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Steuerbarer Leistungsgleichrichter
Die Erfindung bezieht sich auf Leistungsgleichrichter auf Halbleiterbasis und betrifft steuerbare
Gleichrichter dieser Art.
Es ist bereits bekannt, Siliziumdioden als Leistungsgleichrichter auszubilden und mit einer dritten
Elektrode auszustatten, die als Tor- oder Steuerelektrode für die Steuerung des Gleichrichters verwendbar ist. Wenn die Steuerelektrode gesperrt ist, so fliesst über den Gleichrichter kein Strom. Liegt hin- gegen an der Steuerelektrode Öffnungspotential, so fliesst über den Gleichrichter ein Halbwellenstrom ; der
Gleichrichter kann auf diese Weise mittels der dritten Elektrode gesteuert werden.
Da diese Steuerung auf elektronischem Wege erfolgt, kann sie mit sehr hoher Frequenz vorgenommen werden, beispiels- weise mittels einer Hochfrequenzwelle, die synchron mit der gleichzurichtenden Welle verläuft, wo- bei dann die Steuerelektrode dazu benutzt werden kann, jeweils nur bestimmte Teile der Halbwellen des normalenRichtstromverlaufes herauszugreifen, so dass statt der gesamten Halbwellen nur ein gewünschter
Bruchteil derselben vom Gleichrichter durchgelassen wird.
Zur Herstellung solcher gesteuerter Gleichrichter ist es bekannt, beide Oberflächen einer Scheibe aus Silizium der Leitfähigkeitstype N (oder aus einem andern Halbleitermaterial) einer Diffusions- oder Legierungsbehandlung zu unterziehen, um Halbleiterschichten der Leitfähigkeitstype P auszubilden, von denen eine später mit einem Anodenanschluss versehen wird. Die Aussenfläche der andern P-Schicht wird über einen grossen Flächenteil, aber nicht über die Gesamtfläche, einer weiteren Diffusionsbehand- lung unterworfen, durch welche der behandelte, später mit dem Kathodenanschluss versehene Oberflä- chenteil in die Leitfähigkeitstype N übergeführt wird.
Der in der Leitfähigkeitstype P verbleiben- de übrige Teil dieser Oberfläche wird später mit dem Steuerelektrodenanschluss versehen. Die Silizium- oberfläche wird sodann in Vorbereitung des Anlötens der Elektrodenanschlüsse zuerst mit Nickel und dann mit Gold plattiert, wobei zwischen den Plattierungen über den N-und P-Bereichen der Oberfläche ein
Spalt freigelassen wird, um einen Kurzschluss zwischen diesen Bereichen, der einen Kurzschluss zwischen
Kathode und Steuerelektrode bedeuten würde, zu vermeiden.
Es ist bereits bekannt, dass die Arbeitsweise solcher Vierschicht-Halbleiterelemente dadurch ver- bessert werden kann, dass die Oberfläche des Halbleiterkörpers zwischen der einen Emitterzone und der angrenzenden Basiszone mit einem als Nebenschluss wirkenden, elektrisch leitfähigen Überzug versehen wird. Der eine Nebenschlussschicht bildende Überzug wird dabei als letzte Schicht zwischen den beiden
Kontaktelektroden, also dem Kathoden- und dem Steuerelektrodenanschluss aufgebracht.
Die Erfindung betrifft einen steuerbaren'Leistungsgleichrichter mit einem vorzugsweise aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper, der beispielsweise eine PNP-Schichtfolge aufweist und ähnlich wie die vor- stehend erwähnten bekannten Halbleiterelemente an einer der beiden Aussenschichten mit dem Anoden- anschluss versehen ist, an der gegenüberliegenden Aussenschicht über einen grossen Oberflächenteil von einer mit dem Steuerelektrodenanschluss versehenen N-Schicht abgedeckt ist und amverbleibendenOber-
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Überzug überdeckt ist und die kathodenseitigen P- und N-Schichten mit der Befestigung der zugeordneten Elektroden dienenden metallischen Plattierungen versehen sind ;
die Erfindung besteht darin, dass diese Plattierungen zwischeneinander einen Spalt einschliessen und die Trennlinie zwischen den kathodenseitigen P- und N-Schichten einerseits und der Spalt zwischen den Plattierungen
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an diesen beiden Schichten anderseits unterschiedlichen Verlauf haben, wobei die Trennlinie geradlinig und der Spalt L-förmig verlaufen oder umgekehrt, so dass sich die Plattierung an der N-Schichtan einer Stelle über die P-Schicht erstreckt.
