CH616779A5

CH616779A5 -

Info

Publication number: CH616779A5
Application number: CH1101176A
Authority: CH
Inventors: Masahiko Akamatsu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1976-08-31
Publication date: 1980-04-15
Also published as: FR2316801A1; FR2316801B1; JPS51150285A; DE2627440C2; DE2627440A1; US4491742A; SE7606967L

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschaltereinrichtung gemäss Fig. 1 eine Steuerspannung vin und ein Steuerstrom i;n, nach dem Oberbegriff im Patentanspruch 1. welche in Fig. 2(a)(i) und (ii) gezeigt sind, anliegen. Wenn der

Herkömmliche Leistungstransistoren führen zu einem gros- so Strom iin positiv ist, so fliesst dieser Strom als Basisstrom ib0N sen Spannungsabfall im Bereich hoher Ströme. Sie haben daher über die Diode D2 zur Basiselektrode des Transistors TR. Ein eine geringe Fähigkeit Spitzenstromstösse auszuhaken. Auch Teil des Stroms gelangt über das Spannungsabfallelement rgb herkömmliche Thyristoren sind nicht sehr praktisch, da es zur Steuerelektrode des Thyristors CR. Somit werden der Tran schwierig ist, sie über die Steuerelektrode zu löschen und die sistor TR und der Thyristor CR durch den Basisstrom ib0N und erforderlichen Löscheinrichtungen sind kompliziert. Ausser- ss den Steuerelektrodenstrom ìb-*g eingeschaltet, so dass der dem ist es schwierig, herkömmliche über die Steuerelektrode Hauptstrom iM fliessen kann. Hierdurch wird die Schalterspan-löschbare Thyristoren herzustellen, welche eine grosse Strom- nung VM gesenkt. Dieser Einschaltvorgang findet während der kapazität haben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass der Zeit ti bis ts statt wie durch die Diagramme (iii) und (iv) in

Betrieb der Steuerelektrode in Sperrichtung beim Löschen des Fig. 2(a) gezeigt. Die Aufteilung des Stroms auf den Transistor Thyristors eine Stromkonzentrierung induziert und somit zu 60 und auf den Thyristor, d. h. das Verhältnis der Ströme des Tran-heissen Flecken in einem von der Steuerelektrode räumlich sistors und des Thyristors hängt ab von dem Wert des Impedanzgetrennten Bereich führt. elements rgb, sowie vom Verhältnis der Stromkapazitäten

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine (Strombelastbarkeit, Stromaufnahme) des Thyristors und des

Halbleiterschaltereinrichtung zu schaffen, welche einen Thyri- Transistors (insbesondere vom Verhältnis der Fläche der stor mit in Sperrichtung betreibbarer Steuerelektrode und 65 Steuerelektrodenschicht zur Fläche der Basisschicht) sowie einen Transistor in Kombination umfasst und bei dem der von anderen Faktoren. In der Zeitspanne von ts bis te befinden

Spannungsabfall im Bereich hoher Ströme verringert ist und sich der Transistor TR und der Thyristor CR jeweils im EIN-das Löschen des Thyristors erleichtert ist. Zustand und teilen den Hauptstrom iM. Wenn der Hauptstrom

iM klein ist und der Basisstrom des Transistors TR unzureichend ist, so fliesst der Hauptstrom zu einem grösseren Anteil durch den Transistor als durch den Thyristor/Wenn der Hauptstrom etwa den maximal zulässigen Wert erreicht, so wird der Hauptstrom auf den Transistor und den Thyristor in einem Verhältnis aufgeteilt, welches dem Verhältnis der Flächen der Halbleiterscheiben der beiden Halbleiterelemente entspricht. Wenn nun der Hauptstrom noch weiter anwächst, so wird der Basisstrom des Transistors unzureichend und das Verhältnis Ìcr/Ìtr gemäss dem der Hauptstrom auf den Thyristor und den Transistor aufgeteilt wird, wächst. Bei Ankunft eines grossen Stromstosses fliesst dieser überwiegend zum Thyristor, d. h. das Verhältnis Ìcr/Ìtr steigt noch weiter an. Im Bereich grosser Ströme steigt der Spannungsabfall zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors, so dass der Strom durch den Widerstand rgb (zwischen Steuerelektrode und Basis) und die Dioden Di und D2 zur Basis B des Transistors fliesst. Durch diese Wechselwirkung wird der Transistor vom Thyristor her mit Basisstrom versorgt, so dass das Stromführungsverhalten des Transistors TR im Bereich hoher Ströme verbessert wirde.

Im folgenden soll das Löschen dieser Schaltereinrichtung beschrieben werden. Zum Abschalten oder Löschen dieser Schaltereinrichtung wird eine negative Steuerspannung 0Vj„ von der Steuereinrichtung 100 bereitgestellt. Aufgrund dieser Spannung wird die Steuerelektrode des Thyristors über die Diode Di in Sperrichtung beaufschlagt, wodurch ein Sperrström igOFF fliesst. Der Thyristor CR ist derart aufgebaut, dass das über die Steuerelektrode anliegende Sperrpotential die gesamte Sperrelektrodenschicht oder die PB-Schicht in PENBPBNE-Thyristoren und P-Steuerelektroden-Thyristoren beeinflusst. Zu Beginn wird die Spannung zwischen der Steuerelektrode des Thyristors und der Kathode niedrig gehalten, und zwar aufgrund der inneren Impedanz der Steuereinrichtung 100 und der Freigabe von in dem Thyristor gespeicherten Ladungsträgern. Während dieser Zeitdauer fliesst ein grosser Sperrstrom ig0FF- Der Strom ig0FF beginnt in dem Masse zu sinken, in dem das Freigeben von Ladungsträgern durch den Thyristor (das Freiwerden von Ladungsträgern) fortschreitet. Demzufolge steigt die Sperrspannung ©VGK zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors. Mit weiter fortschreitendem Freiwerden des Thyristors von Ladungsträgern wird der Thyristorstrom Ìcr schliesslich abgeschaltet. Dieser Thyristorlöschvorgang findet während der Zeit ts bis ts statt.

