M1 aus den Zonen 5a, 4, 5b verbindet. Das der Verbindungselektrode FE abgewandte n⁺-Gebiet 5b des MOSFETs M1 ist mit einem mit dem äußeren Anodenanschluß A verbundenen Anodenkontakt 8 versehen, der keinen Kontakt mit der Anodenemitterzone 4 des Thyristors hat. Die Gateelektrode 6 des MOSFETs M1 ist mit dem Gateanschluß G verbunden.

Die Einheitszelle des inversen Bauelements nach Fig. 1 enthält noch einen zweiten MOSFET M2, der durch die mit dem Anodenkontakt 8 versehene, am Rande der p-Wanne liegende n⁺-Zone 5b, die an die Oberfläche gezogene n- Basiszone 3 und das dazwischen liegende Gebiet der p-Emitterzone 4 sowie die isolierte Gateelektrode 9 gebildet wird, welche mit dem äußeren Anodenkontakt 8 der n⁺-Zone 5b verbunden ist oder von ihr mitgebildet wird.

Die Struktur nach Fig. 1 ist i. a. als halbe Einheitszelle zu verstehen, aus der durch spiegelbildliche Ergänzung um die Symmetrieachse M eine volle Einheitszelle hervorgeht. Eine solche, mit ICMT bezeichnete Zelle enthält dann noch ein zweites Paar n⁺-Zonen an der gegenüber liegenden Seite der p-Wanne, so daß die MOSFETs M1 und M2 sich auch dort erstrecken.

Das Bauelement nach Fig. 1 basiert auf einer Weitereintwicklung des in der Patentanmeldung P 44 02 877 beschriebenen Bauelements, auf die hiermit Bezug genommen wird, um ein mit üblichen Schaltelementen integrierbares anodenseitig ansteuerbares Bauelement zu schaffen. Anstatt in die n- Emitterzone des Thyristors in der erwähnten Patentanmeldung ist der in Serie mit dem Thyristor liegende MOSFET M1 im vorliegenden Fall in die Anodenemitterzone integriert und als n-Kanal-MOSFET ausgelegt. Ausgestaltungen zum Einschalten werden weiter unten beschrieben. Wie schon erwähnt, kann man die Einheitszelle als eine kaskodenartige Inte­ gration eines Thyristors mit einem MOSFET (M1) ansehen. Das Bauelement hat in dieser Form, außer der gewünschten anodenseitigen Ansteuerbarkeit und Integrierfähigkeit, den Vorteil, daß der in Serie mit dem Thyristor liegende MOSFET M1 vom n-Kanal-Typ ist, der eine um den Faktor 3 bis 4 höhere Ladungsträgerbeweglichkeit hat als ein p-Kanal-MOSFET. Der kathodenseitige npn-Transistor, auf den man nun keinen Zugriff durch das Gate hat, besitzt allerdings einen höheren Stromverstärkungsfaktor und einen höheren Avalanche-Multiplikationsfaktor als ein pnp-Transistor. Für eine gegebene zu schaltende Spannung muß daher die n-Basiszone 3 dicker gewählt werden als im anderen Fall.

Zur Erläuterung der Funktionsweise wird zunächst der Fall betrachtet, daß der Kathodenanschluß K gegenüber dem Anodenanschluß A auf positivem Potential (V_K < V_A) liegt. Bei eingeschaltetem MOSFET M1 hat das Bauelement dann das Sperrvermögen der rückwärts gepolten Thyristorstruktur 1, 2, 3, 4. Die Spannung wird fast ganz von dem anodenseitigen pn-Übergang J₁ zwischen der n-Basiszone 3 und der p-Emitterzone 4 aufgenommen, da der ebenfalls in Sperrichtung gepolte pn-Übergang J₃ zwischen der n⁺- Emitterzone 1 und der p-Basiszone 2 wegen der relativ hohen Dotierung der p-Basiszone 2 meistens nur eine kleine Durchbruchsspannung hat. Sperrstrom und Durchbruchspannung des Bauelements werden daher im wesentlichen durch den pnp-Transistor 2, 3, 4 bestimmt, der mit dem avalanchenden pn-Übergang J₃ in Serie liegt. Wird der MOSFET M1 abge­ schaltet, so wird neben dem Übergang J₂ zwischen der n-Basiszone 3 und der p-Basiszone 2 auch der pn-Übergang J₅ zwischen der p-Emitterzone 4 und die n⁺-Zone 5b in Durchlaßrichtung gepolt. Die Struktur sperrt zwar unverändert mit dem pn-Übergang J₁, jedoch sind Durchbruchspannung und Sperrstrom nun i. w. durch das Vorwärtssperrvermögen der Thyristorstruktur 2, 3, 4, 5b gegeben.

Bei der Ausgestaltung eines anodenseitig ansteuerbaren Bauelements nach Fig. 4 wird das Rückwärtssperrvermögen des ICMT durch Einschaltung eines Nebenweges von der n-Basiszone 3′′ zum Kathodenkontakt 7′′ verbessert. Gleiche Elemente in Fig. 1 und 4 sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 4 wird unten noch eingehender beschrieben.

Der MOSFET M2 bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist bei V_K < V_A unabhängig davon, ob der MOSFET M1 eingeschaltet ist oder nicht, abgeschaltet, da das Gate 9 auf dem Potential der Elektrode 8 bzw. des Anodenkontakts 8 liegt, der in diesem Fall das Source des MOSFETs M2 bildet. Somit sperrt das ICMT-Bauelement bei positivem Potential am Kathodenanschluß K gegenüber dem Anodenanschluß A unabhängig davon, wie das Gate G angesteuert ist. Vorausgesetzt wird dabei, daß die Thyri­ storstruktur 2, 3, 4, 5b ein Vorwärtssperrvermögen besitzt. Dies muß ohne Shortung des pn-Übergangs J₅, der zwischen dem n⁺-Gebiet 5b und der p- Emitterzone 4 vorhanden ist, erreicht werden, da dieser Übergang zum Einschaltung des MOSFETs M2 sperren muß.

Durch eine hohe integrale Dotierungskonzentration N_ip4 der p-Zone 4 unterhalb der n⁺-Zone 5b und eine geringe Dicke der Zone 5b kann man ein stabiles Vorwärtssperrverhalten des Thyristors 2, 3, 4, 5b, d. h. ein stabiles Rückwärtssperrverhalten des ICMT bei abgeschaltetem MOSFET M1 erreichen, da der Stromverstärkungsfaktor α_n+pn des n⁺pn-Transistors 5b, 4, 3 dann klein ist. N_ip4 wird dazu vorzugsweise größer als etwa 2_*10¹⁴/cm² gewählt.

Liegt der Kathodenanschluß K gegenüber dem Anodenanschluß A auf negativem Potential und ist der MOSFET M1 abgeschaltet, so ist der anodenseitige pn-Übergang J₅ in Sperrichtung gepolt, und die p- Emitterzone 4 erhält gegenüber der Gateelektrode 9 ein negatives Potential. Dieses Potential stellt sich, absolut genommen, auf einen Wert etwas oberhalb der Schwellenspannung des MOSFETs M2 ein, so daß dieser einschaltet und für den Sperrstrom einen Nebenweg von der n-Basiszone 3 zum Anodenkontakt 8 freigibt. Bei abgeschaltetem MOSFET M1 ist die Sperrfähigkeit des ICMT daher nicht durch den MOSFET M1 gegeben, der nur wenig sperrt, sondern durch den n⁺n-Transistor 1, 2, 3, der nie­ derohmig mit dem Anodenkontakt 8 verbunden ist und über den pn- Übergang J₂ zwischen der n-Basiszone 3 und der p-Basiszone 2 ein hohes Sperrvermögen besitzt. Vorausgesetzt ist dabei, daß die Durchbruch­ spannung des pn-Übergangs J₅ deutlich größer ist als die Schwel­ lenspannung von M2. Dies wird durch die Dotierung der p-Emitterzone 4 in der Nähe des pn-Übergangs J₅ und an der Oberfläche unter dem Gateoxid eingestellt. Zum Beispiel beträgt die Durchbruchspannung 12 V, die Schwellenspannung aber 3 V.

