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.
Symmetrical thyristor The present invention relates to a symmetrical thyristor with a semiconductor body comprising several superimposed layers of different conductivity types, the two end faces of which each have two zones of opposite conductivity type bridged by a contact layer, one end face having a control zone not covered by the contact layer.
Such thyristors are found in particular in static converters, namely in rectifier systems with contactless control and reversal of the current direction on the direct current side, in controllable electrical drives, in reversible AC converters, etc. application.
Symmetrical thyristors designed as five-layer elements are known, in which the emitter junctions of the upper and lower layers are designed as tunnel junctions or bridged (connection of the upper and lower p- and n-conductive zones with the current collectors). The negative and positive branches of the current-voltage characteristic are influenced in such elements either by means of two control electrodes that are connected to the outer n-conductive zones (thin base zones), or by means of a control electrode that is connected to the thick base .
When controlling with two electrodes, the control current pulse flows from the control zone to the cathode. When controlling with an electrode, the control current pulse flows from the control zone to the anode. In both cases two control circuits are required, one circuit for each current direction.
This need to always use two control circuits is the main disadvantage of the known symmetrical thyristors.
The purpose of the invention is a symmetrical thyristor with a high degree of efficiency, which does not have these disadvantages and which, moreover, can be produced with a relatively low cost of valuable base material, even for high rated currents.
The symmetrical thyristor according to the invention is characterized in that parts of the bridged zones lie one above the other and the control zone is arranged on one end face in such a way that its orthogonal projection onto the other end face at least partially covers the boundary between the two bridged zones of the other end face.
Embodiments of the subject matter of the invention are shown in the accompanying drawing; It shows: FIG. 1 the zone arrangement of a symmetrical thyristor controllable with current pulses of one polarity in section, FIG. 2 the upper end face of the symmetrical thyristor according to FIG. 1 (high current electrodes are not shown), FIG. 3 the lower end face of the symmetrical thyristor according to FIG . 1 (the electrodes are not shown),
4 shows the upper end face of a symmetrical thyristor, controllable with current pulses of any polarity, with n- and p-conducting bridged zones and a control zone which are circular (high-current electrodes are not shown), FIG. 5 shows the lower end face of a symmetrical one , with current pulses of any polarity controllable thyristor with n- and p-conducting bridged zones and a circular control zone (high current electrodes are not shown),
6 shows the upper end face of a symmetrical thyristor, controllable with current pulses of any polarity, with a control zone consisting of two adjacent surfaces of the same p- and n-conductive sectors (high-current electrodes are not shown), FIG. 7 shows the lower end face of a symmetrical,
with current pulses of any polarity controllable thyristor with a control zone consisting of two adjacent areas of the same p- and n-conducting sectors (high-current electrodes are not shown), Fig. 8 the arrangement of the zones of different conductivity of the symmetrical thyristor in section VIII-VIII 6 and 7, FIG. 9 shows the upper end face of a symmetrical,
thyristor controllable with current pulses of any polarity with a control zone consisting of four p- and n-conducting sectors of the same area (high current electrodes are not shown), FIG. 10 shows the arrangement of the zones of different conductivity of the symmetrical thyristor in section XX of FIG 9, 11 the lower end face of the symmetrical,
thyristor controllable with control pulses of any polarity with a control zone consisting of four adjacent p- and n-conducting zones of the same area (high-current electrodes are not shown) and FIG. 12 shows the arrangement of the zones of different conductivity of the symmetrical thyristor in section XII-XII of FIG. 9.
The thyristor controlled with single-pole current pulses represents a multi-layer structure 1 (Fig. 1) with the conductivity sequence npnpn.
The main body of the thyristor is an n-conductive single-crystalline silicon wafer 1 with a specific resistance of about 40 ohms / cm and a diffusion length of about 0.3 mm, in which one of zones is formed by doping with acceptor material and counter-doping with donor material different conductivity existing structure is generated.
