Symmetrischer Thyristor Die vorliegende Erfindung betrifft einen symmetri schen Thyristor mit einem mehrere übereinanderliegende Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyps umfassenden Halbleiterkörper, dessen beide Stirnflächen je zwei durch eine Kontaktschicht überbrückte Zonen von zueinander entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweisen, wobei eine Stirnfläche eine nicht von der Kontaktschicht be deckte Steuerzone besitzt.
Solche Thyristoren finden ins besondere bei statischen Stromrichtern, und zwar bei Gleichrichteranlagen mit kontaktloser Regelung und Um kehrung der Stromrichtung an der Gleichstromseite, bei regelbaren elektrischen Antrieben, bei umkehrbaren Wechselstromrichtern usw. Anwendung.
Bekannt sind als Fünfschichtenelemente ausgebildete symmetrische Thyristoren, bei denen die Emitterüber- gänge der oberen und unteren Schicht als Tunnelüber gänge oder überbrückt (Verbindung der oberen bzw. unteren p- und n-leitenden Zonen mit den Stromabneh mern) ausgeführt sind. Die Beeinflussung des negativen und positiven Zweiges der Strom-Spannungs-Kennlinie erfolgt bei solchen Elementen entweder mittels zwei Steuerelektroden, die an den äusseren n-leitenden Zonen (dünnen Basiszonen) angeschlossen sind, oder mittels einer Steuerelektrode, die an der dicken Basis angeschlos sen ist.
Bei Steuerung mit zwei Elektroden fliesst der Steuerstromimpuls von der Steuerzone zur Kathode. Bei Steuerung mit einer Elektrode fliesst der Steuerstromim- puls von der Steuerzone zur Anode. In beiden Fällen sind zwei Steuerschaltungen erforderlich, und zwar für jede Stromrichtung eine Schaltung.
Diese Notwendigkeit, stets zwei Steuerschaltungen einzusetzen, ist der Hauptnachteil der bekannten sym metrischen Thyristoren.
Zweck der Erfindung ist ein symmetrischer Thy- ristor mit hohem Wirkungsgrad, der diese Nachteile nicht aufweist und der sich ausserdem mit verhältnismässig niedrigem Aufwand an wertvollem Grundwerkstoff auch für hohe Nennströme herstellen lässt.
Der erfindungsgemässe symmetrische Thyristor ist dadurch gekennzeichnet, dass Teile der überbrückten Zo nen übereinanderliegen und die Steuerzone auf der einen Stirnfläche derart angeordnet ist, dass ihre Orthogonal- projektion auf die andere Stirnfläche die Grenze zwi schen den beiden überbrückten Zonen der anderen Stirnfläche mindestens teilweise überdeckt.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der beiliegenden Zeichnung dargestellt; es zeigt: Fig. 1 die Zonenanordnung eines mit Stromimpulsen einer Polarität steuerbaren symmetrischen Thyristors im Schnitt, Fig. 2 die obere Stirnfläche des symmetrischen Thyristors nach Fig. 1 (Starkstromelektroden sind nicht gezeigt), Fig. 3 die untere Stirnfläche des symmetrischen Thyristors nach Fig. 1 (die Elektroden sind nicht ge zeigt),
Fig. 4 die obere Stirnfläche eines symmetrischen, mit Stromimpulsen beliebiger Polarität steuerbaren Thy- ristors mit n- und p-leitenden überbrückten Zonen und einer Steuerzone, die kreisförmig ausgebildet sind (Stark stromelektroden sind nicht gezeigt), Fig. 5 die untere Stirnfläche eines symmetrischen, mit Stromimpulsen beliebiger Polarität steuerbaren Thy- ristors mit n- und p-leitenden überbrückten Zonen und einer kreisförmig ausgebildeten Steuerzone (Starkstrom elektroden sind nicht gezeigt),
Fig. 6 die obere Stirnfläche eines symmetrischen, mit Stromimpulsen beliebiger Polarität steuerbaren Thy- ristors mit einer aus zwei aneinanderliegenden flächen gleichen p- und n-leitenden Sektoren bestehenden Steuer zone (Starkstromelektroden sind nicht gezeigt), Fig. 7 die untere Stirnfläche eines symmetrischen,
mit Stromimpulsen beliebiger Polarität steuerbaren Thy- ristors mit einer aus zwei aneinanderliegenden flächen gleichen p- und n-leitenden Sektoren bestehenden Steuer zone (Starkstromelektroden sind nicht gezeigt), Fig. 8 die Anordnung der Zonen verschiedener Leit fähigkeit des symmetrischen Thyristors im Schnitt VIII-VIII der Fig. 6 und 7, Fig. 9 die obere Stirnfläche eines symmetrischen,
mit Stromimpulsen beliebiger Polarität steuerbaren Thy- ristors mit einer aus vier flächengleichen aneinanderlie- genden p- und n-leitenden Sektoren bestehenden Steuer zone (Starkstromelektroden sind nicht gezeigt), Fig. 10 die Anordnung der Zonen verschiedener Leitfähigkeit des symmetrischen Thyristors im Schnitt X-X der Fig. 9, Fig. 11 die untere Stirnfläche des symmetrischen,
mit Steuerimpulsen beliebiger Polarität steuerbaren Thy- ristors mit einer aus vier flächengleichen aneinanderlie- genden p- und n-leitenden Zonen bestehenden Steuer zone (Starkstromelektroden sind nicht gezeigt) und Fig. 12 die Anordnung der Zonen verschiedener Leitfähigkeit des symmetrischen Thyristors im Schnitt XII-XII der Fig. 9.
