CS244934B2 - Thyristor with self protection against overvoltage - Google Patents

Description

Vynález se týká tyristoru s vlastní ochranou proti přepětí.

Tyristor je polovodičová struktura se čtyřmi oblastmi s odlišným typem vodivosti umístěnými střídavě za sebou, například typu P, N, P, N. V jedné z těchto oblastí je umístěna· řídicí elektroda. V polovodičovém prvku tohoto typu teče proud po dráze mezi anodou a katodou hlavního· tyristoru a je vyvoláván signálem přiváděným na řídicí elektrodu. V blízkosti řídicí elektrody je umístěna zesilovací řídicí elektroda, která usnadňuje zapnutí hlavního tyristoru řídicím signálem v normálním stavu. Když je zesilovací řídicí elektroda zapnuta, sepne tyristor jejím zatěžovacím proudem. Zesilovací řídicí elektroda brání tedy zničení hlavního· tyristoru, když řídicí elektroda dostává řídicí signál. Když se v nepřítomnosti řídicílm signálu přiloží na tyristor přepětí, které je větší než průrazné napětí tyristoru, hlavní tyristor se často zapne před zapnutím pomocného· tyristoru. Zapínací oblast tyristoru má na rozdíl od oblasti zesilovací řídicí elektrody tvar bodu a má tedy malou plochu, která nemůže rychle expandovat. Z toho důvodu tyristor nevydrží nárazový proud, což má za následek zničení tyristoru.

K odstranění uvedené nevýhody byl navržen polovodičový prvek s přídavnou zesilovací řídicí elektrodou podle publikované japonské přihlášky č. 56-41 180. V tomto prvku se přídavná nebo druhá zesilovací řídicí elektroda spouští svodovým proudem, který se obvykle generuje na obvodu poloproudu však závisí na povrchovém stavu obvdové části substrátu, takže zapnutí druhé zesilovací řídicí elektrody je nestabilní.

Polovodičová tyristorová struktura podle amerického patentu č. 4 165 517 má v substrátu pod řídicí elektrodou delší životnost minoritních nosičů náboje než v ostatních částech tyristoru, aby se zabránilo poruše polovodiče při spínání. Oblastí v blízkosti substrátu pod řídicí elektrodou však teče vždycky velký proud, když je tyristor zapnut. V důsledku toho· generuje tato oblast více tepla než ostatní části tyristoru. Současně se vzrůstem teploty se zvyšuje lavinové průrazné napětí.

Účelem vynálezu je vytvořit tyristor s vlastní ochranou tak, aby byl chráněn před zničením při přepětí mezi anodou a katodou v nepřítomnosti řídicího signálu na řídicí elektrodě.

Předmětem vynálezu je tyristor s vlastní ochranou proti přepětí, obsahující hlavní tyristor a řídicí ústrojí k zapnutí hlavního tyristoru v závislosti na řídicím signálu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že vně mezilehlé oblasti mezi řídicím ústrojím a koncem hlavního tyristoru přivráceným k řídicímu ústrojí je uspořádána zesilovací řídicí oblast pro zapnutí hlavního tyristoru při přepětí v nepřítomnosti řídicího signálu, přičemž doba životnosti minoritních nosičů náboje v zesilovací řídicí oblasti je del ší než v oblasti pod hlavním tyristorem a pod řídicím ústrojím. Při tomto· provedení se značně zvýší spolehlivost tyristoru a nemůže dojít k jeho zničení přepětím mezi anodou a katodou, protože zesilovací řídicí oblast zapne spolehlivě i v nepřítomnosti řídicího signálu.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s příklady provedení znázorněnými na výkrese, kde značí obr. 1 půdorys prvního· provedení tyristoru podle vynálezu, obr. 2 řez vedený rovinou II—II na obr. 1, obr. 3 řez vedený rovinou III—III na obr. 1, obr. 4 půdorys druhého provedení tyristoru podle vynálezu, obr. 5 řez vedený rovinou V—V na obr. 4, obr. 6 půdorys třetího provedení vynálezu, obr. 7 řez vedený rovinou VII—VII na obr. 6, obr. 8 půdorys fototyrlstoru podle čtvrtého· provedení vynálezu, obr. 9 řez vedený rovinou IX—IX na bor. 8, obr. 10 půdorys vypínacího tyristoru podle vynálezu a obr. 11 řez vedený rovinou XI—XI na obr. 10.

