DE102008051403B4 - Thyristoranordnung mit einem Zündstufenthyristor, bei der die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzt ist und Verfahren zum Betrieb der Thyristoranordnung - Google Patents

Thyristoranordnung mit einem Zündstufenthyristor, bei der die Stromanstiegsgeschwindigkeit begrenzt ist und Verfahren zum Betrieb der Thyristoranordnung Download PDF

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Abstract

Thyristoranordnung mit
– einem Halbleiterkörper (1), in dem in einer vertikalen Richtung (v) zwischen einer Rückseite (14) und einer Vorderseite (13) ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) aufeinander folgend angeordnet sind;
– einem Zündbereich (ZB);
– einer ersten Zündstufe (AG1), die einen n-dotierten ersten Zündstufenemitter (51) aufweist, und die in einer zur vertikalen Richtung (v) senkrechten lateralen Richtung (r) zwischen dem Zündbereich (ZB) und dem Hauptemitter (5) angeordnet ist;
– einer zweiten Zündstufe (AG2), die einen n-dotierten zweiten Zündstufenemitter (52) aufweist, und die in der lateralen Richtung (r) auf der dem Zündbereich (ZB) abgewandten Seite der ersten Zündstufe (AG1) zwischen der ersten Zündstufe (AG1) und dem Hauptemitter (5) angeordnet ist;
– einem ersten Abschnitt (101) des Halbleiterkörpers (1);
– einem zweiten Abschnitt (102) des Halbleiterkörpers (1);
– einem ersten elektrischen Kopplungselement...

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit Zündstufenstruktur. Beim Einschalten von Thyristoren, d. h. beim Übergang vom sperrenden in den leitenden Zustand, kann es bei einer starken zeitlichen Änderung des Thyristorstroms zu Ausfällen an der ersten Zündstufe kommen. Dies wird vermieden, wenn die zweite Zündstufe den Strom übernimmt und die erste Zündstufe dadurch entlastet wird.
  • Diese Gefahr ist dann besonders hoch, wenn der Thyristor bei einer hohen zwischen der Anode und der Kathode anliegenden Spannung gezündet wird, da es dann im Bereich der ersten Zündstufe zu einer erhöhten Stromdichte und damit einhergehend lokal zu einer starken Aufheizung und gegebenenfalls sogar zu einer Aufschmelzung des Halbleiters im Bereich der ersten Zündstufe kommen kann.
  • Aus der DE 10 2008 039 742 A1 ist ein Zündstufenthyristor bekannt, der einen Halbleiterkörper aufweist, einen Zündbereich, mehrere Zündstufen, sowie eine nicht-ohmsche Rückkopplungsimpedanz, die außerhalb des Halbleiterkörpers angeordnet ist und mittels der ein Emitter einer ersten Zündstufe mit einer zweiten Zündstufe elektrisch gekoppelt ist, die auf der dem Zündbereich abgewandten Seite der ersten Zündstufe angeordnet ist.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Zündstufenthyristor und ein Verfahren zum Betrieb eines Zündstufenthyristors bereitzustellen, bei denen die erste Zündstufe besonders wirksam bei Zündung der zweiten Zündstufe entlastet und dadurch vor einer Zerstörung geschützt wird.
  • Diese Aufgaben werden durch einen Thyristor gemäß Patentanspruch 1 bzw. durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 20 gelöst. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
  • Ein Thyristor weist einen Halbleiterkörper auf, in dem in einer vertikalen Richtung ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Hauptemitter aufeinanderfolgend angeordnet sind. Außerdem umfasst der Thyristor einen Zündbereich, sowie eine in einer zur vertikalen Richtung senkrechten lateralen Richtung zwischen dem Zündbereich und dem Hauptemitter angeordnete Zündstufenstruktur. Die Zündstufenstruktur weist eine erste Zündstufe mit einem ersten n-dotierten Zündstufenemitter und eine zweite Zündstufe mit einem zweiten n-dotierten Zündstufenemitter auf. Die erste Zündstufe ist in der lateralen Richtung zwischen dem Zündbereich und dem Hauptemitter angeordnet. Weiterhin ist die zweite Zündstufe in der lateralen Richtung auf der dem Zündbereich abgewandten Seite der ersten Zündstufe angeordnet. Der Halbleiterkörper weist außerdem einen ersten Abschnitt auf, der ein Abschnitt der p-dotierten Basis ist, und der in der lateralen Richtung zwischen dem Zündbereich und der ersten Zündstufe angeordnet ist, sowie einen zweiten Abschnitt, der in der lateralen Richtung auf der dem Zündbereich abgewandten Seite der zweiten Zündstufe angeordnet ist. Außerdem ist ein erstes elektrisches Kopplungselement vorgesehen, mittels dem der erste Abschnitt elektrisch mit dem zweiten Abschnitt gekoppelt ist. Aufgrund dieser Kopplung bewirkt ein hoher Strom durch die zweite Zündstufe eine Reduzierung oder gar ein Abschalten des die erste Zündstufe durchfließenden Stromes. Das Kopplungselement kann beispielsweise außerhalb des Halbleiterkörpers angeordnet sein. Z. B. kann das Kopplungselement als elektrisch leitende Schicht ausgebildet sein, die auf den Halbleiterkörper aufgebracht ist.