In diesem Stadium gibt der Transistor jedoch noch nicht seine gespeicherten Ladungsträger frei, da die Beaufschlagung der Basis in Sperrichtung durch den Widerstand rgb begrenzt ist oder durch den verzögerten Anstieg der Spannung VGK verzögert ist. Somit fliesst nun die Gesamtmenge des Hauptstroms iM einschliesslich des Stroms ìcr, welcher zuvor durch den Thyristor floss, durch den Transistor TR.

Dieser Stromnebenschluss erfolgt während der Zeit t7 bis tg wie in Fig. 2(a) gezeigt. Dieser einseitige Stromnebenschluss auf den Transistor führt dazu, dass Ladungsträger vom Transistor freigegeben werden und der die Basis des Transistors in Sperrichtung beaufschlagende Strom über das Impedanzelement rgb steigt aufgrund eines Anstiegs der Sperrspannung (-) Vgk. (zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors). Diese Vorgänge fördern das Freiwerden des Transistors von in ihm gespeicherten Ladungsträgern und einen Anstieg der Spannung VM zwischen den Hauptelektroden CA und EK. Aus diesem Grunde sinkt der Hauptstrom iM und der Transistorstrom wird abgeschaltet. Dieses Ausschalten des Transistors erfolgt während der Zeit ts bis tu gemäss Fig. 2(a).

Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel einer Schaltung, bei der die Basiselektrode und die Steuerelektrode durch eine Steuereinrichtung angesteuert werden, welche zwei Anschlüsse umfasst. Bei einer alternativen Ausführungsform können diese

616 779

beiden Elektroden jedoch auch unabhängig gesteuert werden. Allerdings ist bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform die Steuereinrichtung 100 dadurch vereinfacht, dass man ein Steueranschlusspaar verwendet. Diese Steuereinrichtung ist insbesondere günstig, wenn die Elektroden durch eine isolierende Einrichtung hindurch angesteuert werden. Darüber hinaus kann eine Steuereinrichtung dieses Typs leicht zusammen mit einem Transistor TR, einem Thyristor CR und Dioden Di und D2 und einem Impedanzelement rgb usw. zu einer integrierten Schaltung zusammengefasst werden.

Fig. 2(b) zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung einer anderen Schalteinrichtung. Bei dieser erfolgt das Einschalten des Transistors durch den Steuerstrom des Thyristors. Andererseits erfolgt das Ausschalten des Thyristors dadurch, dass man die Steuerelektrode des Thyristors in Sperrichtung beaufschlagt und der Basis des Transistors einen Impulsstrom zuführt und dann die Basis des Transistors in Sperrichtung beaufschlagt. Genauer gesprochen, wird die Steuerelektrode des Thyristors CR zum Zwecke des Zündens des Thyristors mit einem impulsförmigen Steuerstrom ig0N beaufschlagt, worauf der Hauptstrom fliesst. Wenn ein Widerstandselement rgb (zwischen Steuerelektrode und Basis) vorgesehen ist, so fliesst aufgrund des Thyristorhauptstroms ein Strom iG-*B unter der Spannung VGK (zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors. Dieser Strom iG_B fliesst als Basisstrom ib des Transistors TR, wodurch der Transistor in einem gewissen Masse eingeschaltet wird. Der Einschaltvorgang des Transistors schreitet nun in dem Masse weiter voran, in dem der Widerstand rgb geringer wird und der Thyristorstrom grösser wird. Dieser Effekt führt zu einer geringen Verzögerung des Anstiegs des Stroms Ìjr des Transistors.

Zum Zwecke des Löschens wird die Steuerelektrode des Thyristors mit einem Sperrstrom igoFF beaufschlagt und die Basis des Transistors wird mit einem Durchlassstrom ib0N beaufschlagt, wobei der Hauptstrom iM über den Transistor nebengeschlossen wird. Der Thyristor CR wird gelöscht, während der Hauptstrom über den Transistor fliesst. Nach diesem Vorgang wird der Transistorbasisstrom abgeschaltet oder die Basis des Transistors wird in Sperrichtung beaufschlagt, so dass der Transistor abgeschaltet wird.