První provedení vynálezu je znázorněno na o-br. 1 až 3. Na emitorové vrstvě 19 typu P je vytvořena báze 12 typu N, na ní báze 14 typu P a na ní opět emitorová vrstva 16 typu N, a to pouze v části báze 14. Na ' dolní ploše emitorové vrstvy 10 typu P je vytvořena kruhová anoda 18 a na horní straně emitorové vrstvy 16 typu N je · umístěna prstencová katoda 20. Prstencová katoda 20 je rovněž spojena s bází 14 typu P. Emitorová vrstva 10 typu P, báze 12 typu N, báze 14 typu P a emitorová vrstva 16 typu N, umístěné mezi anodou 18 a katodou 20, tvoří hlavní tyristor 21. Uvnitř katody 20 je umístěna řídicí elektroda 22. V bázi 14 typu P je vytvořena pomocná emitorová vrstva 24 typu N, která obklopuje řídicí elektrodu 22. emitorovou vrstvu 24 s bází 14 typu P. Emitorová vrstva 10 typu P, báze 12 typu N, báze 14 typu P a pomocná emitorová vrstva 24, která leží mezi anodou 18 a pomocnou elektrodou 26, tvoří společně přídavnou zesilovací řídicí oblast 28 neboli pomocný tyristor. Působením signálu přivedeného na řídicí elektrodu 22 zapne přídavná zesilovací řídicí oblast 28 dřív, než značné fungovat hlavní tyristor 21. Hlavní tyristor 21 se zapíná zatěžovacím proudem, který protéká přídavnou zesilovací řídicí oblastí · 28.

Kromě pomocné zesilovací řídicí oblasti 28 je v okrajové části emitorové vrstvy 16 typu N upravena zesilovací řídicí oblast 34 neboli pomocný tyristor, tvořená pomocnou emitorovou vrstvou 30, pomocnou elektrodou 32, bází 14 typu P, bází 12 typu N a emitorovou vrstvou 10 typu P. Doba životnosti minoritních nosičů náboje alespoň v té části 36 báze 12 typu N, která leží pod pomocnou emitorovou vrstvou 30, je delší než doba životnosti v polovodičových vrstvách ostatních částí struktury, například v hlavním tyristoru 21, v přídavné zesilovací řídicí oblasti 28 a v ostatních polovodičových bude ještě popsáno, je ke zvýšení doby ži votnosti minoritních nosičů náboje v části 36 báze 12 nezbytné při výrobě polovodičového prvku zvýšit dobu životnosti v celé zesilovací oblasti 34. Doba životnosti minoritních nosičů náboje v celé polovodičové vrstvě, která tvoří zesilovací řídicí oblast 34, může být tedy delší než v ostatních polovodičových vrstvách.