  • Der Thyristor weist einen Halbleiterkörper auf, in dem in einer vertikalen Richtung zwischen einer Rückseite und einer Vorderseite ein p-dotierter Emitter, eine n-dotierte Basis, eine p-dotierte Basis und ein n-dotierter Hauptemitter aufeinander folgend angeordnet sind. Der Thyristor umfasst außerdem einen Zündbereich, sowie eine erste Zündstufe mit einem ersten n-dotierten Zündstufenemitter, und eine zweite Zündstufe mit einem zweiten n-dotierten Zündstufenemitter. In einer zur vertikalen Richtung senkrechten lateralen Richtung ist die erste Zündstufe zwischen dem Zündbereich und dem Hauptemitter, die zweite Zündstufe auf der dem Zündbereich abgewandten Seite der ersten Zündstufe zwischen der ersten Zündstufe und dem Hauptemitter angeordnet.
  • Bei dem Verfahren werden ein erster Grenzwert für einen Strom durch die erste Zündstufe und ein zweiter Grenzwert für einen Strom durch die zweite Zündstufe festgelegt. Wenn der Strom durch die zweite Zündstufe den zweiten Grenzwert erreicht oder übersteigt, wird der die erste Zündstufe durchfließende Strom auf einen Wert reduziert, der kleiner oder gleich dem ersten Grenzwert ist.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Vertikalschnitt durch eine Thyristoranordnung, der einen Abschnitt aus dem Zündstufenbereich eines beispielhaft zwei Zündstufen umfassenden Thyristors zeigt, bei dem ein in der lateralen Richtung zwischen dem Zündbereich und der ersten Zündstufe angeordneter Abschnitt der p-dotierten Basis mit einem in der lateralen Richtung zwischen der zweiten Zündstufe und dem Hauptemitter angeordneten Abschnitt der p-dotierten Basis gekoppelt ist;
  • 2 einen Vertikalschnitt durch eine Thyristoranordnung, der einen Abschnitt aus dem Zündstufenbereich eines beispielhaft zwei Zündstufen umfassenden Thyristors zeigt, bei dem ein in der lateralen Richtung zwischen dem Zündbereich und der ersten Zündstufe angeordneter Abschnitt der p-dotierten Basis mit der Kathodenelektrode der gekoppelt ist;
  • 3 einen Vertikalschnitt durch eine Thyristoranordnung, der einen Abschnitt aus dem Zündstufenbereich eines beispielhaft zwei Zündstufen umfassenden Thyristors zeigt, der auf dem Thyristor gemäß 1 basiert und sich von diesem dadurch unterscheidet, dass zusätzlich der Emitter der ersten Zündstufe mit einem in der lateralen Richtung zwischen der ersten Zündstufe und der zweiten Zündstufe angeordneten Abschnitt der p-dotierten Basis elektrisch gekoppelt ist;
  • 4 einen vorderseitigen Abschnitt der in 3 gezeigten Anordnung, bei der die Kopplungselemente als Metallisierungen auf dem Halbleiterkörper ausgebildet sind;
  • 5 einen Abschnitt einer Thyristoranordnung, bei der das Kopplungselement einen Widerstand aufweist;
  • 6 einen Abschnitt einer Thyristoranordnung, bei der das Kopplungselement eine Kapazität aufweist;
  • 7 einen Abschnitt einer Thyristoranordnung, bei der das Kopplungselement eine Induktivität aufweist; und
  • 8 ein Ersatzschaltbild Thyristors 100 gemäß den 1 bis 4.