Gemäss Fig. 1 kann zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors TR ein kapazitives Impedanzelement ZCb geschaltet sein. Durch eine solche Anordnung wird der Effekt der Verlängerung der Spannungsanstiegszeit während des Löschvorgangs verbessert. Diese Verbesserung ermöglicht es, dass der zuvor beschriebene Ausschaltvorgang richtig ablaufen kann, selbst wenn der impulsförmige Basiseinschaltstrom ibON unzureichend ist oder wenn der Strom iboN von aussen her nicht fliesst. -

Die erfindungsgemässe Einrichtung ist auch anderen Schaltsteuerverfahren, welche von dem oben beschriebenen Verfahren abweichen, zugänglich. Diese Steuerverfahren können folgendermassen charakterisiert werden. Der Transistor und der Thyristor werden parallel zueinander geschaltet, wobei die Fähigkeit des Thyristors einen Teil des Stroms zu übernehmen im Bereich hoher Ströme verstärkt wird und somit der Gesamtspannungsabfall verringert wird. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass der Spannungsabfall in Durchlassrichtung im Bereich grosser Ströme kleiner wird im Vergleich zu dem Fall bei dem dieser Spannungsabfall in Durchlassrichtung nur vom Transistor abhängt, und zwar selbst unter dem Gesichtspunkt der mittleren Gesamtstromdichte, d. h. des Quotienten aus dem Gesamtstrom und der Gesamtfläche der Halbleiterscheiben. Auf diese Weise wird die Fähigkeit einem Spit-zenstrossstrom zu widerstehen, verbessert.

Darüber hinaus ergeben sich erhebliche Vorteile in Bezug auf den Löschvorgang. Die Steuerelektrode des Thyristors wird in Sperrichtung beaufschlagt ehe der Transistor vollstän3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

616779

dig ausgeschaltet ist, so dass der Thyristorstrom schon zuvor verringert wird. Demzufolge wird der Anstieg der beim Löschen wieder angelegten Spannung (von der Seite des Thyristors her gesehen) unterdrückt (oder verzögert), so dass das Löschen des Thyristors erleichtert wird. Dies bedeutet mit 5 anderen Worten, dass durch Nebenschluss des Hauptstroms auf den Transistor die Ausschaltleistung des Thyristors verringert wird und der Ausschaltstrom der Steuerelektrode erhöht wird.

Darüber hinaus wird die Halbleiterscheibe effektiv genutzt,10 da im Steadystate-Betrieb der Strom auf den Thyristor und den Transistor aufgeteilt wird.

Es ist erwünscht, dass das Verhältnis des Nennstroms ICr des Thyristors CR zum Nennstrom ITr des Transistors TR in Bezug auf eine fortdauernde Gleichstromleitung im Bereich i s von 1:0,3 bis 10 liegt. Wenn das Verhältnis Itr/Icr = 0,3 gilt, so wird der Thyristor im wesentlichen derart betrieben, dass dieser Betrieb ausreicht, um den Nennstrom ICr = 1 auszuschalten. Wenn die Beziehung Itr/Icr S 10 gilt, so wird im wesentlichen der Transistor derart betrieben, dass die Spitzenstossstromka- 20 pazität erheblich erhöht werden kann im Vergleich zu alleinigen Verwendung eines Transistors. Bei dem genannten Nennstromverhältnis handelt es sich im wesentlichen um das Verhältnis der Flächen der beiden Halbleiterscheiben der integrierten Halbleiterstruktur. 25

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines zusammengesetzten Halbleiterelementes gemäss vorliegender Erfindung.

Fig. 3(b) zeigt die zweite Fläche (Rückseite) der Scheibe von der Seite des Emitters und der Kathode her gesehen. NE bezeichnet die dritte und die siebte Halbleiterschicht (Halb- 30 leiterschichten mit gemeinsamem Anschluss) eines ersten Leitungstyps. Dabei handelt es sich um die freiliegenden Flächen der Emitterschicht bzw. der Kathodenschicht. Ein Emitterkontakt (dritter Kontakt) 5 und ein Kathodenkontakt (sechster Kontakt) 7 dienen als gemeinsame Elektrode und sind mit 35 einem zweiten Hauptstromanschluss EK verbunden. Das Bezugszeichen PB bezeichnet die zweite und sechste Halbleiterschicht (Halbleiterschichten mit gemeinsamem Anschluss) eines zweiten Leitungstyps. Dabei handelt es sich um die freiliegenden Flächen der Basisschicht und der Steuer- 40 elektrodenschicht. Ein Basiskontakt (zweiter Kontakt) 4 und ein Steuerelektrodenkontakt (fünfter Kontakt) 6 dienen als gemeinsame Elektrode und sind mit einem gemeinsamen Steueranschluss GB verbunden. Fig. 3(a) zeigt einen Schnitt entlang der Linie X-X der Fig. 3(b). Gemäss Fig. 3(a) umfasst 45 der Transistorteil eine erste Halbleiterschicht (Kollektorschicht) Nc von einem ersten Leitungstyp, dessen freiliegende Fläche in der ersten Region der ersten Fläche liegt und im Ohm'schem Kontakt mit einem Kollektorkontakt (erster Kontakt) 3 steht, welcher mit dem ersten Hauptstromanschluss CA m verbunden ist. Ferner umfasst der Transistorteil eine zweite Halbleiterschicht (Basisschicht) PBß von einem zweiten Leitungstyp, dessen freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt. Ferner umfasst der Transistorteil eine dritte Halbleiterschicht (Emitterschicht) NEE (die erste Region von NE) eines 55 ersten Leitungstyps, deren freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt. Der Thyristorteil umfasst eine vierte Halbleiterschicht (Anodenschicht) PE von einem zweiten Leitungstyp,

deren freiliegende Fläche in der zweiten Region der ersten Fläche liegt und in Kontakt steht mit einem Anodenkontakt 3 60 (vierter Kontakt, welcher mit dem dritten Kontakt 3 verbunden ist), der mit dem ersten Hauptstromanschluss CA verbunden ist. Ferner umfasst der Thyristorteil eine fünfte Halbleiterschicht NB (Fortsetzung der Kollektorschicht Nc) eines ersten Leitungstyps sowie eine sechste Halbleiterschicht (Steuer- 65 schicht) PBG eines zweiten Leitungstyps, deren freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt. Ferner umfasst der Thyristorteil eine siebte Halbleiterschicht (Kathodenschicht) NEK

eines ersten Leitungstyps, dessen freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt.