Princip funkce zesilovací řídicí oblasti 34 podle vynálezu je tento: když se na tyristor přivede přepětí, tyristor zapne v důsledku lavinového průrazu. Lavinové průrazné napětí má kladnou teplotní charakteristiku, jak je popsáno v článku „Temperature Dependence of Avalanche Multiplication on Semiconductors“ autorů -Crowell a Sze, Appl. Phys. Lett. 9, 242, 1966. Lavinové průrazné napětí se tedy snižuje současně s poklesem teploty. Když je tyristor opatřen zesilovací řídicí oblastí 34, jak ukazuje obr. 1, touto částí obvykle neteče proud a vzrůst teploty této části je menší než v ostatních vrstvách polovodiče. Protože doba životnosti minoritních nosičů náboje v této části je, jak již bylo uvedeno, delší než v ostatních částech, je lavinové průrazné napětí zesilovací řídicí oblasti 34 nízké. Když je mezi anodou 18 a katodou 20 přepětí, aniž by se na řídicí elektrodu 22 přiváděl řídicí signál, sepne nejprve zesilovací řídicí -oblast 34. Třebaže tato oblast 34 leží v hlavním tyristoru 21, zapálí stejnoměrně, protože má strukturu zesilovací řídicí elektrody. Následkem toho stejnoměrně zapne hlavní tyristor 21, který je tedy chráněn proti poškození.

Aby se prodloužila doba životnosti minoritních nosičů náboje v zesilovací řídicí oblasti 34, je vhodné vnést do ostatních částí polovodiče selektivně látku snižující dobu životnosti, například těžký kov. Alternativně lze při výrobě na ostatní části tyristoru selektivně nasměrovat záření, aby se v nich vytvořily defekty v mřížce. Podle další alternativy lze větší množství záření vést na oblast vně zesilovací řídicí oblasti 34 než na tuto zesilovací oblast 34. Podle další možnosti může být do části tyristoru mimo zesilovací řídicí oblast 34 selektivně nadifundován těžký kov, načež se tyto ostatní oblasti úplně ozáří. Tímto- způsobem se dosáhne toho, že doba životnosti minoritních nosičů náboje v ostatních částech tyristoru je kratší než v zesilovací řídicí oblasti 34. Je samozřejmé, že ke zkrácení doby životnosti minoritních nosičů v ostatních částech mimo zesilovací řídicí oblast 34 lze použít i jiných nejmenovaných způsobů.

Lavinové průrazné napětí Vbo tyristoru v dopředném i závěrném -směru lze vyjádřit touto- rovnicí:

V_bo = Vb (1 - a_Pw)^I/m kde Vb je lavinové průrazné napětí na přechodu PN, dané hustotou donorů v bázi 12 typu N, apnp je proudový zesilovací činitel tranzistorové oblasti PNP a m je konstanta související s multiplikačním faktorem. Z této rovnice je zřejmé, že když se životnost nosičů náboje v bázi 12 typu N zvyšuje, vzrůstá i apnp a tedy napětí Vbo se snižuje. Provedený pokus ukázal, že v tyristoru, kde lavinové průrazné napětí hlavního tyristoru 21 je 2 000 V při době životnosti 5 μ-s, je lavinové průrazné napětí pouze 1 700 V, když dobu a životnosti minoritních nosičů v zesilovací řídicí oblasti 34 je 20 as. Nastavením delší doby životnosti minoritních nosičů v zesilovací řídicí oblasti 34 než v ostatních částech se lavinové průrazné napětí sníží v této části oproti ostatním částem. Když -se na tyristor vloží přepětí, zapne nejprve zesilovací řídicí oblast 34.

Druhé provedení tyristoru podle vynálezu je znázorněno na obr. 4 a 5. Podle prvního provedení byla řídicí elektroda 22 umístěna uprostřed tyristoru. Když má tyristor velký průměr, je řídicí elektroda 22 obvykle umístěna na obvodu tyristoru; obě zesilovací řídicí oblasti 28, 34 jsou umístěny mimo hlavní tyristor 21. Řídicí elektroda 22 a zesilovací řídicí oblast 34 podle obr.4 jsou umístěny proti sobě po obou stranách hlavního tyristoru 21. Pomocná elektroda 26 přídavné zesilovací řídicí oblasti 28 částečně obklopuje hlavní tyristor 21. Doba životnosti minoritních nosičů alespoň v části 36 báze 12 typu N pod pomocnou emitorovou vrstvou 30 zesilovací řídicí oblasti 34 je delší než v ostatních polovodičových vrstvách. Když se tedy mezi anodu 18 a katodu 20 tyristoru přivede přepětí v nepřítomnosti řídicího signálu, zapne nejprve zesilovací řídicí oblast 34 a pak hlavní tyristor 21. To má za následek ochranu tyristoru. Konfigurace ostatních částí je stejná jako- v prvním provedení.

