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.
The present invention relates to a thyristor with a semiconductor body with at least three pn junctions, with a base zone on which an ignition electrode is arranged, with a main emitter and an auxiliary emitter located between the ignition electrode and the main emitter, in which the pn junction located between the ignition electrode and the auxiliary emitter occurs on the surface of the semiconductor body
Such thyristors are known. The auxiliary emitter forms an auxiliary thyristor with the remaining zones of the semiconductor body, while the main emitter belongs to the main thyristor.
The auxiliary emitter increases the ignition current fed in, so that the main emitter is ignited quickly and reliably over a relatively large area even with a low ignition current fed in. A large-area or at least linear triggering of the main thyristor is important, since when triggering small, more or less point-shaped areas, the thyristor can be destroyed at these points due to excessive specific loading.
However, this is only achieved if the auxiliary thyristor ignites before the main thyristor. However, this is not always the case, since the ignition delay time of the main thyristor can be shorter than that of the auxiliary thyristor. By definition, the ignition delay time is understood to be the time from feeding in an ignition current until the voltage across the main section of the thyristor drops to 9001o of its original value. However, if the main thyristor ignites before the auxiliary thyristor, the main thyristor not only has a load current of the auxiliary thyristor limited by the external load circuit, but only a comparatively low load current in addition to the supplied ignition current, which already flows through the main section of the auxiliary thyristor before ignition .
The main thyristor therefore only ignites in a small area that has to absorb the entire load current and is therefore destroyed by overheating. The thyristor can no longer be used.
The object on which the invention is based is to develop a thyristor of the type mentioned at the beginning in such a way that the ignition delay time of the main thyristor is always greater than that of the auxiliary thyristor. It is based on the knowledge that the ignition delay time of a thyristor decreases with increasing ignition current density.
The invention is characterized in that the pn junction and / or the ignition electrode have at least three, but at most six, but together not more than nine areas, the distance between them from the pn junction or the ignition electrode being less than the distance from all other edge areas of the ignition electrode from the pn -Transition are that these areas are small compared to the length of the pn junction or the circumference of the ignition electrode and that these areas are at least approximately uniformly distributed on the circumference of the ignition electrode or the pn junction.
The pn junction can be circular, and the ignition electrode can have the shape of an n-corner, where n is between 3 and 6. However, the ignition electrode can also have a circular shape and the pn junction can have the shape of an n-corner, where n is between 3 and 6. It is also possible to give both the ignition electrode and the pn junction the shape of an n-corner. It is useful to distribute the corners evenly over the circumference of the pn junction or the circumference of the ignition electrode. The pn junction can also be circular or an n-corner, and the ignition electrode can have n-projections, where n is between 3 and 6. Conversely, the ignition electrode can also be circular or an n-corner, and the pn junction can have n-projections, where n is between 3 and 6.
However, the ignition electrode and the pn junction can also have mutually opposite projections.
The thyristor according to the invention has the advantage that, even if the ignition electrode is incorrectly adjusted relative to the pn junction, at least one area remains which has the smallest distance between the ignition electrode and the pn junction compared to all other areas.
The invention is explained in more detail using a few exemplary embodiments in conjunction with FIGS. 1 to 8.
Show it:
1 shows the cross section through a semiconductor body of a known thyristor,
2 shows the plan view of this semiconductor body,
3 to 8 the plan view of 6 different exemplary embodiments according to the invention. Parts with the same function as in FIGS. 1 and 2 are given the same reference numerals.
FIG. 1 shows the semiconductor body of a thyristor with internal ignition amplification. It has a first emitter zone 1, a first base zone 2, a second base zone 3 and a second emitter zone 4. An emitter electrode 5 is arranged on the first emitter zone 1 and an emitter electrode 6 is arranged on the second emitter zone 4. An ignition electrode 9 is connected to the first base zone 2. A further emitter zone 7, the auxiliary emitter, is located between the ignition electrode 9 and the first emitter zone 1. The auxiliary emitter is provided with an auxiliary emitter electrode 8. Between the ignition electrode 9 and the auxiliary emitter electrode 8, the pn junction located between the auxiliary emitter 7 and the first base zone 2 occurs on the surface of the semiconductor body. This pn junction is denoted by 10.
The emitter zone 1, the auxiliary emitter zone 7, the emitter electrode 5 and the auxiliary emitter electrode 8 are designed to be annular. The ignition electrode 9 has a circular shape. This is illustrated in the plan view according to FIG. The electrodes are hatched in this and the following figures for the sake of clarity.
An ignition current fed into the ignition electrode 9 first makes its way into the auxiliary emitter 7 and there triggers an injection of charge carriers into the first base zone 2. This injection causes a current from the electrode 6 to the auxiliary emitter 7. This current then flows to the auxiliary emitter electrode 8 and via the piece of this electrode connected to the first base zone 2 to the emitter 1.