Der mit einpoligen Stromimpulsen gesteuerte Thy- ristor stellt eine vielschichtige Struktur 1 (Fig. 1) mit der Leitfähigkeitsfolge npnpn dar.
Der Grundkörper des Thyristors ist ein n-leitendes einkristallines Siliziumplättchen 1 mit einem spezifi schen Widerstand von etwa 40 Ohm/cm und einer Dif fusionslänge von etwa 0,3 mm, in dem durch Dotierung mit Akzeptormaterial und Kontradotierung mit Dona- tormaterial eine aus Zonen mit verschiedener Leitfähig keit bestehende Struktur erzeugt ist.
Die ursprüngliche n-leitende Siliziumschicht 2 (Fig. 1) befindet sich in der Mitte des Plättchens. Sie bildet mit den anliegenden p-leitenden Schichten 3, 4 die pn-Übergänge 5, 6, die von den Stirnflächen des Plättchens aus gemessen, in einer Tiefe von 70<B>...</B> 80 ,um liegen. Jede Stirnfläche des Plättchens 1 weist neben einer p-leitenden Zone eine n-leitende Zone 7 bzw. 8 auf.
Die n-leitenden Zo nen bilden zusammen mit den darunterliegenden p-lei- tenden Schichten 3, 4 die pn-Übergänge 9, 10 in einer Tiefe von etwa 10-15, um. Die Kontaktschichten 11, 12 sind bei diesem Halbleiterelement auf die p- und n-lei- tenden Zonen 3, 7 bzw. 4, 8 aufgebracht. Die ver schieden leitfähigen Zonen sind auf den Stirnflächen des Plättchens so angeordnet, dass bei einer orthogonalen Projektion die Zonen mit entgegengesetzter Leitfähigkeit einander überdecken.
So wird beispielsweise die p-lei- tende Zone 4 von der n-leitenden Zone 7 und die n-leitende Zone 8 von der p-leitenden Zone 3 über deckt, wobei bei dem in Fig. 1 gezeigten Thyristor die Grenzen 13' zwischen den Zonen 3, 7 und 4, 8 mit entgegengesetzter Leitfähigkeit in der Symmetrieebene 13 des Plättchens 1 liegen. Die Steuerzone 14 ist in einer der Stirnflächen gebildet, wobei die Steuerzone 14 und das an sie anschliessende Gebiet eine Ausnahme von der genannten Überdeckung darstellt.
Hier über deckt die in der oberen Stirnfläche befindliche n-lei- tende Zone 7 (Fig. 1) in einem kleinen Bereich die ebenfalls n-leitende Zone 8 in der unteren Stirnfläche.
Der Mittelpunkt der kreisförmigen Steuerzone 14 liegt auf der Symmetrieebene 13, welche auch, wie er wähnt, die Grenze zwischen den Zonen 3, 7 (Fig. 2) mit entgegengesetzter Leitfähigkeit bildet. Die Kontakt schichten 11, 12 tragen Starkstromelektroden 15, 16. Die Steuerzone 14 ist durch eine Kontaktschicht 17 mit einem Nickelkontaktstück 18 verbunden.