Die Nebenschlussschicht wird also im Rahmen der Erfindung durch eine zur Auflötung der Elektrode dienende, an sich bekannte Plattierung gebildet ; die Trennlinie der beiden Halbleiterschichten auf der Kathodenseite kreuzt den Spalt zwischen den beidenPlattierungen. so dass nur ein Teil der Plattierung eine Brücke bildet und somit der wirksame Nebenschlusswiderstand nicht durch genaue Einregelung der Schichtdicke eingestellt werden muss, sondern in einfacher Weise durch entsprechende Bemessung der Breite dieser Brücke festgelegt werden kann. Auf diese Weise wird ein einfacherer und in der Herstellung billigerer Gleichrichteraufbau erhalten.
Statt einer PNP-Schichtfolge kann im Rahmen der Erfindung natürlich auch eine NPN-Schichtfolge angewendet werden.
Der Aufbau eines Gleichrichters nach der Erfindung und die einzelnen Elemente desselben sollen nun unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Ausführungsbeispielen genauer erläutert werden. Fig. l zeigt eine perspektivische Ansicht eines steuerbaren Gleichrichters nach der Erfindung. Fig. 2 ist eine ähnliche Ansicht, wobei aber der Oberteil des Gehäuses weggelassen ist. Fig. 3 ist eine in grösserem Massstab gehaltene Draufsicht, welche die bisher angewendete Trennung zwischen den N- und P-Bereichen erken-
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zeigt schliesslich eine typische Kennlinie eines gesteuerten Gleichrichters nach der Erfindung.
Der in Fig. 1 dargestellte steuerbare Leistungsgleichrichter weist einen Siliziumkörper auf. dessen Ge- häuse einen sechskantigen oder mutternartigen Teil 12 hat, der einstückig mit einem Schraubenbolzen 14 ausgebildet ist. Der Schraubenbolzen 14 dient zur betriebsmässigen Montage des Gleichrichters und bildet zugleich eine Anschlussklemme desselben, u. zw. gewöhnlich die Anodenklemme des Gleichrichters. Über dem Sechskant 12 befindet sich ein Flachteil 16 und über diesem ein zylindrischer Teil 18, die beide aus Metall bestehen. Auf den zylindrischen Teil 18 ist ein Glasgefäss 20 aufgesetzt, durch das sich die Kathodenzuleitung 22 und die Zuleitung 24 für die Steuerelektrode erstrecken.
Die Zuleitung 22 hat einen abgeflachten Endteil 26 mit einem relativ grossen Loch, während der abgeflachte Endteil der Zuleitung 24 ein kleineres Loch aufweist. Die erwähnten beiden Löcher dienen zum Leitungsanschluss. Die metallischen Teile 16 und 12 sind luftdicht miteinander verschweisst.
Fig. 2 zeigt den Gleichrichter vor dem Aufsetzen des oberen Gehäuseteiles, so dass der Halbleiterkörper 30 noch freiliegt. Die Oberfläche der Halbleiterscheibe ist unterteilt, wobei an der grösseren Teilfläche die Kathodenzuleitung 22 und an der kleineren Teilfläche die Zuleitung 24 zur Steuerelektrode angeschlossen ist. Diese inneren Zuleitungsteile können dünn ausgeführt sein, doch sind die äusseren Zuleitungsteile zur Erzielung der erforderlichen Festigkeit gemäss Fig. l verstärkt und starr ausgebildet. Vorzugsweise sind die äusseren Zuleitungsteile röhrchenförmig und sie werden in das Glasgefäss 20 eingeschmolzen, bevor der Oberteil des Gehäuses aufgesetzt wird. Die inneren Zuleitungsteile werden dabei von den röhrchenförmigen äusseren Zuleitungsteilen aufgenommen.
Der Umfangsrand des Flachteiles 16 wird mit dem Sechskant 12 verschweisst. Die röhrchenförmigen äusseren Zuleitungsteile werden sodann oberhalb der Glaseinschmelzung klemmend gegen die inneren Zuleitungsteile gedrückt und gegebenenfalls abgeflacht.