  • In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente mit gleicher Funktion. Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellungen – sofern nicht ausdrücklich erwähnt – aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht maßstäblich sind.
  • 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt eines lichtzündbaren Thyristors 100 mit Zündstufenstruktur. Der Thyristor 100 umfasst einen Halbleiterkörper 1, in dem in einer vertikalen Richtung v ausgehend von einer Rückseite 14 hin zu einer Vorderseite 13 ein p-dotierter Emitter 8, eine n-dotierte Basis 7, eine p-dotierte Basis 6 und ein n-dotierter Hauptemitter 5 aufeinanderfolgend angeordnet sind. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird nachfolgend jede zur vertikalen Richtung v senkrechte Richtung als laterale Richtung r bezeichnet. Der Halbleiterkörper 1 ist aus dotiertem Halbleitermaterial, beispielsweise aus einem dotierten Siliziumwafer, hergestellt. Auf die Rückseite 14 des Halbleiterkörpers 1 ist eine Anodenelektrode 9 aufgebracht, die den p-dotierten Emitter 8 kontaktiert. Entsprechend ist auf die Vorderseite 13 eine Kathodenelektrode 4 aufgebracht, die den n-dotierten Hauptemitter 4 kontaktiert.
  • Der Thyristor 100 umfasst einen Zündbereich ZB, in dem der Thyristor z. B. durch Einstrahlen von Licht auf die Vorderseite 13 kontrolliert gezündet werden kann. Durch das in den Halbleiterkörper 1 eingestrahlte Licht entstehen Elektron-Loch-Paare, so dass es bei am Thyristor 100 anliegender Spannung zu einem Strom kommt, der mit Hilfe einer Zündstufenstruktur AG1, AG2 so weit verstärkt wird, dass der Thyristor 100 auch im Bereich des n-dotierten Hauptemitters 5 zündet. Alternativ kann der Thyristor auch elektrisch durch einen Strom gezündet werden, der über einen in 1 nicht eingezeichneten Kontakt im Zündbereich in die p-Basis 6 eingespeist wird.
  • Die Zündstufenstruktur ist zwischen dem Zündbereich ZB und dem Hauptkathodenbereich K angeordnet und umfasst beispielhaft eine erste Zündstufe AG1 und eine zweite Zündstufe AG2, wobei die zweite Zündstufe AG2 in der lateralen Richtung r zwischen der ersten Zündstufe 1 und dem n-dotierten Hauptemitter 5 angeordnet ist. Grundsätzlich kann eine solche Zündstufenstruktur jedoch auch nur eine, oder aber drei, vier oder mehr voneinander beabstandete Zündstufen aufweisen. Allgemein gilt, dass ein Strom, der im Zündbereich ZB wie erläutert z. B. durch auf den Halbleiterkörper 1 einfallendes Licht erzeugt wurde, ausgehend vom Zündbereich ZB in Richtung des n-dotierten Hauptemitters 5 mittels der aufeinanderfolgend angeordneten Zündstufen von Zündstufe zu Zündstufe so weit verstärkt wird, dass der Thyristor 100 im Bereich des n-dotierten Hauptemitters 5 zündet.
  • Jede der Zündstufen AG1, AG2 umfasst einen n-dotierten Zündstufenemitter 51 bzw. 52, den eine korrespondierende, auf der Vorderseite 13 angeordnete Elektrode 41 bzw. 42 kontaktiert. Die Elektroden 4, 41, 42 und 9 können beispielsweise als Metallisierung, z. B. aus Aluminum oder aus Kupfer, ausgebildet sein. Anstelle aus Metall können die Elektroden 4, 41, 42, 9 auch aus polykristallinem Halbleitermaterial, beispielsweise polykristallinem Silizium, bestehen. Wie in 1 dargestellt ist, können die die Zündstufenemitter 51 bzw. 52 kontaktierenden Elektroden 41, 42 optional den jeweiligen Zündstufenemitter 51 bzw. 52 in lateraler Richtung r zur Kathodenelektrode 4 hin überragen.
