Die vorliegende Erfindung betrifft einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens drei pn-Übergängen, mit einer Basiszone, auf der eine Zündelektrode angeordnet ist, mit einem Hauptemitter und einem zwischen Zündelektrode und Hauptemitter liegenden Hilfsemitter, bei dem der zwischen Zündelektrode und Hilfsemitter liegende pn-Übergang an die Oberfläche des Halbleiterkörpers tritt
Solche Thyristoren sind bekannt. Der Hilfsemitter bildet mit den übrigen Zonen des Halbleiterkörpers einen Hilfsthyri stor, während der Hauptemitter zum Hauptthyristor gehört.
Der Hilfsemitter bewirkt eine Verstärkung des eingespeisten Zündstromes, so dass der Hauptemitter auch mit einem niedrigen eingespeisten Zündstrom schnell und sicher auf einer relativ grossen Fläche gezündet wird. Ein grossflächiges oder zumindest linienförmiges Zünden des Hauptthyristors ist wichtig, da beim Zünden kleiner, mehr oder weniger punktförmiger Bereiche der Thyristor an diesen Stellen wegen zu hoher spezifischer Belastung zerstört werden kann.
Dies wird jedoch nur dann erreicht, wenn der Hilfsthyristor vor dem Hauptthyristor zündet. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, da die Zündverzugszeit des Hauptthyristors kleiner sein kann als die des Hilfsthyristors. Unter der Zündverzugszeit versteht man definitionsgemäss die Zeit vom Einspeisen eines Zündstromes bis zum Absinken der an der Hauptstrecke des Thyristors liegenden Spannung auf 9001o ihres ursprünglichen Wertes. Zündet jedoch der Hauptthyristor vor dem Hilfsthyristor, so steht dem Hauptthyristor zum Zünden nicht ein nur durch den äusseren Lastkreis begrenzter Laststrom des Hilfsthyristors zur Verfügung, sondern neben dem eingespeisten Zündstrom nur ein vergleichsweise geringer Laststrom, der bereits vor dem Zünden durch die Hauptstrecke des Hilfsthyristors fliesst.
Der Hauptthyristor zündet daher nur in einem kleinflächigen Teil, der den ganzen Laststrom aufnehmen muss und daher durch Überhitzung zerstört wird. Der Thyristor ist damit nicht mehr brauchbar.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, dass die Zündverzugszeit des Hauptthyristors immer grösser ist als die des Hilfsthyristors. Dabei wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass die Zündverzugszeit eines Thyristors mit steigender Zündstromdichte abnimmt.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der pn-Übergang undloder die Zündelektrode mindestens drei, aber höchstens sechs, zusammen jedoch nicht mehr als neun Bereiche aufweisen, deren Abstand vom pn-Übergang beziehungsweise der Zündelektrode geringer als der Abstand aller übrigen Randbereiche der Zündelektrode vom pn-Übergang sind, dass diese Bereiche klein gegen die Länge des pn-Übergangs beziehungsweise gegen den Umfang der Zündelektrode sind und dass diese Bereiche wenigstens angenähert gleichmässig am Umfang der Zündelektrode beziehungsweise des pn-Überganges verteilt sind.
Der pn-Übergang kann kreisförmig ausgebildet sein, und die Zündelektrode kann die Form eines n-Ecks haben, wobei n zwischen 3 und 6 liegt. Es kann jedoch auch die Zündelektrode kreisförmig ausgebildet sein und der pn-Übergang die Form eines n-Ecks haben, wobei n zwischen 3 und 6 liegt. Es ist auch möglich, sowohl die Zündelektrode als auch den pn-Übergang die Form eines n-Ecks zu geben. Zweckmässig ist es, die Ecken gleichmässig über den Umfang des pn-Überganges beziehungsweise den Umfang der Zündelektrode zu verteilen. Der pn-Ubergang kann auch kreisförmig oder als n-Eck ausgebildet sein, und die Zündelektrode kann n-Vorsprünge haben, wobei n zwischen 3 und 6 liegt. Umgekehrt kann auch die Zündelektrode kreisförmig oder als n-Eck ausgebildet sein, und der pn-Übergang kann n-Vorsprünge haben, wobei n zwischen 3 und 6 liegt.
Es können aber auch Zündelektrode und der pn-Übergang einander gegenüberliegende Vorsprünge aufweisen.
Der Thyristor nach der Erfindung hat den Vorteil, dass auch bei ungenauer Justierung der Zündelektrode relativ zum pn-Übergang mindestens ein Bereich übrigbleibt, der gegenüber allen anderen Bereichen den geringsten Abstand zwischen Zündelektrode und pn-Übergang aufweist.
Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren 1 bis 8 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den Querschnitt durch einen Halbleiterkörper eines bekannten Thyristors,
Fig. 2 die Aufsicht auf diesen Halbleiterkörper,
Fig. 3 bis 8 die Aufsicht auf 6 verschiedene Ausführungsbeispiele gemäss der Erfindung. Hierbei sind Teile mit gleicher Funktion wie in den Figuren 1 und 2 mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. list der Halbleiterkörper eines Thyristors mit innerer Zündverstärkung gezeigt. Er weist eine erste Emitterzone 1, eine erste Basiszone 2, eine zweite Basiszone 3 und eine zweite Emitterzone 4 auf. Auf der ersten Emitterzone 1 ist eine Emitterelektrode 5 und auf der zweiten Emitterzone 4 eine Emitterelektrode 6 angeordnet. Mit der ersten Basiszone 2 ist eine Zündelektrode 9 verbunden. Zwischen der Zündelektrode 9 und der ersten Emitterzone 1 liegt eine weitere Emitterzone 7, der Hilfsemitter. Der Hilfsemitter ist mit einer Hilfsemitterelektrode 8 versehen. Zwischen der Zündelektrode 9 und der Hilfsemitterelektrode 8 tritt der zwischen dem Hilfsemitter 7 und der ersten Basiszone 2 liegende pn-Übergang an die Oberfläche des Halbleiterkörpers. Dieser pn-Übergang ist mit 10 bezeichnet.
Die Emitterzone 1, die Hilfsemitterzone 7, die Emitterelektrode 5 und die Hilfsemitterelektrode 8 sind ringförmig ausgeführt. Die Zündelektrode 9 hat Kreisform. Dies ist in der Aufsicht nach Fig. 2 veranschaulicht. Die Elektroden sind in dieser und den folgenden Figuren der besseren Übersicht halber schraffiert.
Ein in die Zündelektrode 9 eingespeister Zündstrom nimmt seinen Weg zunächst in den Hilfsemitter 7 und löst dort eine Injektion von Ladungsträgern in die erste Basiszone 2 aus. Diese Injektion verursacht einen Strom von der Elektrode 6 zum Hilfsemitter 7. Dieser Strom fliesst dann zur Hilfsemitterelektrode 8 und über das mit der ersten Basiszone 2 verbundene Stück dieser Elektrode zum Emitter 1.
Dieser Strom wird um den in die Zündelektrode 9 eingespeisten Strom verstärkt. Beim Thyristor nach Fig. 2 liegen alle Randbereiche der Zündelektrode 9 gleich weit vom pn-Übergang 10 entfernt. Es gibt daher keine Bereiche am pn-Übergang, die gegenüber anderen Bereichen bevorzugt sind. Der Zündstrom wird daher nahezu gleichmässig über die Fläche verteilt zum Hilfsemitter 7 fliessen und einen über die Fläche des Hilfsthyristors nahezu gleichmässig verteilten Strom von der Anode her zur Folge haben. Die Stromdichte im Hilfsthyristor ist daher klein und seine Zündverzugszeit gross. Ist die Zündverzugszeit des aus den Zonen 1, 2, 3 und 4 gebildeten Hauptthyristors kleiner als die Zündverzugszeit des aus den Zonen 7, 2, 3 und 4 gebildeten Hilfsthyristors, so zündet der Hauptthyristor zuerst.
Bei geringen herstellungsoder materialbedingten Unsymmetrien des Hauptthyristors zündet dieser dann ungleichmässig, zum Beispiel punktförmig, wie ein konventioneller Thyristor. Es muss daher dafür gesorgt werden, dass die Zündverzugszeit des Hilfsthyristors kleiner ist als die des Hauptthyristors. Dazu muss die Zündstromdichte des Hilfsthyristors grösser als die des Hauptthyristors gemacht werden. Dies lässt sich, wie nachstehend erläutert, durch eine geeignete Geometrie der Zündelektrode 9 und/oder des pn-Überganges 10 erreichen.
In der Anordnung nach Fig. 3 ist die Zündelektrode 9 vier eckig geformt. Der pn-Übergang 10 hat Kreisform. Es ist ersichtlich, dass die vier Ecken der Zündelektrode 9 einen Abstand vom pn-Übergang 10 haben, der geringer ist als jeder andere Randbereich der Zündelektrode 9. Der von der Elektrode 9 ausgehende Zündstrom konzentriert sich daher bevorzugt auf die den vier Ecken der Zündelektrode 9 gegen überliegenden Bereiche 12 des pn-Überganges 10. An diesen, durch dicke schwarze Punkte markierten bevorzugten Bereichen 12 ist die Stromdichte hoch, so dass die Zündverzugszeit des Hilfsthyristors gering ist. Der während der Zündverzugszeit des Hilfsthyristors über die Hauptstrecke des Hilfsthyristors in den Bereichen 12 fliessende Strom fliesst im wesentlichen gleichmässig verteilt zum Emitter 1.