Obr. 6 a 7 znázorňují třetí provedení tyristoru podle vynálezu. Pomocná elektroda 26 přídavné zesilovací řídicí oblast 28 plně obklopuje hlavní tyristor 21 a zesilovací řídicí oblast 34 je umístěna vně pomocné elektrody 26. Pomocná elektroda 26 rozšiřuje zapínací část hlavního- tyristoru 21, když na řídicí elektrodu 22 přichází řídicí signál. Pomocná elektroda 26 rovněž zvětšuje zapínací část hlavního tyristoru 21 o zesilovací řídicí -oblast 34. Tato část má strukturu dvoustupňového zesilovacího hradla. Ostatní konfigurace je stejná jako ve druhém provedení.

Umístění zesilovací řídicí oblasti 34 není omezeno na popsaná a znázorněná provedení.

Stačí, aby zesilovací řídicí oblast 34 byla umístěna kdekoliv vně ' oblasti mezi -koncem 37 hlavního tyristoru 21 a řídicí elektrodou 22 (obr. 2). Je tedy nezbytné, aby zesilovací řídicí -oblast 34 ležela uvnitř hlavního tyristoru 21 nebo na jeho obvodu.

Obr. 8 až 9 znázorňují fototyristor, který zapíná v závislosti na světle 38 dopadajícím na fotocitllvou plochu 40. Tento foto tyristor tvoří čtvrté provedení podle vynálezu a rozdíl oproti obr. 1 je pouze struktura řídicího ústrojí.

Páté provedení vynálezu, znázorněné na obr. 10 a 11 ukazuje vypínací tyristor. V tomto případě je v povrchu báze 14 typu P vytvořena soustava bodových emitorových vrstev 16 typu H, které jsou obklopeny řídicí elektrodou 22. Ve vypínacím tyristoru nebývá řídicí elektrodou 22 a hlavním tyristorem 21 upravena přídavná zesilovací řídicí oblast, jako je tomu u prvního až třetího provedení. Tyristor podle obr. 10 a 11 má tedy jednu zesilovací řídicí oblast 34.

Claims (5)

1. Tyristor s vlastní ochranou proti přepětí, obsahující hlavní tyristor a řídicí ústrojí k zapnutí hlavního tyristoru v závislosti na řídicím signálu, vyznačený tím, že vně mezilehlé oblasti mezi řídicím ústrojím (22, 40) a koncem (37) hlavního tyristoru (21) přivráceným k řídicímu ústrojí (22, 40j je uspořádána zesilovací řídicí oblast (34) pro zapnutí hlavního· tyristoru (21) při přepětí v nepřítomnosti řídicího signálu, přičemž doba životnosti minoritních nosičů náboje v zesilovací řídicí oblasti (34) je delší než v oblasti pod hlavním tyristorem (21) a pod řídicím ústrojím (22, 40).

2. Tyristor podle bodu 1, vyznačený tím,

VYNALEZU že do oblasti mimo zesilovací řídicí oblast (34) je selektivně nadifundován těžký kov.

3. Tyristor podle bodu 1, vyznačený tím, že u řídicího· ústrojí (22, 40) je uspořádána přídavná zesilovací řídicí oblast (28) pro sepnutí hlavního tyristoru (21) řídicím signálem.

4. Tyristor podle bodu 1, vyznačený tím, že řídicí ústrojí je tvořeno řídicí elektrodou (22) pro· příjem elektrického· řídicího signálu.

5. Tyristor · podle bodu 1, vyznačený tím, že řídicí ústrojí je tvořeno fotocitlivou plochou (40) pro’ příjem optického· řídicího signálu (38).