  • Der Thyristor weist außerdem eine Kurzschlussstruktur mit p-dotierten Kathodenkurzschlüssen 61 auf. Ein solcher Kathodenkurzschluss 61 ist dadurch gebildet, dass ein Abschnitt der p-dotierten Basis 6 den n-dotierten Hauptemitter 5, z. B. säulenartig, durchdringt und sich bis an die Vorderseite 13 des Halbleiterkörpers 1 erstreckt. Ein Thyristor kann beispielsweise mehrere voneinander beabstandete Kathodenkurzschlüsse 61 aufweisen, die über den n-dotierten Hauptemitter 5 verteilt in diesen eingebettet, d. h. in lateraler Richtung r von diesem umgeben sind.
  • Gemäß einer möglichen Ausgestaltung kann der Halbleiterkörper 1 im Wesentlichen, d. h. zumindest die n-dotierten Zündstufenemitter 51, 52 und – wenn man von den Kathodenkurzschlüssen 61 absieht – auch der n-dotierte Hauptemitter 5, rotationssymmetrisch bezüglich einer in der vertikalen Richtung v durch den Zündbereich ZB verlaufenden Achse A-A' ausgebildet sein.
  • Der Halbeiterkörper 1 umfasst einen ersten Abschnitt 101 und einen zweiten Abschnitt 102, der mittels eines beispielsweise außerhalb des Halbleiterkörpers angeordneten ersten elektrischen Kopplungselements 81 mit dem ersten Abschnitt 101 gekoppelt ist. Dabei ist der erste Abschnitt 101 ein Abschnitt der p-dotierten Basis 6 und in der lateralen Richtung r zwischen dem Zündbereich ZB und der ersten Zündstufe AG1 angeordnet. Der zweite Abschnitt 102 ist in der lateralen Richtung r auf der dem Zündbereich ZB abgewandten Seite der zweiten Zündstufe AG2 angeordnet. Um das Kopplungselement 81 mit dem Halbleiterkörper 1 und den Abschnitten 101 und 102 zu kontaktieren, sind Elektroden 91 bzw. 92 oberhalb der Abschnitte 101 bzw. 102 auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht.
  • Aufgrund des Kopplungselementes 81 kommt es beim Betrieb des Thyristors 100 zu einer Gegenkopplung, die einer unerwünscht hohen Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Zünden des Thyristors 100 entgegenwirkt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist der zweite Abschnitt 102 ebenso wie der erste Abschnitt 101 ein Abschnitt der p-dotierten Basis 6. Abweichend davon kann der zweite Abschnitt 102 auch ein Kathodenkurzschluss 61 sein, was in 2 gezeigt ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 102 identisch mit der Kathodenelektrode 4.
  • 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Thyristors. Bei diesem ist zusätzlich zu der bereits aus 1 bekannten Gegenkopplung ein dritter Abschnitt 103 des Halbleiterkörpers 1 vorgesehen, der mittels eines zweiten Kopplungselements 82 elektrisch mit dem ersten Zündstufenemitter 51 gekoppelt ist. Der dritte Abschnitt 103 ist dabei durch einen Abschnitt der p-dotierten Basis 6 gebildet und in der lateralen Richtung r auf der dem Zündbereich ZB abgewandten Seite der ersten Zündstufe AG1 zwischen der ersten Zündstufe AG1 und der zweiten Zündstufe AG2 angeordnet.
  • Wie anhand der Anordnungen gemäß den 1, 2 und 3 gezeigt wurde, kann die erste Zündstufe AG1 die dem Zündbereich ZB nächstgelegene Zündstufe aller Zündstufen sein. Abweichend davon können jedoch zusätzlich eine oder mehrere weitere Zündstufen vorgesehen sein, die in der lateralen Richtung r zwischen dem Zündbereich ZB und der ersten Zündstufe AG1 angeordnet sind. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung der Erfindung soll mit den Bezeichnungen ”erste Zündstufe AG1” und ”zweite Zündstufe AG2” nicht zum Ausdruck gebracht werden, dass es sich bei der ersten Zündstufe AG1 zwingend um die dem Zündbereich ZB nächstliegende aller Zündstufen und bei der zweiten Zündstufe AG2 um die dem Zündbereich ZB zweitnächste aller Zündstufen handeln muss. Ebenso wenig soll damit zum Ausdruck gebracht werden, dass die zweite Zündstufe AG2 die der ersten Zündstufe AG1 in Richtung des n-dotierten Hauptemitters 5 nächstgelegene Zündstufe handeln muss.