Die Wirkungsweise des beschriebenen symmetrischen Thyristors, der mit einpoligen Stromimpulsen gesteuert wird, ist folgende. Wird die Starkstromelektrode 15 (Fig. 1) an den Pluspol und die Starkstromelektrode 16 an den Minuspol einer Stromquelle angeschlossen, so wirkt der pn-Übergang sperrend und der Strom fliesst im Durchlasszustand des Thyristors über die linke (Fig.1) Hälfte des Elementes 1.
Ist die Spannungsquelle in den Steuerstromkreis derart eingeschaltet, dass die Steuerzone 14 am Pluspol und die Starkstromelektrode 15 am Mi nuspol liegen, so wird der pn-Übergang 9 leitend und injiziert Elektronen in die Schicht 2, wobei die Wirkung dieser Ladungsträgerinjektion so ist, als ob an die Schicht 2 eine Steuerelektrode angeschlossen wäre.
Bei Umpolung der Spannung an den Starkstrom elektroden fliesst der Strom über die rechte (Fig. 1) Hälfte des Elementes 1 und der Steuermechanismus des symmetrischen Thyristors ist der gleiche wie beim übli chen Thyristor.
Ein symmetrischer Thyristor, der mit Steuerimpul- sen beliebiger Polarität gesteuert wird, weist eine Struk tur mit der Leitfähigkeitsfolge npnpn (Fig. 8, 10, 12) auf.
In dem nicht an die Steuerzone anschliessenden Gebiet der in Fig. 8 linken Hälfte des Halbleiterele mentes besteht die Struktur aus übereinanderliegenden Schichten 19, 20, 21, 22 mit der Leitfähigkeitsfolge npnp. Die rechte Hälfte enthält die Schichten 20, 21, 22, 23 mit der Leitfähigkeitsfolge pnpn. Die auf der oberen Stirnfläche des Elementes liegenden Zonen 22, 23 sind symmetrisch zur Symmetrieebene 13 und flä chengleich. Auf der Symmetrieebene 13, die auch die Grenze zwischen den 22, 23 und 19, 20 bildet, ist die Steuerzone angeordnet.
Sie hat einen kreisrunden Quer schnitt, der in vier gleiche Sektoren 25, 26, 27, 28 mit der Leitfähigkeitsfolge npnp unterteilt ist. Jeder Sek tor wird von Zonen umgeben, die ihm gegenüber ent gegengesetzte Leitfähigkeit besitzen. So schliessen bei spielsweise an den p-leitenden Sektor 26 die n-leitenden Sektoren 25, 27 der Steuerzone und ein Teil der Zone 23 mit n-Leitfähigkeit an.
Die auf der unteren Stirnfläche des Elementes lie gende Zone der p-leitenden Schicht 20 (Fig. 11) und die n-leitende Zone 19 sind symmetrisch zur Grenzlinie gestaltet und besitzen gleiche Flächen.
Der beschriebene symmetrische Thyristor kann mit Stromimpulsen beliebiger Polarität gesteuert werden und wirkt wie folgt. Liegt die Starkstromelektrode 15 (Fig. 12) am Minuspol und die Elektrode 16 am Plus pol, so wirkt der np-Übergang 29 sperrend, und der Strom fliesst im Durchlasszustand des Thyristors über die rechte Hälfte des Elementes (Fig. 8). Dabei liegt die p-leitende Zone 30 (Fig. 9) auf negativem Potential.
Ist die Spannungsquelle im Steuerstromkreis derart ein geschaltet, dass das Kontaktstück 18 der Steuerzone (Fig. 12) am Minuspol und die Starkstromelektrode 15 am Pluspol liegt, so injiziert der Sektor 25 (Fig. 9) der Steuerzone mit dem rechten Rand des pn-Überganges 31 (Fig. 12) bei einem bestimmten Steuerstrom Elektronen in die Basisschicht 21.
In diesem Falle erfolgt die Um schaltung des Thyristors in den Durchlasszustand zu nächst über die Steuerzone (Fig. 9) und pflanzt sich dann auf den Hauptemitter fort.
Bei Umpolung der Spannung im Steuerstromkreis werden die Elektronen vom linken Rand des pn-Über- ganges 32 (Fig. 10) injiziert. Der Steuermechanismus ist der gleiche wie bei üblichen steuerbaren Halbleiterven tilen.