Ist weiter das Kathodenpotential kleiner als das Anodenpotential, d. h. V_K < V_A, der MOSFET M1 aber eingeschaltet, so ist die Thyristorstruktur unter der floatenden Elektrode FE in Vorwärtsrichtung belastet. Der MOSFET M2 ist dabei abgeschaltet, da die p-Emitterzone 4 nahezu auf gleichem Potential liegt wie die Gateelektrode 9. Hat die nun ungeshortete Thyristorstruktur keine Vorwärtssperrfähigkeit oder wird sie durch ein zusätzliches Zündgate, das weiter unten beschrieben wird, gleichzeitig mit dem MOSFET M1 eingeschaltet, so befindet sich das Bauelement im Durchlaßzustand. Eine hohe integrale Dotierung N_ip4 des p-Gebiets 4, die, wie erwähnt, zur Erreichung eines stabilen Rückwärtssperrvermögens dient, ist auch erwünscht, um eine geringe Durchlaßspannung zu erhalten. Hohes N_ip4 hat nämlich einen kleinen Stromverstärkungsfaktor α_{npn ®} des parasitären Transistors 3, 4, 5b zur Folge, wodurch verhindert wird, daß zu viele Elektronen durch den vom Löcherstrom aufgesteuerten Transistor 3, 4, 5b ungenutzt zum Anodenkontakt abfließen. Hohes α_{npn ®} würde den Effekt des im Durchlaßzustand abgeschalteten MOSFETs M2 zum Teil zunichte machen und zu einer hohen Durchlaßspannung führen.

Wird der MOSFET M1 im Durchlaßzustand des Bauelements abgeschaltet, so hat das ähnlich wie im stationären Sperrzustand, ein Einschalten des MOSFETs M2 zur Folge, da der pn-Übergang J₅ auch hier durch die La­ dungsträger, die nicht mehr durch M1 abfließen können, in Sperrichtung gepolt wird. Die überschüssigen Elektronen in der Struktur können dann über den n-Kanal des MOSFETs M2 zum Anodenkontakt 8 abfließen. Für den Abschaltvorgang ist dieser Nebenweg besonders wichtig, da die in der Durchlaßphase um den pn-Übergang J₂ gespeicherten Ladungsträger ab­ geführt werden müssen, damit sich die Raumladungszone um J₂ aufbauen kann. Ohne den Nebenschluß über den MOSFET M2 könnte sich eine Spannung um den pn-Übergang J₂ nur durch Rekombination der La­ dungsträger aufbauen. Diese erfolgt aber für die meisten Anwendungen zu langsam. Bei induktiver Last fließt der Strom nach Schließen des MOSFETs M1 bis zum Aufbau der äußeren Spannung voll über den MOSFET M2. Da die n-Basiszone 3 nun mit dem Anodenkontakt A verbunden ist und der MOSFET M1 keinen Strom mehr liefert, ist das Abschaltverhalten des Bauelements durch das des ntpn-Transistors 1, 2, 3 bei offener Basis gegeben. Da der Stromverstärkungsfaktor und Avalanche-Multiplikationsfaktor eines solchen Transistors erheblich größer sind als bei einem pnp-Transistor, wird die Dicke und auch der spezifische Widerstand der n-Basiszone 3 bei gegebener Spannung, die geschaltet werden soll, größer eingestellt als bei einem üblichen, von der Kathodenseite her gesteuerten Bauelement, z. B. dem IGBT oder GTO-Thyristor.

Um den Thyristor bei anliegender negativer Spannung an der Kathode K gegenüber der Anode A und bei eingeschaltetem MOSFET M1 in den leitenden Zustand zu versetzen, gibt es wie erwähnt zunächst die Möglich­ keit, den Thyristor so zu dimensionieren, daß er ohne den Nebenweg von der n-Basiszone 3 über M2 zum Anodenanschluß A in Vorwärtsrichtung nicht sperrt. Dazu wird die Summe der Stromverstärkungsfaktoren α_npn+α_pnp schon im Sperrstrombereich größer als 1 eingestellt. Praktisch kann man das erreichen, indem man den Wirkungsgrad der Emitter durch relativ hohe integrale Dotierung der Ermitterzonen und die Transportfaktoren der Teiltransistoren durch möglichst geringe integrale Dotierung der p-Basiszone 2 und große Trägerlebensdauer groß einstellt. Die ICMT-Einheitszelle schal­ tet dann in den Durchlaßzustand, sobald die Spannung zwischen Gate G und Anode A oder zwischen Gate G und FE die Schwellenspannung übersteigt.

Um so vorgehen zu können, darf der Emitterbasisübergang J₃ nicht geshortet sein, da das Bauelement bei kurz geschlossenem Übergang auch ohne den Nebenschluß durch den eingeschalteten MOSFET M2 in Vorwärtsrichtung sperrt. In dem erfindungsgemäßen bidirektionalen Schaltelement sind hierfür entsprechende Maßnahmen vorgesehen, da die n- Emitterzone 1 in Teilbereichen der Struktur fehlt und der Übergang J₃ an sich geshortet ist. Allgemein hat ein Thyristor, der in Vorwärtsrichtung in dem relativ weiten zuzulassenden Temperaturbereich nicht sperrt, infolge der erforderlichen großen Trägerlebensdauer lange Schaltzeiten. Auch ist das Sperrvermögen bei eingeschaltetem MOSFET M2 wegen des großen Stromverstärkungsfaktors α_npn reduziert. Daher ist es oft besser, einen Thyristor zu verwenden, der auch bei abgeschaltetem Nebenschluß der n- Basis durch den MOSFET M2 ein Vorwärtssperrvermögen besitzt. Dann wird erfindungsgemäß durch ein Zündgate dafür gesorgt, daß der Thyristor bei Anlegen einer positiven Spannung an das Gate G in den Durchlaßzustand schaltet.

Eine solche Anordnung zum Zünden zeigt Fig. 2, wobei gleiche Elemente in Fig. 1 und 2 mit gleichen Bezugsziffern versehen sind. In einem Bereich Z des Halbleiterbauelements, der von den Einheitszellen mit der floatenden Elektrode FE entweder durch größere Entfernung oder durch Unterbrechung der p-Emitterzone 4 getrennt ist, ist eine p-Emitterzone 4′ mit einem Gatekontakt 12 versehen, der über einen Widerstand R mit dem Gateanschluß G verbunden ist. Eine in die p-Emitterzone 4′ eingebettete n⁺- Zone 10 besitzt einen Kontakt 11, der mit der floatenden Elektrode FE in Verbindung steht, jedoch in dem Zündbereich nicht den pn-Übergang J₆ zwischen p-Emitterzone 4′ und n⁺-Zone 10 kurzschließt. Bei positiver Spannung am Gate G gegenüber FE wird nun nicht nur FE über den n- Kanal in den Einheitszellen mit dem Anodenkontakt 8 und dem Anodenanschluß A verbunden, sondern es fließt nun Gatestrom in die p- Emitterzone 4′ des Zündbereichs, und die n⁺-Zone 10 injiziert Elektronen, die zum pn-Übergang J₁′ zwischen p-Emitterzone 4′ und n-Basiszone 3 diffundieren. Dadurch wird der pn-Übergang J₁′ verstärkt in Durchlaß­ richtung gepolt, so daß die Ladungsträgerkonzentration in der n-Basiszone 3 am Übergang J₁′ zwischen der p-Emitterzone 4′ und der n-Basiszone 3 angehoben wird. Infolge des Konzentrationsgefälles diffundieren Löcher zur Raumladungdszone RLZ um den pn-Übergang J₂ zwischen n-Basiszone 3 und p-Basiszone 2 und werden dort durch das Feld in die p-Basiszone 2 ab­ gezogen. Damit wirken sie als Basisstrom für den n⁺pn-Transistor 1, 2, 3 und steuern ihn auf. Der Kollektorstrom dieses Transistors fließt in die n- Basiszone 3 und steuert den pnp-Teiltransistor 4′, 3, 2 der Thyristorstruk­ tur auf. Dadurch fließen vermehrt Löcher in die p-Basiszone 2, und der Strom erhöht sich, bis der Thyristor zündet. Dieses Zündgate ist mit der beim Triac verwendeten "Remote-Gate"-Anordnung verwandt. Der eingeschaltete Zustand breitet sich dann in bekannter Weise über die Fläche mit den ICMT-Einheitszellen aus.