Eine solche Halbleitereinrichtung kann in herkömmlicher Weise hergestellt werden, z. B. durch Legierung, Diffusion und epitaktische Aufwachsmethoden.

Fig. 3(c) zeigt ein Äquivalentschaltbild der vorbeschriebenen Halbleitereinrichtung mit Steuerelektroden- und Basiskontakten 4 und 6 in Form eines Dünnfilmwiderstandes (Spreizwiderstand). Wenn die Kontakte 4 und 6 aus einem dicken Film bestehen, so werden diese zwei Kontakte getrennt, wie das Kontaktmuster der Fig. 3(d) zeigt, so dass der Steuerstrom in die Pß-Schicht eintreten kann. Zu diesem Zweck sind Streifenwiderstände mit einer Dicke von 10 bis 30 |i über den Trennbereichen Y der PB-Schicht vorgesehen. Mit dieser Anordnung wird ein Widerstand rgb eines gewünschten Wertes zwischen der Steuerregion PBg und der Basisregion PBB vorgesehen.

Zu Beginn des Einschaltvorgangs erfolgt die Einschaltung von der Steuerelektrodenseite des Thyristors her und der Basisstrom, welcher zum Transistor fliesst, kommt zu einem Teil von dem Thyristor-Anoden-Strom, welcher über die Steuerelektroden nebengeschlossen wird und zu einem Teil von dem Steuerstrom. Der Löschvorgang erfolgt in gleicher Weise wie in den Fig. 1 und 2(a).

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer verbesserten Ausführungsform der erfindungsgemässen Halbleiterschaltereinrichtung, wobei ein Trennbereich Y zwischen der vierten Schicht und der dritten Schicht des Thyristors vorgesehen ist. Ziel dieser Anordnung ist es, zu verhindern, dass Ladungsträger in die Basisschicht NB auf der Seite der Thyristoranode injiziert und diffundiert werden, so dass auf diese Weise die Abschaltcharakteristik (Stromausschaltcharakteristik) der Thyristorregion verbessert wird. Somit dient mit anderen Worten die Trennregion Y zur Begrenzung eines Phänomens, durch das der Kollektorstrom, welcher durch den Widerstand rNBC fliesst (der der Ausbreitung der Ladungsträger entgegenwirkt), sowie der Kollektorstrom, welcher durch die Schichten PE-NB-PBB fliesst, durch «Faltung» (durch einen gewundenen Strom) nebengeschlossen wird. Ferner verhindert dies eine Ladungsträgerdiffusion in die NB-Schicht (was einer Ladungsträgerrekombination in der Region rNBC zugeschrieben wird).

Ein offener Emitter (oder ein partiell kurzgeschlossener Emitter) N0 kann in der Region zwischen der Thyristorkathodenschicht und der Transistoremitterschicht vorgesehen sein. Dies erlaubt den Widerstand rgb zwischen der Steuerschicht PBG und der Basisschicht PBB auf den gewünschten Wert einzustellen.

Die Wirkung der Trennung zwischen dem Thyristorteil und dem Transistorteil kann verbessert werden, indem man den Widerstand rgb so hoch wie möglich wählt. Wenn man diesen Aufbau zum Zwecke einer Erhöhung des Ausschaltgrenzstroms anwendet, so können der Thyristor und der Transistor gemäss Fig. 2(b) unabhängig gesteuert werden. Wenn andererseits die obige Anordnung zum Zwecke einer Herabsetzung oder Eliminierung der Basisstromzufuhr zum Transistor verwendet wird (ein solcher Basisstrom wird ständig zugeführt, um den Transistor leitend zu halten), so ist es erforderlich, in die Schaltung zwischen dem Thyristorsteueranschluss und der Transistorbasis einen externen Widerstand mit geringem Widerstandswert, eine Diode oder ein anderes geeignetes Eie- • ment einzusetzen. Auf diese Weise kann die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Schaltereinrichtung modifiziert werden. Der Kathodenanschluss K und der Emitteranschluss E können getrennt vorgesehen sein. Eine solche Anordnung erlaubt den Anschluss einer erforderlichen Schaltung zwischen den beiden Anschlüssen, so dass die Gesamtschaltungscharakteristikin geeigneter Weise modifiziert werden kann. Man kann z. B. eine Hilfsimpulsspannung anlegen, derart, dass beim Löschen die

Seite K ein positives Potential annimmt und die Seite E ein negatives Potential annimmt. Hierdurch kann die Löschcharakteristik verbessert werden. Diese Hilfsimpulsspannung kann von einem Impulstransformator zwischen dem Kathodenan-schluss K und dem Emitteranschluss E verwirklicht werden 5 oder durch ein Induktivitätselement mit gegenseitiger induktiver Kopplung oder dergleichen zwischen dem Kathodenan-schluss K und dem Emitteranschluss E. Dies kann geschehen, ohne dass hierdurch die normale Stromleitung beeinträchtigt wird. 10

Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung ein Halbleiterelement einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Fig. 5(b) zeigt die Rückseite der Halbleitereinrichtung mit einem Muster von freiliegenden Flächen der PB-Schicht(Pbg. Pbb) und der NE-Schicht (Nek. Nee), wobei die Kontakte nicht gezeigt sind. 15 Fig. 5(a) zeigt einen Querschnitt entlang der Linie Xi-Xi der Thyristorregion und Fig. 5(c) zeigt einen Querschnitt entlang der Linie X2-X2 der Transistorregion und Fig. 5(d) zeigt einen Schnitt entlang der Linie X3-X3 über die Thyristorregion und die Transistorregion. Ein Emitterkontakt 5 und ein Kathoden- 20 kontakt 7 sind einstückig ausgebildet und mit dem zweiten Hauptstromanschluss EK verbunden. Ein Basiskontakt 4 ist über eine Zenerdiode ZD2 mit dem Steueranschluss GB verbunden. Ein Steuerkontakt 6 ist über eine Diode Di mit dem Steueranschluss GB verbunden. Die Dioden Di und ZD2 kön- 25 nen installiert werden, indem man eine Diodenhalbleiterpastille mit der Kontaktfläche verlötet oder verbindet. Die Diode ZD2 wird (wie in Fig. 1) zu Beginn des Löschvorgangs nicht eingeschaltet, wobei der Sperrstrom zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors gering ist (aufgrund einer 30 Ladungsträgerfreigabe vom Thyristor). Wenn die Sperrspannung zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors gegen Ende der Ladungsträgerfreigabe vom Thyristor ansteigt, so wird die Zenerdiode ZD2 eingeschaltet, so dass die Basis-Emitter-Strecke des Transistors in Sperrichtung beauf- 35 schlagt wird. Auf diese Weise geht einer Beaufschlagung des Transistors in Sperrichtung mit Sicherheit die Abschaltung des Thyristors voran, so dass eine optimale Aufeinanderfolge der Abschaltvorgänge oder Löschvorgänge gewährleistet wird.

Fig. 6 zeigt schematisch eine verbesserte erfindungsge- 40 mässe Halbleiterschaltervorrichtung, bei der ein Schaltungsnetzwerk 200 zwischen der Steuerelektrode des Thyristors und der Basis des Transistors liegt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Schaltungselemente der Art der Fig. 1 (Di, D2 und rgb) oder der Fig. 3 und 4 (rgb) oder der Fig. 5 (Di und ZD2) 45 oder um die Ausführungsformen (i), (ii) oder (iii) der Fig. 6(c)

oder dergleichen. Diese Schaltungselemente dienen dazu, den Einschalt- und Ausschaltsteuerstrom und die Einschalt- und Ausschaltsteuerspannung in geeigneter Weise auf die Steuerelektrode und die Basis aufzuteilen. Für diese Steuerung genügt50 ein Paar von Steueranschlüssen.

In Fig. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 300 eine externe Einrichtung zur Unterdrückung der wieder angelegten Spannung, welche z. B. eine Diode 9, einen Widerstand 10 und einen Kondensator 8 umfasst. Hierdurch wird die Ausschaltleistung 55 des Transistors TR gesenkt. Fig. 6(b) zeigt, das Ausschalt-Rück-stromstoss-Diagramm, wobei der Strom ìtr gegen die Spannung VM aufgetragen ist. Diese Figur veranschaulicht den Übergang vom normalen EIN-Zustand (ON) bis zum vollen AUS-Zustand (OFF) über den Thyristorgrenzpunkt (GR OFF). 60 Die Spannung Vi im Grenzpunkt des Transistors (im Abschaltpunkt des Transistors) beim Transistorstrom iTR (gleich dem Gesamtstrom iM beim Abschalten) wird kleiner gemacht als die endgültige AUS-Spannung V2 (OFF). Hierdurch ist es möglich, einen Strom (oder eine Spannung) auszuschalten, welcher so 65 gross ist, dass er nicht durch den Transistor alleine ausgeschaltet werden könnte. Somit kann ein Strom (oder eine Spannung) ausgeschaltet werden, welcher den Grenzpunkt (den Sperr-

616 779

grenzpunkt) eines Thyristors, welcher durch Beaufschlagung der Steuerelektrode in Sperrichtung eingeschaltet wird, bei weitem übersteigt.

Fig. 7 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Schaltsteuermethode und den zugehörigen Aufbau der erfindungsgemässen Halbleitereinrichtung. Fig. 7(a) zeigt ein Steuerschaltbild bei Einschaltbetrieb, wobei die Steuerströme der Steuerelektrode und der Basis von einer Spannung V0n zugeführt werden, und zwar über einen Schalter Son und über eine Diode D3 und einen Widerstand rg bzw. über eine Diode D4 und einen Widerstand rb. Wenn der Thyristor im wesentlichen in Betrieb ist, wobei der Thyristor am Hauptstrom teilhat, so liegt eine Spannung Von. über einen Schalter S0n. an der Thyristor-Steuerelektrode an, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. In diesem Falle wird dem Thyristorteil ein Einschaltsteuerstrom zugeführt und zwar aufgrund der Basis-Emitter-Kippcharakteristik (Zenerdiodencharakteristik) des Transistors.