Gemäss Fig. 4 ist der Siliziumkörper eine vierschichtige Einheit mit einer N-Schicht 32 zwischen zwei P-Schichten 34 und 36. Ein grosser Teil der oberen P-Schicht 34, aber nicht die gesamte Schicht, ist von einer N-Schicht 38 überdeckt bzw. in eine solche Schicht umgewandelt. Der nicht dargestellte Anodenanschluss ist an der P-Schicht 36 vorgesehen. Die Kathodenzuleitung 22 ist mit der N-Schicht 38 verlötet, während die Zuleitung 24 zur Steuerelektrode an den verbleibenden Oberflächenteil 40 der P-Schicht 34 angelötet ist.
Eine Möglichkeit zur Herstellung dieser Verbindungen ist, wie erwähnt, die Lötung. Im Hinblick auf die Schwierigkeit einer Verlötung mit Silizium und wegen der beschränkten Anzahl von Metallen, die sich zu einer Plattierung von Silizium eignen, ist es üblich, Silizium mit Nickel zu plattieren, das an Silizium gut haftet, sodann einen Goldüberzug aufzubringen, der seinerseits an Nickel gut haftet, und die Lötung sodann mit dem Goldüberzug vorzunehmen. Für den angegebenen Zweck eignen sich auch andere Metalle, wie beispielsweise Rhodium und Chrom. Bei der in Fig. 3 dargestellten bekannten Gleichrichtereinheit sind die Zuleitungen 22 und 24 mit Lötmaterial 44 bzw. 48 an Plattierungen 42 bzw. 46 der N-Schicht 38 bzw. des P-Schichtteiles 40 angelötet.
Zwischen den beiden Plattierungen 42
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und 46 befindet sich ein Spalt 50, damit die N-Schicht 38 nicht zum P-Schichtteil 40 kurzgeschlossen wird bzw. was das gleiche bedeutet, damit nicht ein Kurzschluss zwischen der Kathodenzuleitung 22 und der Zuleitung 24 zur Steuerelektrode auftritt. Die Plattierungen 42 und 46 mit dem dazwischenliegenden Spalt 50 sind auch in Fig. 3, die ebenfalls eine bisher übliche Gleichrichterausführung ohne Anwendung der Erfindung darstellt, gut erkennbar. Die gestrichelte Linie 52 gibt die Trennlinie zwischen den N- und P-Schichten an der Oberseite der mehrschichtigen Halbleitereinheit an.
Die im allgemeinen angewendete Theorie für die Arbeitsweise der steuerbaren Gleichrichter besagt, dass oie PNP-Übergänge wirkungsmässig PNNP-Übergängen entsprechen, die ihrerseits zwei gegensinnig in Serie geschaltete Gleichrichter darstellen, so dass normalerweise jeglicher Stromfluss unterbunden ist.
Die N-Schicht 38 hat zwar die Tendenz, Elektronen zur Ausfüllung der Löcher oder Defektelektronen in der P-Schicht 34 zu liefern, allerdings in unzureichendem Ausmass. Durch das Anlegen eines positiven Potentials an die Zuleitung 24 zur Steuerelektrode wird aber ein ergiebiger Elektronenfluss durch die N-Schicht 38 in und durch die P-Schicht 34 gezogen, wobei die Löcher in dieser Schicht ausgefüllt werden und die Schicht wirkungsmässig in eine zusätzliche N-Schicht umgewandelt wird, so dass das Halbleiterelement sodann wirkungsmässig ein zweischichtiges Element mit einem einzigenPN-Über- gang wird. Wenn also ein positives Steuerpotential an die Zuleitung 24 zur Steuerelektrodeangelegt wird, so ist der Gleichrichter wirksam, wogegen er andernfalls gesperrt bzw. unwirksam ist.
Es ist nun zu beachten, dass die N-Schicht 38 und der P-Schichtteil 40 für sich innerhalb des Gesamtaufbaues eine Zusatzdiode bilden. Es wurde gefunden, dass die Arbeitsweise des steuerbaren Gleichrichters durch diese Zusatzdiode schädlich beeinflusst wird und erheblich verbessert werden kann. wenn diese Zusatzdiode 38,40 schlechte statt gute Diodeneigenschaften hat. Gemäss Fig. 8 hat eine gute Diode eine Kennlinie, die durch die Kurventeile 54 und 56 dargestellt wird, wobei also praktisch kein Rückstrom auftritt. Eine schlechte Diode kann hingegen beispielsweise die durch die Kurventeile 54 und 58 angedeutete Kennlinie haben, bei der sich ein erheblicher Rückstrom ergibt. Diese Kennlinie kann durch eine mit Widerstand behaftete Überbrückung der Zusatzdiode erzielt werden.