Wird der MOSFET M1 abgeschaltet, so wird auch der Strom im Zündbereich abgeschaltet. Um ein effizientes Abschalten zu ermöglichen, ist zusätzlich wie bei den Einheitszellen nach Fig. 1 ein MOSFET (M2′) vorgesehen, der die n-Basiszone 3 mit dem n⁺-Gebiet 10 verbindet.

Die n-Basiszone 3 ist daher beim Abschalten über den eingeschalteten MOSFET M2′, die floatende Elektrode FE und den MOSFET M2 der Einheitszellen mit dem Anodenanschluß A verbunden. - Bei Rückwärtssperrbelastung des ICMT ist der Thyristor 10, 4′, 3, 2 des Zündbereichs in Vorwärtsrichtung gepolt. Er sperrt i. a. nur, wenn nicht durch positive Spannung am Gate G Steuerstrom in die Basis 4′ dieses Thyristors eingespeist wird.

Eine andere erfindungsgemäße Anordnung zum Zünden des Thyristors mit den Zonen 1, 2, 3, 4 bei eingeschaltetem MOSFET M1 ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist die p-Basiszone 2 am Rand des Halbleiterkörpers über eine p- Randzone 20 an die obere Begrenzungsebene des Halbleiterkörpers geführt, wie es von beidseitig sperrenden Thyristoren im ähnlicher Weise bekannt ist. An der oberen Begrenzungsebene bildet die p-Basiszone einen Bereich 24, in den eine n⁺-Zone 5d eingebettet ist. Der p-Bereich 24 ist nicht wie sonst üblich von der oberen p-Emitterzone 4 im Inneren der Halbleiterscheibe durch die an die Oberfläche tretende n-Basiszone 3 getrennt, sondern mit ihr durch eine an der Oberfläche liegende p- Kanalzone 21 verbunden. Dicke und integrale Dotierung der p-Zone 21 sind so eingestellt, daß sie zusammen mit einem darüber befindlichen Isolator und einer zum Scheibeninnern hin gelegenen Gateelektrode 9′ sowie einer vom Rand her kommenden zweiten Gateelektrode 22 je einen p-Kanal-MOSFET vom Verarmungstyp MZA bzw. MZK bildet. Die Gateelektrode 9′ ist mit dem äußeren Anodenkontakt 8 verbunden. Die Gateelektrode 22 bildet zugleich die Kontaktschicht der n⁺-Zone 5d, die leitend mit dem Kathodenkontakt 7 auf der unteren Begrenzungsebene des Halbleiterkörpers verbunden ist. An der Oberfläche des p-Bereich 24 zwischen dem n⁺-Gebiet 5d und der p- Kanalzone 21 ist weiter ein MOSFET M2′′ vom Inversionstyp integriert.

Bei Vorwärtspolung des Bauelements V_K < V_A, und eingeschaltetem MOSFET M1 führt vom Anodenkontakt 8 über die floatende Elektrode FE, die p- Emitterzone 4, die p-Kanalzone 21 und die Randzone 20 ein Strompfad zur p-Basiszone 2 des Thyristors 1, 2, 3, 4. Über die Strompfade wird Löcherstrom in die p-Basiszone 2 eingespeist und das Thyristor 1, 2, 3, 4 gezündet. Der eingeschaltete Zustand breitet sich dann vom Rand aus auf die im Inneren gelegenen Einheitszellen aus. Wird der MOSFET M1 bei V_K < V_A abgeschaltet, so wird der pn-Übergang J₅ in Sperrichtung gepolt.

Dadurch schaltet sich der Inversions-MOSFET M2 ein und der Verarmungs- MOSFET MZA aus. Somit ist nun die n-Basiszone 2 mit dem Anodenkontakt 8 verbunden und die Verbindung der oberen p-Emitterzone 4 mit der unteren p-Basiszone 2 unterbrochen. Der zwischen Kathode K und Anode A liegende n⁺pn-Transistor 1, 2, 3 wird nicht mehr aufgesteuert und schaltet ab. Der pn-Übergang J₂ nimmt i. W. die Spannung auf. Die p-Kanalzone 21 wird dabei in dem Bereich außerhalb des MOSFETs MZA von Ladungsträgern entleert und führt zu einer Reduzierung des elektrischen Feldes an der Oberfläche.

Bei Rückwärtspolung des Bauelements, d. h. das Kathodenpotential ist größer als das Anodenpotential (V_K < V_A) sind die pn-Übergänge J₁ und J₃ in Sperrichtung gepolt. Da nun der p-Bereich 24 und der benachbarte Teil der n-Basiszone 3 gegenüber der Gate-Elektrode positiv gepolt ist, entsteht an der Oberfläche des p-Bereichs 24 ein n-Kanal und der p-Kanal des MOSFETs MZK verschwindet. Somit ist um die n-Basiszone 3 mit der Kathode K verbunden. Bei eingeschaltetem MOSFET M1 sperrt das Bauelement durch die pn-Diode 4, 3, bei abgeschaltetem MOSFET M1 durch den ntpn-Transistor 5b, 4, 3, wobei der nur einige Volt aufnehmende pn-Übergang J₃ in Serie liegt. Die p-Zone 21 wird dabei außerhalb des MOSFETs MZK von Ladungsträgern entleert, wodurch die Ausdehnung der Raumladungszone um den pn- Übergang J₁ an der Oberfläche vergrößert und die Oberflächenfeldstärke reduziert wird. Gegenüber dem Zündgate nach Fig. 2 hat die Anordnung nach Fig. 3 zunächst den Vorteil, daß das Einschalten des Bauelements ebenso wie das Abschalten durch MOS-Gate erfolgt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Rückwärtssperrvermögen durch die Einschaltung des Nebenweges von der n-Basiszone 3 zur Kathode K verbessert wird.

Damit der MOSFET M1 beim Aufbau der Spannung um den pn-Übergang J₅ abgeschaltet bleibt und der MOSFET M2 einschaltet, reicht es nicht aus, das Gate G auf das Potential der Anode A zu legen, da dann beide MOSFETs einschalten würden, wenn die Spannung am pn-Übergang J₅ die Schwellenspannung der MOSFETs überschreitet. Vielmehr ist dafür erforderlich, dem Gate G eine negative Spannung gegenüber A zu geben, z. B. eine Spannung von -5 V. Dann bleibt der MOSFET M1 abgeschaltet, während M2 einschaltet und der pn-Übergang J₂ zu sperren beginnt.

Wenn man die Spannung am Gate gegenüber der Anode gleich null macht, muß das Bauelement nicht notwendig abschalten. Da der MOSFET M1 dann nicht voll abgeschaltet bleibt, hätte man es auch nicht mehr mit einer reinen Kaskodenabschaltung zu tun.