Beim Ausschaltbetrieb liegt eine Spannung V0ff zwischen Steuerelektrode und Basis, so dass die Transistorbasis in Durchlassrichtung oder Vorwärtsrichtung beaufschlagt wird und die Steuerelektrode des Thyristors in Sperrichtung beaufschlagt wird.

Diese Halbleitereinrichtung umfasst eine PB-Schicht zur Bewirkung einer Trennung zwischen dem Thyristorteil und dem Transistorteil und eine PBS-Schicht, welche mit den Emitterkontakten 5 und 7 verbunden ist. Fig. 7(b) zeigt eine Ansicht der Rückseite mit einem Muster der freiliegenden Flächen der Halbleiterschicht und Fig. 7(c) zeigt ein Muster von Kontakten 4 bis 7 entsprechend dem in Fig. 7(b) gezeigten Muster. Die freiliegende Fläche PBS der Trennregion PB gemäss Fig. 7(b) steht dabei in Ohm'schem Kontakt mit den Emitter-Kathoden-Kontakten 5 und 7 gemäss Fig. 7(c).

Beim Ausschaltbetrieb oder Löschbetrieb arbeitet die Einrichtung gemäss Fig. 7(d) wobei der Steuerstrom entlang einer Schleife fliesst, welche durch Pfeile markiert ist: G-V0ff-B-Pbb-Nee-(5,7) -Nek.-Pbg-G wie durch die gestrichelte Linie dargestellt wird. Bei diesem Betrieb fliesst der Steuerstrom durch die Kontakte 5 und 7, da die Dicken der Pb-(PBB, Pbg> PBS)-Schicht und der Ne-(Nee. NEK)-Schicht beträchtlich geringer sind als die Breiten der Streifenmuster gemäss Fig. 7(b) und Fig. 7(c). Zum Beispiel ist gemäss Fig. 7(d) der seitliche Ausbreitungswiderstand wesentlich höher als der Longitudinalwider-stand.

Diese Schaltereinrichtung wird zum Zwecke des Löschens in der in Fig. 2(b) gezeigten Weise betrieben. Der Thyristorteil erhält eine Beaufschlagung der Steuerelektrode und der Transistorteil wird vollständig leitend gemacht und zwar durch den Strom, welcher auf Ladungsträger zurückgeführt wird, die von dem Thyristor zufolge der Steuerelektrodenbeaufschlagung freigegeben werden. Der Hauptstrom iM kann sodann auf den Transistorteil verlagert werden, wie dies in Fig. 7(d) durch die ausgezogene Linie dargestellt ist. Mit fortschreitender Ladungsträgerfreigabe vom Thyristor und mit fortschreitendem Löschen des Thyristors sinkt der Transistor-Basisstrom und das Potential des Transistorteils steigt. Dann wird schliesslich der Hauptstrom abgeschaltet. Sodann wird der Schalter Soff geschlossen, wodurch der Steuerstrom abgeschaltet wird. Hierdurch wird der Löschvorgang beendet.

Somit geschieht durch Zufuhr eines Abschaltsteuerstroms zwischen die Steuerelektrode und die Basis die Löschung oder Abschaltung des Thyristors und die Zufuhr des Impulsbasisstroms zur Umleitung des Hauptstroms auf den Transistor gleichzeitig und in Form eines automatischen Vorgangs.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wurde die Kombination eines Thyristors mit einer Steuerschicht vom P-Typ und eines Transistors vom NPN-Typ beschrieben. Alternativ kann man auch einen Thyristor mit

616779

6

einer Steuerschicht vom N-Typ und einen Transistor vom PNP-Typ kombinieren. Ferner kann man einen Thyristor mit einer Steuerschicht vom N-Typ und einen Transistor vom NPN-Typ kombinieren oder einen Thyristor mit einer Steuerschicht vom P-Typ und einen Transistor vom PNP-Typ kombi- 5 nieren. Jede dieser Kombinationen kann in einer gemeinsamen Halbleiterscheibe ausgebildet sein. Zum Beispiel kann ein Thyristor mit einer Steuerschicht vom N-Typ und ein Transistor vom PNP-Typ in Kombination ausgeführt sein, und zwar auf den einzelnen Halbleiterschichten, deren Leitfähigkeitstyp sich io von Schicht zu Schicht umkehrt. Ein Thyristor mit einer Steuerschicht vom N-Typ und ein Transistor vom NPN-Typ können derart in Kombination ausgeführt sein, dass die Nß-Schicht auf der Anodenseite parallel zur PE-Schicht freiliegt und eine N-Steuerelektrode installiert ist. Ein Thyristor mit einer Steuer- 15 Schicht vom P-Typ und ein Transistor vom PNP-Typ können in Kombination derart ausgeführt sein, dass eine PEE-Schicht (in gleicher Höhe wie die Thyristor PE-Schicht) anstelle der NEE-Schicht auf der Nc-Seite vorgesehen wird und dass die Nc-Schicht als Basisschicht freiliegt, auf der ein Basiskontakt vor- 20 gesehen ist. Ferner kann man eine P-Steuerschicht und eine " N-Steuerschicht parallel anwenden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 4 kann der Thyristorteil modifiziert sein. Einmal kann ein kleiner Verteilungsbereich (ein Kurzschlussemitter [short emitter] auf der Anodenseite) 25 der Nß-Schicht vorgesehen sein, welche sich durch die PE-Schicht erstreckt und mit dem Anoderikontakt kurzgeschlossen ist. Zum anderen kann ein kleiner Verteilungsbereich (ein Kurzschlussemitter auf der Kathodenseite) der PßG-Schicht vorgesehen sein, welche sich durch die NEK-Schicht erstreckt 30 und zum Kathodenkontakt kurzgeschlossen ist. Durch eine derartige Anordnung kann die Löschcharakteristik und die Span-nungsblockièrungscharakteristik verbessert werden.