This current is amplified by the current fed into the ignition electrode 9. In the thyristor according to FIG. 2, all edge regions of the ignition electrode 9 are equally far from the pn junction 10. There are therefore no areas at the pn junction that are preferred over other areas. The ignition current will therefore flow almost uniformly over the surface to the auxiliary emitter 7 and result in a current from the anode that is almost uniformly distributed over the surface of the auxiliary thyristor. The current density in the auxiliary thyristor is therefore small and its ignition delay time is long. If the ignition delay time of the main thyristor formed from zones 1, 2, 3 and 4 is shorter than the ignition delay time of the auxiliary thyristor formed from zones 7, 2, 3 and 4, the main thyristor ignites first.
If there are minor asymmetries in the main thyristor due to manufacturing or material, it then ignites unevenly, for example in a punctiform manner, like a conventional thyristor. It must therefore be ensured that the ignition delay time of the auxiliary thyristor is shorter than that of the main thyristor. For this purpose, the ignition current density of the auxiliary thyristor must be made greater than that of the main thyristor. As explained below, this can be achieved by a suitable geometry of the ignition electrode 9 and / or the pn junction 10.
In the arrangement according to FIG. 3, the ignition electrode 9 is four-cornered. The pn junction 10 has a circular shape. It can be seen that the four corners of the ignition electrode 9 are at a distance from the pn junction 10 that is less than any other edge area of the ignition electrode 9. The ignition current emanating from the electrode 9 is therefore preferably concentrated on the four corners of the ignition electrode 9 Opposite areas 12 of the pn junction 10. In these preferred areas 12, marked by thick black dots, the current density is high, so that the ignition delay time of the auxiliary thyristor is short. The current flowing over the main section of the auxiliary thyristor in the regions 12 during the ignition delay time of the auxiliary thyristor flows to the emitter 1 in an essentially uniformly distributed manner.
The current density is therefore relatively small, namely so small that, despite the additional ignition current fed in by the ignition electrode 9, the main thyristor can only ignite after the auxiliary thyristor. With the ignition of the auxiliary thyristor, the ignition current of the main thyristor is increased drastically when the load current increases. After the main thyristor is ignited, the auxiliary thyristor extinguishes very quickly as a result of the transfer of current to the main thyristor, so that damage to the auxiliary thyristor in the areas 12 is avoided despite point-like ignition.
In Fig. 4 the ignition electrode 9 is circular and the pn junction 10 is square. The pn junction 10 again has four preferred areas 13 which are closer to the ignition electrode 9 than any other area on the pn junction. The auxiliary thyristor will therefore ignite first in these areas. In this case, too, the ignition current density of the main thyristor remains so small that the auxiliary thyristor ignites before the main thyristor.
In FIG. 5, the ignition electrode 9 and the pn junction 10 are square. The preferred ranges are indicated by 14. In FIG. 5, the pn junction is circular, while the ignition electrode 9 is provided with four projections 15. The preferred areas of the pn junction 10, in which the ignition of the auxiliary thyristor starts first, are denoted by 16. In the arrangement according to FIG. 7, the pn junction 10 is provided with projections 17, while the ignition electrode 9 is circular. The preferred areas here have the reference number 17. In the arrangement according to FIG. 8, the pn junction 10 has projections 19 and the ignition electrode 9 has projections 18. The projections 18 and 19 are opposite one another here.
As a result of inaccuracies in the adjustment of the ignition electrode 9, it can happen that this does not come to lie exactly in the middle, but somewhat eccentrically to the pn junction 10. Here, however, at least one of the corners or projections moves towards the pn junction 10, or the electrode always approaches at least one of the projections of the pn junction 10, that is, even in the case of an imprecise adjustment of the ignition electrode 9 during the manufacture of the thyristor at least one of the preferred ranges is retained. This ensures that the ignition current density of the auxiliary thyristor is also greater than the ignition current density of the main thyristor in this case.
In FIGS. 3 to 8 only exemplary embodiments were shown in which the electrode had quadrilaterals or projections and the pn junction had four projections. However, it is sufficient if the electrode has three corners or projections or the pn junction has three projections. The ignition electrodes 9 and the pn junction 10 can also have more projections or corners than four; however, a higher number than six corners or projections is not useful because the shape of the ignition electrode 9 or the pn junction 10 then again becomes too strong Approaches a circular shape, in which under certain circumstances no area of the pn junction 10 is preferred any longer to another.
In the event that both the ignition electrode and the pn junction are provided with corners or projections, it is advisable not to select the total number of corners or projections greater than 9.