Hat das Gate G eine fest vorgegebene Spannung gegenüber der Anode A, beispielsweise V_{G, A} = 10 V, so hat das Bauelement keine Durchlaßkennlinie mit Strombegrenzung, da das mit der Anode A verbundene n⁺-Gebiet 5b im stromführenden ICMT das Draingebiet des MOSFETs M1 ist.

Ein MOSFET zeigt aber bei fester Gate-Drain-Spannung keine Strombegrenzung. Gibt man dem Gate G aber eine feste Spannung gegenüber der floatenden Elektrode FE, so erhält man eine Strombegrenzung. Wegen des dann voll eingeschalteten MOSFETs M2 wird die Strombegrenzung bis zu hohen Spannungen durch den n⁺n-Transistor 1, 2, 3 mit dem sperrenden pn-Übergang J₂ gewährleistet.

Die erfindungsgemäßen Prinzipien, die näher an vertikalen Bauelementen beschrieben wurden, lassen sich in einfacher Weise auch auf laterale Bauelemente anwenden, bei denen beide Hauptelektroden zusammen mit der Steuerelektrode auf der oberen Begrenzungsebene des Halbleiterkörpers angeordnet sind. Eine laterale Ausbildungsform des anodenseitig ein- und abschaltbaren Bauelements nach Fig. 1 zeigt Fig. 4. Neben dem Anoden- und Gateanschluß A′ bzw. G′ befindet sich auch der Kathodenanschluß K′ und die Kathodenmetallisierung 7′ sowie die Kathodenemitterzone 1′ und die sie umgebende p-Basiszone 2′ der Thyristorstruktur 1′, 2′, 3′, 4′′ an der Oberseite des Halbleiterkörpers. Die n-Basiszone 3′ ist nach unter durch einen Isolator oder auch einen pn-Übergang von dem darunter liegenden Substrat getrennt. Die Anodenmetallisierung 8′ und die Kathodenmetallisierung 7′ haben keinen Kontakt mit den p-Zonen 4′′ bzw. 2′, in die die kontaktierten n⁺-Zonen 5b′′ und 5a′ eingebettet sind. Da auch die p-Basiszone 2′ sich an der oberen Hauptebene befindet, sind die p-Basiszone 2′ und die p-Emitterzone 4′ des Thyristors 1′, 2′, 3′, 4′′ unmittelbar durch die p-Kanalzone 21′ miteinander verbunden, die mit dem das Oxid überlappenden Metallisierungen 7′, 8′ der Anode und Kathode MOSFETs MZK′ MZA′ vom Verarmungstyp bildet. Wie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben, sperrt das Bauelement in Rückwärtsrichtung unabhängig von der anliegenden Gatespannung, wobei die kathodenseitige MOS-Struktur wirksam wird und J₁ sperrt.

Bei Vorwärtspolung (V_K < V_A) und abgeschaltetem MOSFET M1′ sperrt das Bauelement in völlig analoger Weise. Wird der MOSFET M1′ eingeschaltet und die Anode A dadurch mit der p-Emitterzone 4′′ verbunden, so wird der Thyristor 1′, 2′, 3′, 4′′ durch den über die p-Kanalzone 21′ in die p- Basiszone 2 fließenden Löcherstrom gezündet.

Die Zusammensetzung eines bidirektionalen Schalters aus der oben be­ schriebenen ICMT-Einheitszelle und einer IGBT-Einheitszelle zeigt Fig. 5. Die IGBT-Einheitszelle hat die übliche, im folgenden beschriebene Struktur. Auf die unten liegende p⁺-Zone 2a folgt eine schwach dotierte n-Basiszone 3a, die an der Oberseite eine p-Wanne 4a enthält, in welche eine n⁺-Zone 5c eingebettet ist. Die p⁺-Zone 2a ist mit einer metallischen Kontaktschicht 7a versehen und die n⁺-Zone 5c sowie die p-Wanne 4a mit einer gemeinsamen Metallschicht 10a. Über dem Gebiet der p-Wanne 4a zwischen der n⁺-Zone 5c und dem Oberflächenbereich der n-Basiszone 3a befindet sich eine isolierte Gateelektrode 11a′. Die n⁺-Zone 5c, der Oberflächenbereich der p-Wanne 4a und der n-Basiszone 3a bilden zusammen mit der Isolierten Gateelektrode 11a′ einen n-Kanal-MOSFET. Die ICMT-Einheitszelle entspricht der in Fig. 1 dargestellten Anordnung. Die Zündung des Thyristors kann durch eine nicht in Fig. 5 dargestellte Anordnung nach Fig. 3 erfolgen. Wie man sieht, können beide Teile des bidirektionalen Schalters, der ICMT und der IGBT, mit Hilfe der gleichen Prozeßschritte, ausgehend von einer Halbleiterscheibe mit n-Dotierung, hergestellt werden. Nur die laterale Maskierung, vor allem für die n⁺-Zonen, muß verschieden sein. Die unteren Kontaktelektroden 7, 7a sind beiden Einheitszeilen gemeinsam und mit einem Hauptelektrodenanschluß E2 verbunden. Auf der oberen Begrenzungsebene ist die Anodenelektrode 8 des ICMT und die Kathoden- oder Sourceelektrode 10a des IGBT mit einem oberen Hauptanschluß E1 verbunden. Die ICMT-Einheitszellen und die IBGT- Einheitszellen können auch in verschiedenen Halbleiterbauelementen angeordnet sein, die in einer Hybridschaltung miteinander verbunden sind.

Die Gateelektrode 6 des ICMT und die Gateelektrode 11a′ des IGBT sind in Fig. 5 mit einem beiden gemeinsamen äußeren Gateanschluß G_gem verbunden. Der ICMT und der IGBT können aber auch getrennte Gateanschlüsse G1 und G2 haben und somit getrennt ansteuerbar sein, was gewisse Vorteile bringt, wie weiter unten beschrieben. Im Unterschied zu den bekannten bidirektionalen Schaltern werden die beiden Gates hier von derselben Bezugselektrode E1 oder FE aus angesteuert, weshalb der Steueraufwand sich gegenüber dem Fall eines Gates nicht so stark erhöht. In monolithisch integrierter Form sind die beiden Arten von Einheitszellen bei dem bidirektionalen Halbleiterbauelement nach Fig. 5 in je einem eigenen Flächenbereich des Halbleiterkörpers angeordnet. Durch die relativ große Entfernung wird verhindert, daß die pn-Übergänge J₃ und J₁ des ICMT- Teils kurzgeschlossen werden oder daß die aus der p-Zone 4a des IGBT und der npn-Zonenfolge 1, 2, 3 des ICMT gebildete Thyristorstruktur, die nicht durch das Gate abschaltbar ist, einschaltet.

Die Funktionsweise des bidirektionalen Bauelements wird nun anhand von Fig. 6a bis 6d beschrieben. Im ersten Quadranten der Strom- Spannungsebene U_E2 liegt an dem unteren Hauptanschluß E2 eine positive Spannung U_E2 gegenüber dem oberen Hauptanschluß E1, der stets das Potential null habe, d. h. U_GE1 = 0. Die ICMT-Zelle sperrt bei dieser Polung, unabhängig von der anliegenden Gatespannung, durch den pn-Übergang J₁ zwischen p-Wanne 4 (Anodenemitter) und n-Basis 3, wie oben erläutert. Ist die Spannung V_GE1 des Gates gegenüber E1 gleich null, so befindet sich auch der IGBT im Sperrzustand, wobei die Spannung wieder von dem dem pn-Übergang J₁ entsprechenden pn-Übergang J₁′, zwischen p-Zone 4a und n-Basis 3a aufgenommen wird. Dies ist in Fig. 6a durch den schraffierten Bereich im Anschluß J₁, J₁′ angedeutet. Das kombinierte Bauelement befindet sich somit im Vorwärtssperrzustand, der durch einen Arbeitspunkt auf der Sperrkennlinie im ersten Quadranten beschrieben wird.