Zuweilen wäre es erwünscht, wenn überhaupt keine solche Zusatzdiode vorhanden wäre, doch erfordern ungünstigerweise die übrigen Betriebsbedingungen eines steuerbaren Gleichrichters tatsächlich das Vorhandensein der Diodenteile 38 und 40. Es ist daher nicht möglich, diese Teile kurzzuschliessen, hingegen ist es möglich, einen mit Widerstand behafteten Weg zu schaffen, der einerseits nicht so niedrigen Widerstand hat, dass die gewünschte Steuerwirkung verlorengeht, anderseits aber niedrig genug ist, um einen Grossteil des unerwünschten Zusatzdiodeneffektes zu beseitigen. Für eine mit 16A arbeitende Gleichrichtereinheit der dargestellten Art ist beispielsweise ein Widerstand zwischen 20 und 100 Ohm befriedigend.
Es wurde also insbesondere gefunden, dass die Arbeitsweise des steuerbaren Gleichrichters nach den Fig. 3 und 4 wesentlich durch die Vorsehung einer mit Widerstand behafteten Verbindung zwischen den N- und P-Schichten 38,40 verbessert werden kann bzw., was das gleiche bedeutet, zwischen den Zuleitungen 22 und 24 zur Kathode bzw. zur Steuerelektrode, wobei sich diese Verbindung aber vorzugsweise innerhalb des Gleichrichtergehäuses befinden soll. Es wurde ferner gefunden, dass einsehr zuverlässiger Weg zur Herstellung einer solchen mit Widerstand behafteten Verbindung, die einen vorbestimmten festen Widerstandwert hat, darin besteht, dass die schon erwähnte Plattierung von dem einen Oberflächenbereich in einem beschränkten Ausmass über den andern Oberflächenbereich ausgedehnt wird.
Diese erfindungsgemässe Ausführung ist in Fig. 5 dargestellt, wo die Plattierung 60 der N-Schicht von der Plattierung 62 am P-Schichtteil, wie schon beschrieben, durch einen Spalt 64-getrennt ist, ausgenommen an einer Stelle 66,-wo sich die Plattierung 60 von dem einen Oberflächenbereich zum andern erstreckt, so dass eine mit Widerstand behaftete Verbindung zwischen den beiden Oberflächenbereichen bzw. Schichten vorhanden ist. Die strichlierte Linie 52 stellt wieder die Trennlinie zwischen den N- und P-Bereichen dar ; die Zuleitungen 22 und 24 sind in diesen Bereichen in der bereits beschriebenen Weise befestigt.
Zur weiteren Erläuterung des Aufbaues sei auf Fig. 6 verwiesen, die im Schnitt nach der Linie 6-6 in Fig. 5 erkennen lässt, wie sich die Plattierung 60 mit dem Teil 66 über den P-Bereich 40 erstreckt. In diesem Schnitt reicht die Plattierung über die gesamte Oberseite des Halbleiterelementes.
Fig. 7 zeigt einen Querschnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 5 und lässt erkennen, wie die Plattierung 60 beim Spalt 64 vor der Trennlinie 52 zwischen den N- und P-Bereichen 38 und 40 endet.
Der dargestellte steuerbare Hochleistungsgleichrichter führt bei 500 V Spannung einen Strom von
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16 A. Die Betriebsspannung ist für die Erfindung nicht wichtig und kann innerhalb eines weiten Bereiches variieren. Alle Zahlenwerte, die in der Beschreibung gegeben werden, sind lediglich Beispielsangaben und stellen keine Grenzwerte für die Anwendbarkeit der Erfindung dar. Die Einheit ist in ein geschweisstes
Gehäuse luftdicht eingeschlossen. Die mit Glaseinschmelzungen ausgebildeten Zuleitungen bestehen aus
Kovar, so dass die Einheit innerhalb eines weiten Temperaturbereiches verwendbar ist und Tempera- turstössen standhält.
DerHalbleiterkörper mit denPN-Übergängen wird zweckmässig durch dreifache Diffusion hergestellt.