  • Vielmehr soll mit den Bezeichnungen lediglich zum Ausdruck gebracht werden, dass die zweite Zündstufe AG2 in der lateralen Richtung r auf der dem Zündbereich ZB abgewandten Seite der ersten Zündstufe AG1 zwischen der ersten Zündstufe AG1 und dem Hauptemitter 5 angeordnet ist.
  • Wie anhand der Anordnung gemäß den 1 bis 3 gezeigt ist, kann es sich zwar bei der ersten Zündstufe AG1 um die dem Zündbereich ZB nächstgelegene Zündstufe handeln. Grundsätzlich können jedoch bei anderen Ausgestaltungen der Erfindung noch eine oder mehrere weitere Zündstufen vorgesehen sein, die in der lateralen Richtung r zwischen dem Zündbereich und der ersten Zündstufe AG1 angeordnet sind.
  • Entsprechend kann es sich zwar bei der zweiten Zündstufe AG2 um diejenige aller Zündstufen handeln, die der ersten Zündstufe AG1 auf deren dem Zündbereich ZB abgewandten Seite in Richtung des Hauptemitters 5 nächstliegende Zündstufe ist, allerdings können bei anderen Ausgestaltungen eine oder mehrere weitere Zündstufen vorgesehen sein, die in der lateralen Richtung r zwischen der ersten Zündstufe AG1 und der zweiten Zündstufe AG2 sind.
  • Bei allen Ausgestaltungen der Erfindung kann der Zündbereich ZB in der lateralen Richtung r weiter vom n-dotierten Hauptemitter 5 beabstandet sein als die in der lateralen Richtung r vom n-dotierten Hauptemitter 5 am weitesten beabstandete aller Zündstufen.
  • Das erste Kopplungselement 81 und – sofern vorgesehen – das zweite Kopplungselement 82 sind beispielhaft außerhalb des Halbleiterkörpers 1 angeordnet. Beispielsweise können diese Kopplungselemente 81 und/oder 82 auf den Halbleiterkörper 1 aufgebracht sein. Beispielsweise können die Kopplungselemente 81 und/oder 82 als Metallisierungsschichten, z. B. aus Kupfer oder Aluminium, oder als polykristalline Halbleiterschichten, z. B. aus Polysilizium, ausgebildet sein. Da solche Schichten im Allgemeinen gegenüber bestimmten Abschnitten des Halbleiterkörpers 1 elektrisch isoliert sein müssen, kann zwischen jedem der Kopplungselemente 81, 82 und dem Halbleiterkörper 1 jeweils ein Dielektrikum 71 bzw. 72 vorgesehen sein, wie dies anhand von 4 gezeigt ist, welche den vorderseitigen, bezüglich dieses Dielektrikums 71, 72 relevanten Abschnitt des Thyristors 100 gemäß 3 wiedergibt. Bei dieser Anordnung ist das erste Dielektrikum 71 zwischen dem Kopplungselement 81 und dem Halbleiterkörper 1 angeordnet, das zweite Dielektrikum 72 zwischen dem Kopplungselement 82 und dem Halbleiterkörper 1. Optional kann das zweite Dielektrikum 72 – wie ebenfalls in 4 gezeigt ist – auch noch zwischen dem ersten Kopplungselement 81 und dem Halbleiterkörper 1 angeordnet sein. Als Material zur Herstellung solcher Dielektrika kann beispielsweise ein Oxid vom Grundmaterial des Halbleiterkörpers 1, z. B. Siliziumdioxid, eingesetzt werden.
  • Die Kopplungselemente 81, 82 können wie gezeigt als niederohmige Leiterbahnen ausgebildet sein. Ebenso ist es jedoch möglich, ein Kopplungselemente 81, 82 insgesamt als höherohmiges Widerstandselement auszugestalten oder mit einem Widerstandselement zu versehen, sofern für die gewünschte Gegenkopplung ein erhöhter Widerstand, d. h. höher als wenige Ohm, vorteilhaft oder erforderlich ist.
  • Anhand der 5, 6 und 7 werden nachfolgend weitere mögliche Ausgestaltungen sowohl eines Kopplungselementes 81 als auch eines Kopplungselementes 82 erläutert. Soweit in den 5 bis 7 einem ersten Bezugszeichen ein zweites Bezugszeichen in Klammern nachgestellt ist, bezieht sich das erste Bezugszeichen auf ein Kopplungselement 81, das zweite Bezugszeichen auf ein Kopplungselement 82, gemäß den anhand der 1 bis 4 bzw. den anhand der 3 und 4 erläuterten Ausführungsbeispiele. Die 5, 6 und 7 zeigen jeweils nur einen vorderseitigen Abschnitt eines Thyristors, wie er vorangehend anhand der 1 bis 4 erläutert wurde. Auf die Darstellung der dotierten Halbleitergebiete des Halbleiterkörpers 1 wurde dabei verzichtet.