Gemäß Fig. 6b ist die Spannung an der Elektrode E2 unverändert positiv, z. B. + 500 V, jedoch liegt nun am Gate G_GEM eine positive Spannung von z. B. 10 V, die größer als die Schwellenspannung der MOSFETs ist. Der IGBT schaltet damit in bekannter Weise in den Durchlaßzustand.

Bei der ICMT-Zelle ist zwar der floatende Anodenanschluß des Thyristors durch den n-Kanal des MOSFETs M1 mit der Hauptelektrode E1 verbunden. Der Thyristor ist aber weiterhin im Rückwärtssperrzustand, wobei die Spannung allerdings auf die Durchlaßspannung des IGBT zusammengefallen ist. Das kombinierte bidirektionale Bauelement ist im Vorwärtsdurchlaßzustand, der durch den IGBT bestimmt wird.

Liegt die Elektrode E2 auf negativem Potential gegenüber E1, so befindet man sich im dritten Quadranten. Der IGBT sperrt bei dieser Polung durch den unteren pn-Übergang J₂′ unabhängig davon, welche Gatespannung anliegt. Bei abgeschaltetem MOSFET M1 sperrt auch der ICMT, und zwar ebenfalls durch den entsprechenden pn-Übergang J₂ zwischen n-Basis 3 und unterer p-Zone 2, wie oben beschrieben. Dieser Fall ist in Fig. 6c dargestellt. Der interne MOSFET M2 ist in diesem Zustand eingeschaltet, so daß die n-Basiszone 3 über den Nebenschluß X zum anodenseitigen pn- Übergang J₁ mit dem oberen Hauptanschluß E1 verbunden ist. Wie oben erwähnt, ist die Durchbruchspannung des pn-Übergangs J₅ dazu deutlich größer einzustellen als die Schwellenspannung des MOSFETs M2.

Da der Abschaltvorgang durch den unteren n⁺pn-Transistor 1, 2, 3 bestimmt wird, wird die Dicke und der spezifische Widerstand der n-Zone 3a, um einen gegebenen sicheren Arbeitsbereich beim Abschalten zu erreichen, größer eingestellt, als es für den IGBT allein erforderlich wäre.

Wird bei unverändert negativem Potential an E2 die Spannung am Gate G auf einen Wert oberhalb der Schwellenspannung der MOSFETs angehoben, so bleibt der IGBT wie schon erwähnt im Sperrzustand. In der ICMT- Einheitszelle wird die p-Emitterzone 4 des Thyristors über die floatende Elektrode und den n-Kanal des MOSFETs M1 mit der äußeren Elektrode E1 verbunden. Dadurch steigt das Potential der p-Zone 4 von dem vorherigen negativen Wert annähernd auf den Wert null der Elektrode E1 an, so daß der n-Kanal im MOSFET M2 verschwindet, dieser also abgeschaltet wird. Gleichzeitig muß der Thyristor 1, 2, 3, 4 einschalten. Dafür ist zu beachten, daß die n⁺-Zone 1 in dem Flächenbereich mit den IGBT-Zellen fehlt und der pn-Übergang J₃ somit normalerweise auf der unteren Oberfläche endet und durch die dem IGBT und dem ICMT gemeinsame Metallisierung 7 kurz geschlossen wird. Für die Zündung mit Hilfe der Anordnung nach Fig. 3 oder dadurch, daß der Thyristor 1, 2, 3, 4 ohne Vorwärtssperrvermögen ausgelegt wird, darf der pn-Übergang J₃ aber nicht geshortet sein. Um die Shortung zu verhindern, ist bei einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen bidirektionalen Schaltelements der Bereich der unteren Begrenzungsebene, wo der pn-Übergang J₃ austritt, mit einer Oxidschicht 12′ oder einem anderen Isolator bedeckt, wie in Fig. 7 gezeigt. Auch die p-Zone 2 des ICMT läuft kurz nach der n⁺-Emitterzone 1 aus und endet in dem mit Oxid bedeckten Bereich der Oberfläche, so daß sie keinen Kontakt mit der Metallisierung 7 der unteren Begrenzungsebene des Halbleiterkörpers hat.

Die p-Zone 2a des IGBT beginnt in einem Abstand davon und ist durch die an die isolierte Oberfläche tretende n-Basiszone 3 von der p-Basiszone 2 des ICMT getrennt. Die Breite der n-Basiszone 3 an der Oberfläche ist so gering, daß die Sperrfähigkeit des pn-Übergangs J₂ nicht beeinträchtigt wird. Nun kann der pn-Übergang J₃ in Sperrichtung gepolt werden, was für die Funktion der Randausgestaltung nach Fig. 3 erforderlich ist. Auch kann der Thyristor 1, 2, 3, 4 nun so dimensioniert werden, daß er ohne Shortung durch den internen MOSFET M2 in Vorwärtsrichtung nicht sperrt. Die Trennung der p-Basiszone 2 und der anodenseitigen p-Zone 2a des kathodenseitig ansteuerbaren Bauelements kann auch durch einen Graben erfolgen, der zweckmäßigerweise mit Isolierstoff gefüllt ist.

Hiermit hat man ein bidirektionales Bauelement geschaffen, das bei positiver Gatespannung leitet, bei verschwindender oder negativer Gatespannung aber sperrt. Durch Erhöhen der Gatespannung auf einen Wert oberhalb der Schwellenspannung schaltet das Bauelement ein, durch Absenken der Gate­ spannung auf null oder einen negativen Wert schaltet es ab, und zwar sowohl bei positiver Spannung der unteren Elektrode E2 gegenüber E1 (1. Quadrant) als auch bei negativer Polung von E2 gegenüber E1 (3. Quadrant).

Neben der Möglichkeit, die Shortung des Übergangs J₃ zu verhindern und den Thyristor 1, 2, 3, 4 mit Hilfe der Ausgestaltung nach Fig. 3 zu zünden oder in Vorwärtsrichtung nichtsperrfähig auszulegen, besteht als Alternative die Möglichkeit, ein Zündgate nach Fig. 2 zu benutzen.

Dieses hat allerdings die Eigenschaft, daß es bei der Polung V(E2)<V(E1) und positiver Gatespannung die obere Thyristorstruktur 2, 3, 4, 10 des Zündbereichs einschalten kann, da es dann Steuerstrom in dessen p-Basis 4′ einspeist. Der eingeschaltete Zündbereich ist aber nicht gleichzeitig mit dem IGBT durch den MOSFET M1 abschaltbar, da der in Durchlaß gepolte pn- Übergang J₅ parallel liegt. Um das Einschalten des Zündbereichs zu verhindern, ist es bei Verwendung dieses Zündgates daher i. a. erforderlich, die Gateelektrode 6 des ICMT mit einem eigenen Gateanschluß G1 und die Gateelektrode 11 des IGBT mit einem davon getrennten Gateanschluß G2 zu versehen und beide mit verschiedenen Steuersignaien anzusteuern. Im ersten Quadranten (V(E2)<V(E1)) wird dann nur der IGBT mit einer positiven Gatespannung angesteuert, während die Spannung am ICMT-Gate G1 ge­ genüber FE gleich null oder negativ eingestellt wird.