Zunächst wird ein Siliziumkörper der N-Type durch Diffusion behandelt, um beide Seiten desselben in
Silizium der P-Type überzuführen. Der in den Fig. 3 und 4 mit 40 bezeichnete Oberflächenteil der oberen P-Schicht wird sodann mit einer Maske abgedeckt und die übrige Oberfläche wird einer Diffusions- behandlung unterworfen, um diesen Oberflächenteil wieder in Silizium der N-Type überzuführen, wo- durch die Schicht 38 entsteht. Die in Fig. 5 gezeigten Spalte 64, 64'werden durch Abdeckung . beim Aufbringen der Nickel-und Goldplattierungen hergestellt, wobei diese Plattierungen sodann die
Flächen 60 und 62 in Fig. 5 bedecken.
Aus Fig. 5 ist erkennbar, dass der elektrische Stromweg zwischen der Kathodenzuleitung 22 und der Zuleitung 24 zur Steuerelektrode die Plattierungsschichten, das darunterliegende Silizium und die
Spalte 64, 64'enthält. Die geometrischen und elektrischen Beziehungen dieser Parameter sind von
Bedeutung. Insbesondere ist der spezifische Widerstand der Plattierungsschicht wichtig und dieser hängt von der Dichte und der Dicke der Plattierung ab. Der Plattierungsteil 66 in Fig. 5 wirkt als eine Brük- ke, die eine mit Widerstand behaftete Verbindung zwischen den N- und P-Schichten 38 und 40 her- stellt, durch welche die Arbeitsweise des steuerbaren Gleichrichters durch teilweise Beseitigung der Zu- satzdiodenwirkung zwischen den Teilen 38 und 40 verbessert wird.
Der erwähnte, mit Widerstand behaftete Stromweg kann im Prinzip auch zwischen den Anschluss- klemmen ausserhalb des Gleichrichtergehäuses angeordnet werden, doch besteht ein wichtiger Vorteil der
Anordnung im Gehäuseinneren darin, dass der Stromweg auf diese Weise gegen Beschädigung oder äussere
Beeinflussung geschützt wird.
Bei der dargestellten Einheit beträgt die Breite der plattierungsfreien Zone, d. h. des Spaltes 64, 64', ungefähr 0, 8 mm, die Breite des Querverbindungsweges 66 (Fig. 5) und die Dicke der Plattierung sind in bezug aufeinander so gewählt, dass der gewünschte Widerstand von 20 bis 100 Ohm erhalten wird.
Aus der vorhergehenden Beschreibung gehen der Aufbau und die Arbeitsweise sowie dieVorteiledes erfindungsgemäss verbesserten steuerbaren Gleichrichters hervor. Bei diesem Gleichrichter werden alle wichtigen und erwünschten Eigenschaften der bekannten steuerbaren Gleichrichter beibehalten, einschiess- lich der verzögerungsfreien Arbeitsweise, so dass er gegebenenfalls mit hoher Frequenz betrieben und ge- steuert werden kann, um die Durchlassintervalle in jedem Halbwellenzyklus zu beeinflussen, oder sogar mit
Hochfrequenzwellen, die gleichgerichtet werden sollen. Überdies werden die Arbeitsweise und insbesondere
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Anwendung des beschriebenen, mit Widerstand behafteten Verbindungsweges wesentlich verbessert.
Theoretisch ist die Polarität umkehrbar, d. h. beginnend mit der untersten Schicht kann der Sili- ziumkörper die Schichtenfolge NPNP aufweisen, in welchem Falle der Schraubenbolzen bzw. untere
Klemmen die Kathode bildet, während die Zuleitung 22 an der Oberseite zur Anode führen würde ; das
Steuerpotential müsste dann statt positiv negativ sein. Es wird jedoch bei weitem bevorzugt, die darge- stellte Polarität anzuwenden.
In Fig. 5 ist die Trennlinie 52 als Gerade dargestellt und der Spalt 64, 64' ist L-förmig, doch versteht sich, dass die gleichen Ergebnisse auch erhalten werden müssen, wenn der Trennlinie 52
L-Form erteilt und der Spalt 64 geradlinig ausgebildet wird.
Auch durch andere Konfigurationen von Trennlinie und Spalt kann erreicht werden, dass ein Teil der
Plattierung vom Kathodenbereich auf der einen Spaltseite zum Steuerelektrodenbereich auf der andern
Spaltseite ausgedehnt wird.
Es versteht sich ferner, dass das dargestellte bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung im Rahmen
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