The original n-conducting silicon layer 2 (Fig. 1) is located in the center of the plate. Together with the adjacent p-conductive layers 3, 4, it forms the pn junctions 5, 6, which, measured from the end faces of the plate, lie at a depth of 70 μm... 80 μm. Each end face of the plate 1 has, in addition to a p-conductive zone, an n-conductive zone 7 or 8.
The n-conducting zones, together with the p-conducting layers 3, 4 below, form the pn junctions 9, 10 at a depth of approximately 10-15 μm. In this semiconductor element, the contact layers 11, 12 are applied to the p- and n-conducting zones 3, 7 and 4, 8, respectively. The different conductive zones are arranged on the end faces of the plate in such a way that in an orthogonal projection the zones with opposite conductivity overlap one another.
For example, the p-conducting zone 4 is covered by the n-conducting zone 7 and the n-conducting zone 8 is covered by the p-conducting zone 3, the boundaries 13 'between the thyristor shown in FIG Zones 3, 7 and 4, 8 with opposite conductivity lie in the plane of symmetry 13 of the plate 1. The control zone 14 is formed in one of the end faces, the control zone 14 and the area adjoining it being an exception to the aforementioned overlap.
Here the n-conductive zone 7 located in the upper end face (FIG. 1) covers in a small area the likewise n-conductive zone 8 in the lower end face.
The center of the circular control zone 14 lies on the plane of symmetry 13 which, as he mentioned, also forms the boundary between the zones 3, 7 (FIG. 2) with opposite conductivity. The contact layers 11, 12 carry high-voltage electrodes 15, 16. The control zone 14 is connected to a nickel contact piece 18 by a contact layer 17.
The mode of operation of the described symmetrical thyristor, which is controlled with single-pole current pulses, is as follows. If the high current electrode 15 (Fig. 1) is connected to the positive pole and the high current electrode 16 to the negative pole of a power source, the pn junction has a blocking effect and the current flows through the left (Fig. 1) half of the element 1 when the thyristor is on .
If the voltage source is switched on in the control circuit in such a way that the control zone 14 is connected to the positive pole and the high-voltage electrode 15 is connected to the negative pole, the pn junction 9 becomes conductive and injects electrons into the layer 2, the effect of this charge carrier injection being as if a control electrode would be connected to layer 2.
When reversing the polarity of the voltage on the high-voltage electrodes, the current flows through the right (Fig. 1) half of the element 1 and the control mechanism of the symmetrical thyristor is the same as the usual thyristor.
A symmetrical thyristor that is controlled with control pulses of any polarity has a structure with the conductivity sequence npnpn (FIGS. 8, 10, 12).
In the area of the left half of the semiconductor element in FIG. 8 that does not adjoin the control zone, the structure consists of superimposed layers 19, 20, 21, 22 with the conductivity sequence npnp. The right half contains the layers 20, 21, 22, 23 with the conductivity sequence pnpn. The lying on the upper end face of the element zones 22, 23 are symmetrical to the plane of symmetry 13 and surface equal. The control zone is arranged on the plane of symmetry 13, which also forms the boundary between FIGS. 22, 23 and 19, 20.
It has a circular cross-section, which is divided into four equal sectors 25, 26, 27, 28 with the conductivity sequence npnp. Each sector is surrounded by zones that have opposite conductivity to it. For example, the p-conductive sector 26 is followed by the n-conductive sectors 25, 27 of the control zone and part of the zone 23 with n-conductivity.
The lying on the lower end face of the element zone of the p-conductive layer 20 (FIG. 11) and the n-conductive zone 19 are designed symmetrically to the boundary line and have the same areas.
The symmetrical thyristor described can be controlled with current pulses of any polarity and works as follows. If the high current electrode 15 (FIG. 12) is on the negative pole and the electrode 16 is on the positive pole, the np junction 29 has a blocking effect and the current flows through the right half of the element when the thyristor is on (FIG. 8). The p-conductive zone 30 (FIG. 9) is at negative potential.