Die in Fig. 8 dargestellte Ausgestaltung des Zündbereichs eines bidirektionalen Bauelements aus einem ICMT und einem IGBT gestattet es, den ICMT und den IGBT auch für den Fall, daß ein Zündgate erforderlich ist, über einen einzigen Gateanschluß G′ anzusteuern. Bei der Polung V(E2)<V(E1) der Hauptelektroden E1, E2 bewirkt dieses Gate G′ ein Einschalten des Thyristors 1, 2, 3, 4 des ICMT, wenn eine positive Gatespannung angelegt wird. Bei V(E2)<V(E1) kann eine positive Gatespannung angelegt werden, ohne daß der ICMT-Teil des Bauelements einschaltet.

Das mit einem Gate-Kontakt 12 als versehene p-Gebiet hat eine eigene p- Wanne 4a′, die mit dem wannenförmigen p-Gebiet 4b, das die n⁺-Zone 10′′ mit der an FE angeschlossenen Elektrode 11′′ enthält, nur durch einen p-Kanal 4c verbunden ist. Zusammen mit einer über dem p-Kanal angeordneten isolierten Elektrode 13 bilden die Gebiete 4a′, 4c, 4b in Verbindung mit dem Substrat der n-Basiszone 3 einen p-Kanal-MOSFET MZ vom Verarmungstyp Dem p-Gebiet 4a′ vorgelagert ist ein weiteres in die n-Basiszone 3 wannenförmig eingebettetes p-Gebiet 14′ das mit einem Kontakt 15 versehen ist. Dieser steht in leitendem Kantakt mit der Gateelektrode 13 des MOSFETs MZ. Bei der angenommenen positiven Spannung an der Elektrode E2 gegen­ über E1 bildet sich im Sperrzustand des Bauelements eine Raumladungszone RLZ um den sperrenden pn-Übergang J₁′′, wie in der Figur eingezeichnet. Dadurch erhält das p-Gebiet 14 ein positives Potential gegenüber 4a′.

Durch dieses Potential an der Gateelektrode 13 und die Spannung am Substrat 3 wird der p-Kanal zwischen den Gebieten 4a′ und 4b zum Verschwinden gebracht, so daß kein Gatestrom in das Gebiet 4b fließen und den Thyristor 10′′, 4b, 3, 2 zünden kann. Um ein stabiles Sperrverhalten dieses Thyristors zu erzielen, ist in Fig. 8 weiter eine Anordnung vorgesehen, die den pn-Übergang J₆ zwischen der p-Zone 4b und der n⁺- Zone 10′′ bei der Polung V_K<V_A kurzschließt. Dies geschieht mit Hilfe einer in die p-Zone 4b wannenförmig eingebettete n⁺-Zone 16, die einen Kontakt 17 hat, welcher zugleich die Zone 4b ohmsch kontaktiert. Die n⁺-Zone 16, die n⁺-Zone 10′′ und das dazwischen liegende p-Gebiet mit der darüber angeordneten isolierten Gateelektrode 18 bilden einen n-Kanal-MOSFET MS. Das Gate 18 dieses MOSFETs ist mit der vorgelagerten p-Zone 14 verbunden und hat daher bei der Hauptelektrodenpolung V_K < V_A ein positives Potential gegenüber den Gebieten 4b und 16. Der MOSFET MS ist somit eingeschaltet und verbindet das n⁺-Gebiet 10 niederohmig mit der p-Zone 4b. Durch diesen eingeschalteten Kurzschluß des pn-Übergangs J₆′ wird das Sperrvermögen des Bauelements bei V_K < V_A wesentlich verbessert.

Durch die in Fig. 8 gezeigte Zündgatestruktur wird der Thyristor aus 1, 2, 3, 4 bei V(E2)<V(E1) eingeschaltet. Die Thyristorstruktur aus 2, 3, 4b, 10 jedoch wird im ersten Quadranten, wo sie in Vorwärtsrichtung gepolt ist, nicht gezündet. Durch die eingeschaltete Shortung des pn-Übergangs J₆ wird das Sperrverhalten im ersten Quadranten darüber hinaus noch stabili­ siert.

Wird bei dem bidirektionalen Schalter eine Kennlinie mit Strombegrenzung gefordert, so kann man sie erreichen, indem man das Gate G in Fig. 8 nicht mit einer festen Spannung gegenüber dem Hauptanschluß E1 ansteuert sondern gegenüber der floatenden Elektrode FE. Daß dies im 3. Quadranten bei V(E2)<V(E1) der Fall ist, geht unmittelbar aus dem beim ICMT Gesagten hervor. Aber auch im ersten ist das bei dieser Ansteuerung der Fall, da die Elektrode FE im ersten Quadranten bei positiver Gatespannung V_{G, FE} praktisch auf dem Potential von E1 liegt, weil der eingeschaltete MOSFET M1 nur den Strom des in Rückwärtsrichtung sperren den Thyristors führt. Setzt man V_{G, FE} = 0, so wird das Bauelement, d. h. hier der IGBT, außerdem in den Sperrzustand versetzt. Die Elektrode FE nimmt dann gegenüber E1 ein Potential an, das durch die Spannung des durch den Sperrstrom schwach vorwärts gepolten pn-Übergangs J₅ gegeben ist. Zum Beispiel hat FE und damit G bei V_{G, FE} = 0 ein Potential von 0,3 V gegenüber E1, während die Schwellenspannung in Bauelementen dieser Art typischerweise Werte um 3 oder 4 V besitzt, so daß der IGBT sperrt. Steuert man also das Gate mit einer festen Spannung gegenüber der floatenden Elektrode an, so zeigt das bidirektionale Bauelement die gewünschten Eigenschaften, insbesondere hat es im ersten als auch im dritten Quadranten eine Kennlinie mit Strombegren­ zung.

Bei einer Ausführung mit zwei verschiedenen Gates, die hier jedoch zum Unterschied von den bekannten bidirektionalen Schaltern von der einen Hauptelektrode E1 aus angesteuert werden, kann man außer der Verwendbarkeit der einfacheren Zündstruktur nach Fig. 2 statt Fig. 8 noch einen weiteren wichtigen Vorteil erreichen. Dieser besteht darin, daß man die volle bidirektionale Schaltfähigkeit in einer einzigen Einheitszeile vereinen kann. Dadurch ist es möglich, für die Stromführung in beiden Richtungen ein und dieselbe Fläche zu nutzen, so daß die erforderliche Halbieiterfläche gegenüber dem Fall mit nur einen Gateanschluß wesentlich verringert ist. Eine solche in sich bidirektionale Einheitszelle zeigt Fig. 9. Sie unterscheidet sich von der ICMT-Einheitszelle nach Fig. 1 nur dadurch, daß das Gate des MOSFETs M2 nicht fest mit der äußeren Elektrode A (E1′ in Fig. 9) verbunden ist, sondern davon getrennt ist und über einen separaten Gateanschluß G2 von außen angesteuert werden kann.

Eine Shortung des pn-Übergangs J₃ wird gemäß der Ausgestaltung nach Fig. 6 mit Hilfe einer Oxidschicht 12′′ verhindert. Da die Thyristorstruktur 1, 2, 3, 4 im 3. Quadranten gut leiten soll, dieser jedoch durch den als Kollektor wirkender Übergang J₃ beeinträchtigt wird, soll die laterale Ausdehnung der n⁺-Emitterzone 1 ebenso wie die der p-Zone 2a größer sein als der laterale Zellenabmesser (cell pitch). Die Flächenbereiche, in denen unten nur eine p-Zone 2a vorhanden ist und die Bereiche, die auch eine n⁺- Emitterzone 1 besitzen, können auch in "Streifenrichtung" senkrecht zur Zeichenebene miteinander abwechseln. Wenn das MOSFET M1 eingeschaltet ist, wirkt das Bauelement wie ein IGBT, das durch das Gate G2 geschaltet wird. Ist G2 mit E1 verbunden, so erhält man die Funktion eines durch G1 schaltbaren ICMT.