Liegt die Steuerzone am Minuspol und die Stark stromelektrode 15 am Pluspol, so wirkt der pn-Über- gang 32 sperrend und der Strom fliesst im Durchlass- zustand des Elementes durch die linke Hälfte des Ele- mentes. Wird die Spannungsquelle im Steuerstromkreis so angeschlossen, dass das Kontaktstück 18 der Steuerzone auf negativem Potential und die Starkstromelektrode 15 auf positivem Potential liegt, so injiziert der n-leitende Sektor 27 (Fig. 9)
über den linken Rand des pn-Über- ganges 31 (Fig. 12) Elektronen in die Basiszone 21. Diese Elektronen verhalten sich so, als ob an dieser Zone eine Steuerelektrode angeschlossen wäre. Bei Um- polung der Spannung im Steuerstromkreis übernimmt diese Aufgabe die n-leitende Zone 33 (Fig. 9), d. h. der pn-Übergang 34 (Fig. 10) injiziert vom rechten Rand Elektronen in die Basiszone 21. In diesem Falle muss unter der Zone 33 eine Fünfschichtenstruktur realisiert werden.
Wie die Fig. 4 und 5 zeigen, kann bei einem sym metrischen Thyristor für mit Steuerstrom beliebiger Po larität die Steuerzone auch in Form von konzentrischen Ringen ausgebildet werden. In diesem Falle besteht die die obere Stirnfläche bildende Kombination der über brückten p- und n-leitenden Zonen aus den flächen gleichen Zonen der n-leitenden kreisrunden Zone 35 und der p-leitenden ringförmigen Zone 36.
Zwischen diesen Zonen befindet sich die Steuerzone in Form von n-lei- tenden Ringzonen 37 und 38, welche voneinander durch eine p-leitende Ringzone 39 getrennt sind. Auf der un teren Stirnfläche befinden sich eine kreisförmige p-lei- tende Zone 40 und eine kreisringförmige n-leitende Zone 41 (Fig. 5). Diese Zonen sind überdeckt und flächengleich. Bei Projektion der Stirnflächen kommen die Zonen mit entgegengesetzter Leitfähigkeit zur Über deckung.
Die Fig. 6 und 7 zeigen einen mit Stromimpulsen beliebiger Polarität steuerbaren symmetrischen Thyristor mit einer Steuerzone, deren beide Hälften entgegenge setzte Leitfähigkeit besitzen. Dabei besteht die obere Kombination der überbrückten Zonen aus einer p-lei- tenden Zone 22 (Fig. 6) und einer n-leitenden Zone 23, die symmetrisch zum Durchmesser des Zellenquer schnitts liegen und gleiche Flächen aufweisen. Die Steuerzone 24 befindet sich auf der Grenze zwischen den Zonen.
Sie setzt sich aus zwei aneinanderliegenden flächengleichen Sektorzonen 42, 43 mit entgegengesetz ter Leitfähigkeit zusammen, wobei jede der Zonen 42, 43 von den Zellenzonen 22, 23 entgegengesetzter Pola rität umgeben wird.
Die untere Kombination der überbrückten Zonen des symmetrischen Thyristors (Fig. 7) mit der in zwei Hälf ten geteilten Steuerzone besteht aus der p-leitenden Zone 20 und der n-leitenden Zone 19.
Diese Zonen 19 und 20 sind auf der Stirnfläche so angeordnet, dass bei orthogonaler Projektion bei den überbrückten Zonen 19, 20, 22, 23 die Zonen 19, 22 bzw. 20, 23 mit entgegengesetzter Leitfähigkeit zur Überdeckung kom men und bei der Steuerzone 24 die eine Hälfte der p-leitenden Zone 42 und der n-leitenden Zone 43 (Fig. 6) von einem entsprechenden Bereich der n-lei- tenden Zone 19 (Fig. 7) und die andere Hälfte der n- und p-leitenden Zonen 43, 42 (Fig. 6)
der Steuer zone von einem entsprechenden Bereich der p-leitenden Zone 20 überdeckt ist. Diese wird dadurch erreicht, dass die Zonen 19, 20 im Bereich unterhalb der Steuer zone wie gezeigt ineinandergreifen.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Herstel lung von Hochleistungsthyristoren für Nennströme bis 500 A und darüber, bei denen der negative und po- sitive Zweig der Strom-Spannungs-Kennlinie durch ein- und/oder zweipolige Stromimpulse beeinflusst werden kann. Bei Anwendung von zweipoligen Steuerimpulsen bzw. Steuerimpulsen beliebiger Polarität erfolgt die Steuerung bei den beiden Stromrichtungen durch Ströme gleicher Grössenordnung.
Die Erfindung ermöglicht weiter eine beträchtliche Herabsetzung des Aufwandes an kostspieligem Grund werkstoff bei Herstellung von Thyristoren.