Die Stromdichte ist daher relativ klein, und zwar so klein, dass trotz des zusätzlichen von der Zündelektrode 9 eingespeisten Zündstromes der Hauptthyristor erst nach dem Hilfsthyristor zünden kann. Mit dem Zünden des Hilfsthyristors wird bei hohem Laststromansteigen der Zündstrom des Hauptthyristors drastisch erhöht. Nach dem Zünden des Hauptthyristors erlischt der Hilfsthyristor durch Stromübernahme auf den Hauptthyristor sehr schnell, so dass eine Beschädigung des Hilfsthyristors in den Bereichen 12 trotz punktförmiger Zündung vermieden wird.
In Fig. 4 sind die Zündelektrode 9 kreisförmig und der pn-Übergang 10 viereckig ausgebildet. Der pn-Übergang 10 weist wieder vier bevorzugte Bereiche 13 auf, die der Zündelektrode 9 näher liegen als jeder andere Bereich auf dem pn-Übergang. Der Hilfsthyristor wird daher zunächst in diesen Bereichen zuerst zünden. Die Zündstromdichte des Hauptthyristors bleibt auch in diesem Fall so klein, dass der Hilfsthyristor vor dem Hauptthyristor zündet.
In Fig. 5 sind die Zündelektrode 9 und der pn-Übergang 10 viereckig ausgebildet. Die bevorzugten Bereiche sind mit 14 bezeichnet. In Fig. 5 ist der pn-Übergang kreisförmig ausgebildet, während die Zündelektrode 9 mit vier Vorsprüngen 15 versehen ist. Die bevorzugten Bereiche des pn-Überganges 10, in denen zuerst die Zündung des Hilfsthyristors einsetzt, sind mit 16 bezeichnet. In der Anordnung nach Fig. 7 ist der pn-Übergang 10 mit Vorsprüngen 17 versehen, während die Zündelektrode 9 kreisförmig ausgebildet ist. Die bevorzugten Bereiche tragen hier die Bezugsziffer 17. Bei der Anordnung nach Fig. 8 weist der pn-Übergang 10 Vorsprünge 19 und die Zündelektrode 9 Vorsprünge 18 auf. Die Vorsprünge 18 und 19 liegen hier einander gegenüber.
Durch Ungenauigkeiten bei der Justierung der Zündelektrode 9 kann es vorkommen, dass diese nicht genau mittig, sondern etwas exzentrisch zum pn-Übergang 10 zu liegen kommt. Hierbei rückt aber mindestens eine der Ecken beziehungsweise Vorsprünge zum pn-Übergang 10 hin, beziehungs weise die Elektrode nähert sich immer mindestens einer der Vorsprünge des pn-Überganges 10, das heisst, auch im Fall einer ungenauen Justierung der Zündelektrode 9 bei der Herstellung des Thyristors bleibt mindestens einer der bevorzugten Bereiche erhalten. Damit ist sichergestellt, dass die Zündstromdichte des Hilfsthyristors auch in diesem Fall grösser ist als die Zündstromdichte des Hauptthyristors.
In den Fig. 3 bis 8 wurden nur Ausführungsbeispiele gezeigt, bei denen die Elektrode Vierecke oder Vorsprünge und der pn-Übergang vier Vorsprünge hatte. Es genügt jedoch, wenn die Elektrode drei Ecken oder Vorsprünge beziehungsweise der pn-Übergang drei Vorsprünge aufweist. Die Zündelektroden 9 und der pn-Übergang 10 können auch mehr Vorsprünge beziehungsweise Ecken als vier aufweisen, eine höhere Anzahl als sechs Ecken beziehungsweise Vorsprünge ist jedoch nicht sinnvoll, weil sich dann die Form der Zündelektrode 9 beziehungsweise des pn-Überganges 10 wieder zu stark der Kreisform nähert, bei der unter Umständen kein Bereich des pn-Überganges 10 mehr vor einem anderen bevorzugt ist.
Für den Fall, dass sowohl die Zündelektrode als auch der pn-Übergang mit Ecken beziehungsweise Vorsprüngen versehen sind, empfiehlt es sich, die Gesamtzahl der Ecken beziehungsweise Vorsprünge nicht grösser als 9 zu wählen.