Im ersten Quadranten bei V_E2 < V_E1 legt man das Gate E1 daher auf positives Potential gegenüber E1 (oder FE), so daß der MOSFET M1 eingeschaltet ist. Der Thyristor 1, 2, 3, 4 ist dann rückwärts gepolt, und der rechte Teil der Struktur, nämlich 2a, 3, 4, 5b zusammen mit dem MOS- Gate G2, verhält sich wie ein IGBT. Mit einer positiven Spannung am G2 gegenüber E1 schaltet das Bauelement ein. Senkt man die Spannung auf null ab, so schaltet es ab. Im dritten Quadranten bei V_E2 < V_E1 verbindet man G2 mit der Elektrode E1′, so daß das Bauelement wie der ICMT in Fig. 1 funktioniert. Durch Ansteuern des Gates G1 kann es ein- und abgeschaltet werden, wie dort beschrieben.

Daß die n⁺-Basiszone 1 ebenso wie die p-Emitter-Zone 2a nur jeweils einen Teil der unteren Begrenzungsfläche bedeckt, stört die Funktion des ICMT bzw. IGBT nicht wesentlich, da die Dicke der Basiszone 3 erheblich größer ist als die laterale Ausdehnung der Lücke in den unteren n-Emitterzonen 1 und der Zone 2a für die ICMT- bzw. IGBT-Funktion.

Die MOS-Inversionskanäle an der oberen Hauptebene des Halbleiterkörpers sind trotzdem in der gesamten Kanalweite, d. h. Ausdehnung senkrecht zur Zeichenebene, wirksam. Man hat somit ein bidirektionales Bauelement mit relativ kleinen Flächen bei gleichzeitig großer Kanal weite geschaffen. Bei annähernd halbierter aktiver Bauelementfläche ist somit weder der Kanalwiderstand noch der On-Widerstand im Innern des Halbleiters wesentlich erhöht.

Das anodenseitig gesteuerte laterale Bauelement nach Fig. 4 läßt sich mit üblichen lateralen Bauelementen, z. B. einen lateralen IGBT, dessen Einheitszellen in einem anderen Flächenbereich angeordnet sind, analog zu Fig. 5 zu einem lateralen bidirektionalen Halbleiterbauelement vereinen. Die Gate-Elektroden beider Einzelbauelemente haben in der Regel einen gemeinsamen Gateanschluß. Wie anhand von Fig. 6 beschrieben, ist das Bauelement unabhängig von der Polarität der Hauptelektroden bei positiver Gatespannung eingeschaltet, bei negativer oder verschwindender Gatespannung abgeschaltet.

Claims (19)

1. Anodenseitig ansteuerbares Halbleiterbauelement, dessen Halbleiterkörper eine Vielzahl nebeneinander angeordneter, parallel geschalteter Einheitszellen mit Thyristorstruktur aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an eine schwach dotierte n-Basiszone (3) nach beiden Seiten höher dotierte p-Zonen als p-Basiszone (2) und p-Emitterzone (4) an grenzen und auf die p-Basiszone (2) eine hoch dotierte n- Emitterzone (1) folgt, die mit einer Kathodenelektrode (7) kontaktiert ist, daß in die p-Emitter-Zone (4) ein erster n-Kanal-MOS- Feldeffekttransistor (M1) integriert ist, der durch eine floatende Elektrode (FE) in Serie mit der Thyristorstruktur geschaltet ist, daß die Drain-Elektrode (5b) des ersten MOSFET (M1) mit einem äußeren Anodenkontakt (8) versehen ist, der keinen Kontakt mit der p- Emitterzone (4) hat, und daß zwischen der n-Basiszone (3) und der Drain-Zone (5b) des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1) ein zweiter n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (M2) integriert ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterteilung in Einheitszellen durch wannenförmige Ausbildung der p-Emitterzone (4) vorgenommen ist, daß in die p- Emitterzone (4) der Einheitszellen an mindestens einer Seite parallel zu deren Rand zwei n⁺-Zonen (5a, 5b) im Abstand voneinander eingebettet sind, daß die n⁺-Zonen (5a, 5b) mit dem zwischen ihnen liegenden p-Gebiet der p-Emitterzone (4) und einer darüber angeordneten, isolierten Gate-Elektrode (6) den ersten n-Kanal-MOS- Feldeffekttransistor (M1) bilden, daß das eine, dem Rand der wannenförmigen p-Emitterzone benachbarte n⁺-Gebiet (5b) und die an die Oberfläche tretende n-Basiszone (3) zusammen mit der zwischen ihnen liegenden Gebiet der p-Emitterzone (4) und einer darüber angeordneten Gate-Elektrode (9) den zweiten n-Kanal-MOS- Feldeffekttransistor (M2) bilden, daß die andere n⁺-Zone (5a) und die p-Emitterzone (4) eine gemeinsame floatende Elektrode (FE) haben, und daß die dem Rand benachbarte n⁺-Zone (5b) mit der äußeren Anodenelektrode (8) verbunden ist, die keinen Kontakt mit der p- Emitterzone (4) hat.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (9) des zweiten MOS-Feldeffekttransistors (M2) mit der äußeren Anodenelektrode (8) verbunden ist oder von ihr mitgebildet wird.

4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine vertikale Ausbildung der Thyristorstruktur, wobei die n- Emitterzone (1), die p-Basiszone (2), die n-Basiszone (3), die p- Emitterzone (4) und der Anodenkontakt (8) übereinander angeordnet sind, und wobei der mit der n-Emitterzone (1) verbundene Kathodenkontakt (7) auf der unteren Begrenzungsebene und die Anodenelektrode (8) sowie die Gate-Elektrode (6) auf der oberen Begrenzungsebene des Halbelterkörpers angeordnet sind.

5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Substrat (5), von diesem durch eine Isolatorschicht oder einen pn-Übergang getrennt, die n-Basiszone (3′) angeordnet ist, in der wannenförmig, in lateralem durch die Sperrfähigkeit gegebenen Abstand voneinander getrennt die p-Basiszone (2′) und die p- Emitterzone (4′′) angeordnet sind, und daß in der p-Basiszone (2′) die n-Emitterzone (1′) und in der p-Emitterzone (4′′) die Source- und Drainzonen (5a′, 5b′) des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1′) angeordnet sind.

6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper in größerer Entfernung von der floatenden Elektrode (FE) oder von dieser durch Unterbrechung der p- Emitterzone getrennt ein Zündbereich angeordnet ist, bestehend aus einer p-Emitterzone (4′) mit der daran angrenzenden n-Basiszone (3), der daran anschließenden p-Basiszone (2) und der darauf folgenden n-Emitterzone (1), wobei die p-Emitterzone (4′) durch einen mit der Gate-Elektrode (G) über einen Widerstand (R) verbundenen Zünd-Gate- Kontakt (12) versehen ist, der mit der floatenden Elektrode (FE) verbunden ist, jedoch im Zündbereich nicht den pn-Übergang (J₆) zwischen der p-Emitterzone (4′) und eingebetteter n⁺-Zone (10) kurzschließt.

7. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Basiszone (2) durch eine p-Randzone (20) des Halbleiterkörpers an die obere Begrenzungsebene geführt ist und dort einen p-Bereich (24) bildet, in den eine n⁺-Zone (5d) eingebettet ist, die mit der Kathodenelektrode (7) leitend verbunden ist, daß der p- Bereich (24) und die p-Emitterzone (4) an der Oberfläche durch eine p-Kanalzone (21) verbunden sind, die mit der die p-Kanalzone (21) am Rand der p-Emitterzone überlappenden Gate-Elektrode (9′) des zweiten MOS-Feldeffekttransistors (M2′) einen p-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (MZA) bildet sowie mit einer zusätzlichen, isolierten Gate-Elektrode (22), die in leitendem Kontakt mit der kathodenseitig kontaktierten n⁺-Zone (5d) steht und die Kanalzone (21) am Rand des p-Bereichs (24) überlappt, einen weiteren MOS- Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (MZK) bildet, und daß aus der anodenseitig kontaktierten n⁺-Zone (5d) und dem an die Oberfläche geführten p-Bereich (24) zusammen mit dem isolierten Gate (22) ein MOS-Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp (M2′) gebildet wird.