Wie Fig. 4 zeigt, kann die Nc-Schicht und die Nß-Schicht in eine Schicht mit hohem spezifischem Widerstand und eine 35 Schicht mit niedrigem spezifischem Widerstand n+ unterteilt sein.

Fig. 8 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche für eine Halbleiterschaltervorrichtung für hohe Leistungen in Form eines flachen 40 Pakets geeignet ist. Fig. 8(b) zeigt eine Draufsicht des Musters der zweiten Fläche (Boden), wobei die Grenze zwischen den Kontakten in einem vergrösserten Kreisausschnitt gezeigt ist. Die Kathodenkontaktfläche Kund die Emitterkontaktfläche E sind durch einen gemeinsamen Kontakt miteinander verknüpft 45 und stehen in Berührung mit den NEK-Schichten und den NEE-Schichten der Rückseite. Die Steuerkontaktfläche G und die Basiskontaktfläche B sind getrennt und stehen mit der PBG-Schicht bzw. der PBB-Schicht unterhalb deren freiliegenden Flächen in Berührung. Eine PE-Schicht ist auf der ersten Fläche 50 (Oberseite) links von einer ersten Grenzlinie (gestrichelte Linie Y1-Y1) zwischen (fem Thyristorteil und dem Transistorteil angeordnet. Eine freiliegende Fläche der Trennregion der PB-Schicht besteht zwischen der zweiten Grenzlinie (Y2-Y2) und der ersten Grenzlinie (Y1-Y1) und steht in Ohm'schem Kontakt 55 mit den Kathoden-Emitter-Kontakten 5 und 7, wodurch eine

Trennregion mit einem kurzgeschlossenen Emitter gebildet wird. Bei der freiliegenden Fläche der PBS-Schicht handelt es sich um die freiliegende PB-Schicht, welche in die PBG-Schicht des Steuerkontakts G übergeht. Die freiliegende Fläche der PBB-Schicht mit dem Basiskontakt B geht über in die freiliegende Fläche der PB-Schicht, und zwar nur in dem kleinen Kreisbereich im Mittelteil. Somit besteht eine freiliegende Fläche der NEE-Schicht im Bereich des Emitterkontakts 5 rechts von der zweiten Grenzlinie (Y2-Y2). Die Halbleiterschichten, welche durch diese Kontaktflächen bedeckt sind, sind in Klammern () angegeben.

Bei der soeben beschriebenen Bauweise kann der Basisan-schluss und der Steueranschluss durch Punktkontakt oder durch Löten ausgeführt sein. Der Emitter und die Kathode können mittels eines Zwischenabstandsleiterelementes des gleichen Musters herausgeführt sein oder mittels eines Punktkontakts.

Erfindungsgemäss werden wie oben beschrieben ein Transistor und ein Thyristor mit in Sperrichtung beaufschlagbarer Steuerelektrode in Parallelkombination verwendet, wodurch der Löschvorgang durch Beaufschlagung der Steuerelektrode in Sperrichtung erleichtert wird. Somit eignet sich diese Schaltereinrichtung als Leistungsschaltereinrichtung, welche durch eine Steuerelektrode gelöscht oder ausgeschaltet werden kann. Somit können Schalterelemente für grosse Ströme leicht verwirklicht werden. Bei dieser Halbleiterschaltereinrichtung kann der Spannungsabfall im Bereich grosser Ströme leicht reduziert werden und zwar im Gegensatz zu Halbleiterschalterelementen, welche einzig von einem Transistor mit Selbstabschaltvermögen gebildet sind. Somit kann mit anderen Worten durch die erfindungsgemässe Einrichtung der Spitzen-stossstrom erhöht werden. Ferner können mit der erfindungsgemässen Einrichtung Schalterelemente für grosse Stromstärken leichter verwirklicht werden als mit einer Schaltereinrichtung, welche einzige aus einem über die Steuerelektrode löschbaren Thyristor besteht.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung wird darin gesehen, dass die Steuerelektrode des Thyristors in Sperrichtung betrieben werden kann, wodurch der Hauptstrom auf den Transistor umgeleitet wird. Dies hat zur Folge, dass die Spannung oder der Strom für das Löschen des Thyristors über die Steuerelektrode herabgesetzt werden kann.

Ferner kann der Thyristor und der Transistor in Kombination in der gleichen Halbleiterscheibe ausgebildet sein und zwar für die verschiedensten Schaltanwendungen. Somit können diese beiden Halbleiterelemente in Kombination im selben Paket untergebracht sein, wodurch die zugehörige Schaltung wesentlich vereinfacht werden kann.