If the voltage source in the control circuit is switched on in such a way that the contact piece 18 of the control zone (Fig. 12) is on the negative pole and the high-voltage electrode 15 is on the positive pole, the sector 25 (Fig. 9) injects the control zone with the right edge of the pn junction 31 (FIG. 12) electrons into the base layer 21 at a certain control current.
In this case, the thyristor is switched to the on-state first via the control zone (FIG. 9) and then propagates to the main emitter.
If the polarity of the voltage in the control circuit is reversed, the electrons are injected from the left edge of the pn junction 32 (FIG. 10). The control mechanism is the same as that of conventional controllable semiconductor valves.
If the control zone is at the negative pole and the high current electrode 15 is at the positive pole, the pn junction 32 has a blocking effect and the current flows through the left half of the element when the element is on. If the voltage source in the control circuit is connected in such a way that the contact piece 18 of the control zone is at negative potential and the high-voltage electrode 15 is at positive potential, the n-conducting sector 27 injects (Fig. 9)
Electrons into the base zone 21 via the left edge of the pn junction 31 (FIG. 12). These electrons behave as if a control electrode were connected to this zone. If the polarity of the voltage in the control circuit is reversed, this task is taken over by the n-conductive zone 33 (FIG. 9), i. H. the pn junction 34 (FIG. 10) injects electrons from the right edge into the base zone 21. In this case, a five-layer structure must be implemented below the zone 33.
As FIGS. 4 and 5 show, the control zone can also be designed in the form of concentric rings with a symmetrical thyristor for control current of any polarity. In this case, the combination of the bridged p- and n-conductive zones forming the upper end face consists of the areas of the same area of the n-conductive circular zone 35 and the p-conductive annular zone 36.
The control zone is located between these zones in the form of n-conducting ring zones 37 and 38, which are separated from one another by a p-conducting ring zone 39. On the lower end face there is a circular p-conductive zone 40 and an annular n-conductive zone 41 (FIG. 5). These zones are covered and have the same area. When the front surfaces are projected, the zones with opposite conductivity come to cover.
6 and 7 show a controllable with current pulses of any polarity symmetrical thyristor with a control zone, the two halves of which have opposite set conductivity. The upper combination of the bridged zones consists of a p-conductive zone 22 (FIG. 6) and an n-conductive zone 23, which are symmetrical to the diameter of the cell cross-section and have the same areas. The control zone 24 is located on the boundary between the zones.
It is composed of two adjacent sector zones 42, 43 of the same area with opposite conductivity, each of the zones 42, 43 being surrounded by the cell zones 22, 23 of opposite polarity.
The lower combination of the bridged zones of the symmetrical thyristor (FIG. 7) with the control zone divided into two halves consists of the p-conducting zone 20 and the n-conducting zone 19.
These zones 19 and 20 are arranged on the end face in such a way that in the case of orthogonal projection in the bridged zones 19, 20, 22, 23 the zones 19, 22 and 20, 23 with opposite conductivity come to overlap and in the control zone 24 the one half of the p-conductive zone 42 and the n-conductive zone 43 (FIG. 6) from a corresponding area of the n-conductive zone 19 (FIG. 7) and the other half of the n-conductive and p-conductive zones 43 , 42 (Fig. 6)
the control zone is covered by a corresponding area of the p-conductive zone 20. This is achieved in that the zones 19, 20 interlock in the area below the control zone as shown.
The present invention enables the production of high-power thyristors for rated currents up to 500 A and above, in which the negative and positive branch of the current-voltage characteristic can be influenced by one-pole and / or two-pole current pulses. If two-pole control pulses or control pulses of any polarity are used, the two current directions are controlled by currents of the same order of magnitude.
The invention also enables a considerable reduction in the cost of costly basic material in the manufacture of thyristors.