8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Basiszone (2) und die p-Emitterzone (4′′) an der Oberfläche durch eine p-Kanalzone (21′) verbunden sind, die zusammen mit der die p-Kanalzone (21′) am Rand der p-Emitterzone (4′′) überlappenden, isolierten Gate-Elektrode (9′) einen MOS-Feldeffektransistor vom Verarmungstyp (MZA′) und an der Kathodenseite zusammen mit einer mit der Kathodenelektrode (7′) verbundenen Gate-Elektrode (22′) einen weiteren MOS-Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (MZK′) bildet, und daß aus der Emitter-n-Zone (1′) der an die Oberfläche geführten p-Basiszone (2) zusammen mit der mit der Kathodenelektrode verbundenen Gate-Elektrode (22′) ein n-Kanal-MOS-Feldeffekttransistor (M2′′) gebildet wird.

9. Bidirektionaler Halbleiterschalter, dadurch gekennzeichnet, daß ein anodenseitig ansteuerbares Halbleiterbauelement (ICMT) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche in einer Hybridschaltung zusammen mit einem kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelement (IGBT) angeordnet ist, daß der Anodenanschluß des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements und der Kathodenanschluß des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements zu einer gemeinsamen ersten Hauptelektrode (E1) verbunden sind und daß die Kathode des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements und die Anode des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements zu einer zweiten Hauptelektrode (E2) verbunden sind.

10. Bidirektonales Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß Einheitszellen eines anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (ICMT) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8 in einem Halbleiterkörper mit Einheitszellen eines kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (IGBT) monolithisch integriert sind und daß die Einheitszellen des anodenseitig steuerbaren Halbleiterbauelements in einem ersten Flächenbereich und die Einheitszellen des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements in einem zweiten Flächenbereich des Halbleiterkörpers angeordnet sind.

11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheitszellen des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements im zweiten Flächenbereich einen Insulated-Gate- Bipolar-Transistor (IGBT) mit einer anodenseitigen p-Zone (2a), einer n-Basiszone (3a) und einer kathodenseitigen p-Zone (4a) bilden, in die eine n⁺-Zone (5c) eingebettet ist, die zusammen mit der n-Basiszone (3a), der p-Zone (4a) und einem isolierten Gate (G) einen MOS- Feldeffekttransistor bildet, wobei die kathodenseitige Elektrode (10a) mit der Anodenelektrode (8) des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements verbunden ist.

12. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (IGBT) und die Gate-Elektrode des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (ICMT) zu einer gemeinsamen Gate-Elektrode (G_gem) verbunden sind.

13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß im Grenzbereich zwischen dem ersten und zweiten Flächenbereich die n-Emitterzone (1) und die p-Basiszone (2) des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (ICMT) im ersten Flächenbereich von der anodenseitigen p-Zone (2a) des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (IGBT) im zweiten Flächenbereich voneinander getrennt sind.

14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Basiszone (2) des anodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (ICMT) und die anodenseitige p-Zone (2a) des kathodenseitig ansteuerbaren Halbleiterbauelements (IGBT) im Abstand voneinander enden und durch die dazwischen an die untere Grenzfläche des Halbleiterkörpers tretende n-Basiszone (3) getrennt sind und daß die an die Oberfläche geführte p-Basiszone (2) und n- Basiszone (3) durch eine Isolierschicht (12′), von der Metallisierung an der unteren Begrenzungsebene des Halbleiter-Körpers isoliert sind.

15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die p-Basiszone (2) des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements (ICMT) und die anodenseitige p-Zone (2a) des kathodenseitig ansteuerbaren Bauelements (IGBT) durch einen in den Halbleiterkörper eingelassenen Graben, der isolierstoffgefüllt ist, voneinander getrennt sind.

16. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vom ersten Flächenbereich getrennten oder entfernten Bereich ein Zündgate vorgesehen ist, welches eine in die n-Basiszone (3) wannenförmig eingebettete p-Zone (4a′) mit einem Gate-Kontakt (12) aufweist, der mit der Gate-Elektrode des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements verbunden ist, weiches weiterhin eine zweite, in die n- Basiszone (3) eingebettete p-Zone (4b) aufweist, die durch einen MOS- Feldeffekttransistor vom Verarmungstyp (MZ) mit der p-Zone (4a′) verbunden ist und eine n⁺-Zone (10′′) mit einer Kontaktelektrode enthält, wobei diese Kontaktelektrode (11′′) mit der floatenden Elektrode (FE) und die Gate-Elektrode des MOS-Feldeffekttransistors vom Verarmungstyp (MZ) mit der Kontaktelektrode (15) einer zusätzlich in die n-Basiszone (3) eingebetteten p-Zone (14) verbunden ist, die bei Rückwärtssperrbetrieb des anodenseitig ansteuerbaren Bauelements (ICMT) in der Raumladungszone um den pn-Übergang (J₁′′) liegt.

17. Halbleiterbauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in die zweite p-Emitterzone (4b) eine weitere n⁺-Zone (16) eingebettet ist, die einen gemeinsamen floatenden Shortungskontakt (17) mit der p-Emitterzone (4b) hat und daß die beiden n⁺-Zonen (10′′, 16) zusammen mit dem zwischen ihnen liegenden p-Gebiet der p-Zone (4b) und einer darüber angeordneten Gate-Elektrode einen n-Kanal- MOS-Feldeffekttransistor bilden, dessen Gate-Elektrode (18) mit der Kontaktelektrode (15) des p-Gebiets (14) verbunden ist.

18. Bidirektionales Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einer einzigen Gruppe von in sich bidirektional schaltbaren Einheitszellen nach Anspruch 1, 2 oder 4 gebildet wird, daß jedoch die n-Emitterzone (1) und die p-Basis-Zone (2) in Teilbereichen durch eine an die Kathodenmetallisierung angrenzende p-Zone (2a) ersetzt ist, die gemäß Anspruch 13, 14 oder 15 von der n-Emitterzone (1) und der p-Basis-Zone (2) getrennt ist, daß die Anodenmetallisierung und die Kathodenmetallisierung des Bauelements nach Anspruch 1 mit einer ersten und einer zweiten Hauptelektrode (E₁′, E₂′) verbunden sind, und daß der erste und zweite MOS- Feldeffekttransistor (M1, M2) von außen ansteuerbare Gates (G1, G2) aufweisen, so daß bei leitender Verbindung des Gates (G2) des zweiten MOS-Feldeffekttransistors (M2) mit der erste Hauptelektrode (E₁′) die Funktion des durch das Gate (G1) des ersten MOS- Feldeffekttransistors schaltbaren anodenseitig steuerbaren Halbleiterbauelements (ICMT) und bei positiver Ansteuerung des Gates (G1) des ersten MOS-Feldeffekttransistors (M1) die Funktion des durch das Gate (G2) des zweiten MOS-Feldeffekttransistors kathodenseitig schaltbaren Insulated-Gate-Bipolar-Transistors erhalten wird.

19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ersten Flächenbereich des Halbleiterkörpers ein anodenseitig ansteuerbares Bauelement nach Anspruch 8 und in dem zweiten Flächenbereich des gleichen Halbleiterkörpers ein lateraler Insulated-Gate-Bipolar-Transistor im gleichen Halbleiterkörper angeordnet sind.