Ferner kann man eine Verbindungseinrichtung 200 zwischen der Basis des Transistors und der Steuerelektrode des Thyristors installieren, wodurch die Schaltsteuerbarkeit verbessert werden kann. Ferner kann man eine Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode des Thyristors und der Basis des Transistors anlegen, wodurch die Effizienz der Umleitung des Stroms vom Thyristor auf den Transistor verbessert werden kann.

G

3 Blatt Zeichnungen

Claims

616779 2

PATENTANSPRÜCHE Die Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Halbleiter-

1. Halbleiterschaltereinrichtung mit einem zu einem Transi- schaltereinrichtung mit einem zu einem Transistor in gleicher stor in gleicher Richtung parallelgeschalteten und eine Steuer- Richtung parallelgeschalteten und eine Steuerelektrode auf-elektrode aufweisenden Thyristor, gekennzeichnet durch eine weisenden Thyristor gelöst, welche gekennzeichnet ist durch Steuereinrichtung (100), mit der zur Ausschaltung der Halb- 5 eine Steuereinrichtung, mit der zur Ausschaltung der Halbleiterschaltereinrichtung die Steuerelektrode (G) des Thyri- leiterschaltereinrichtung die Steuerelektrode des Thyristors stors unter Löschung desselben in Sperrichtung und die Basis unter Löschung desselben in Sperrichtung und die Basis des des Transistors (TR) in Durchlassrichtung beaufschlagbar sind, Transistors in Durchlassrichtung beaufschlagbar sind, so dass so dass der Strom auf den Transistor (TR) umgeleitet wird. der Strom auf den Transistor umgeleitet wird.
2. Halbleiterschaltereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch 10 Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen gekennzeichnet, dass der Transistor (TR) eine Halbleiter- an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

scheibe mit drei Schichten umfasst und dass der Thyristor (CR) Fig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung; eine Halbleiterscheibe mit vier Schichten umfasst. Fig. 2a und 2b Wellenformdiagramme zur Veranschauli-
3. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche chung der bei der Schaltung gemäss Fig. 1 ablaufenden Steuer-1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (200), welche 15 Vorgänge;

die Basis (B) des Transistors (TR) mit der Steuerelektrode (G) Fig. 3 bis 5 schematische Prinzipdiagramme zur Veran-

des Thyristors (CR) verbindet. schaulichung des Aufbaus der erfindungsgemässen Halbleiter-
4. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche Schaltereinrichtungen;

1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung, mit der wäh- Fig. 6a bis 6c ein Schaltbild und zugehörige graphische Dar rend des Löschvorgangs zwischen der Basis (B) des Transistors 20 Stellungen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsge-und der Steuerelektrode (G) des Thyristors eine Löschsteuer- mässen Halbleiterschaltereinrichtung;

Spannung (V0ff) angelegt wird, welche in Bezug auf die Steuer- Fig. 7a bis 7d schematische Darstellungen der Bauweise der elektrode (G) in Sperrichtung und in Bezug auf die Basis (B) in erfindungsgemässen verbesserten Halbleiterschaltereinrich-Durchlassrichtung wirkt. tungen und
5. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche 25 Fig. 8a und 8b schematische Darstellungen einer weiteren 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen kapazititven Widerstand Ausführungsform der Erfindung.

(Zcb) zwischen dem Kollektor (C) und der Basis (B) des Transi- In den Fig. 1 bis 8 sind gleiche oder sich entsprechende stors (TR). Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
6. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche Fig. 1 zeigt einen Thyristor CR, dessen Steuerelektrode in

1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (8-10) zur 30 Sperrichtung betreibbar ist sowie einen Transistor TR und eine Unterdrückung von Ausschaltspannungsspitzen zwischen dem zu steuernde Lastschaltung 1,2, welche z. B. eine Stromquelle Kollektor (C) und dem Emitter (E) des Transistors (TR). und eine Last umfasst. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet eine
7. Halbleiterschaltereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Steuerelektrode G des gekennzeichnet, dass die Einrichtung (8-10) zur Unterdrük- Thyristors CR oder der Basiselektrode B des Transistors TR. kung der Ausschaltspannungsspitzen eine Diode (9) und einen 35 Das Bezugszeichen rgb bezeichnet ein Spannungsabfallele-hierzu parallel geschalteten Widerstand (10) umfasst sowie ment, welches ein lineares oder nichtlineares Impedanzelement einen zu dieser Parallelschaltung in Reihe geschalteten Kon- sein kann, z. B. ein Widerstandselement oder ein Induktivitäts-densator (8). element, das zwischen der Steuerelektrode G und der Basiselek-
8. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche trode B liegt. Dieses Spannungsabfallelement rgb kann Teil

1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anlegen 40 einer Halbleitereinrichtung sein, wie dies weiter unten näher eines Impulsstroms zwischen Basis (B) und Emitter (E) des erläutert werden wird. Die Bezugszeichen Di und D2 bezeich-

Transistors (TR) während des Löschvorgangs. nen Dioden, welche zusammen mit dem Spannungsabfallele ment rgb eine Anschlusseinrichtung 200 bilden. Die Anode A und die Kathode K des Thyristors CR sind mit dem Kollektor 45 bzw. dem Emitter des Transistors TR verbunden und der Tran-sistor und der Thyristor sind somit parallelgeschaltet.

Es soll nun angenommen werden, dass bei der Schaltung