  • Bei allen Thyristoren gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Fläche des ersten Zündstufenemitters 51 beispielsweise das 0,1-fache bis 0,5-fache der Fläche des zweiten Zündstufenemitters 52 betragen. Als Fläche wird dabei jeweils die Projektion des betreffenden Zündstufenemitters 51, 52 auf die Vorderseite 13 oder auf die Rückseite 14 angesehen. Entsprechend kann beim Betrieb des Thyristors der Strom durch die erste Zündstufe AG1 etwa das 0,1-fache bis 0,5-fache des Stromes durch die zweite Zündstufe AG2 betragen.
  • Gemäß 5 kann ein Kopplungselement 81 bzw. 82 einen Widerstand R, beispielsweise einen ohmschen Widerstand, aber auch einen nichtlinearen Widerstand aufweisen. Ebenso kann ein Kopplungselement 81 bzw. 82 eine Kapazität C (6) und/oder eine Induktivität L (7) umfassen.
  • Die Kopplungselemente 81 bzw. 82 und sind in den 5 bis 7 jeweils als Schaltungssymbole dargestellt. Die einzelnen Kopplungselemente 81 bzw. 82 können nach Belieben und unabhängig voneinander entweder auf den Halbleiterkörper 1 auf gebracht und starr mit diesem verbunden sein, oder aber außerhalb eines Gehäuses des Thyristors 100 angeordnet und mittels elektrischer Anschlussleitungen an den Elektroden 91/92 bzw. 41/93 angeschlossen sein. Es ist auch denkbar, ohmsche Widerstände, Kapazitäten und Induktivitäten in Serien- und/oder Parallelschaltungen zu kombinieren und diese als Kopplungselemente 81 und 82 zu verwenden.
  • In den 1 bis 3 sind ergänzend einzelne Schaltungssymbole dargestellt, welche mit bestimmten Thyristorabschnitten korrespondieren. Dabei sind jeweils nur die wichtigsten der für die Gegenkopplung relevanten Elemente dargestellt.
  • 8 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Thyristors 100 gemäß den 1 bis 4. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass sich eine reale Thyristorstruktur nicht in allen Details im Rahmen eines solchen Ersatzschaltbildes wiedergeben lässt.
  • Die erste Zündstufe AG1 umfasst unter anderem die komplementären Transistoren T1 und T2, die zweite Zündstufe AG2 unter anderem die komplementären Transistoren T3 und T4, der Hauptthyristor unter anderem die komplementären Transistoren T5 und T6. Für die durch das Kopplungselement 81 bewirkte Gegenkopplung ist vor allem auch der Widerstand RB1 relevant. Dieser Widerstand RB1 ist im Wesentlichen bestimmt durch den Widerstand, den die p-dotierte Basis 6 (siehe die 1 bis 3) in einem zwischen der Elektrode 91 und dem n-dotierten Emitter 51 der ersten Zündstufe AG1 in der lateralen Richtung r aufweist. Dieser Widerstand RB1 kann möglichst groß gewählt werden.
  • Bei entsprechender Auslegung des Thyristors 100 bewirkt die Gegenkopplung eine Reduzierung des Stroms iC1 durch die erste Zündstufe AG1 auf einen Wert, der kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert iC1max ist, sobald der Strom iC3 durch die zweite Zündstufe AG2 einen vorgegebenen Grenzwert iC3max erreicht oder übersteigt. Als Reduzierung des Stromes iC1 wird nicht nur eine Reduzierung des Stromes iC1 auf Werte größer als 0 A, sondern als Spezialfall auch eine Reduzierung auf 0 A, d. h. das Abschalten der ersten Zündstufe AG1, verstanden.
  • Die Dimensionierung des Thyristors kann so gewählt werden, dass folgender Zusammenhang gilt:
    Figure 00130001
  • Die verwendeten Bezugszeichen sind aus 8 ersichtlich. Dabei sind iTh1 und iTh2 die Ströme durch die erste bzw. die zweite Zündstufe. REG und RB1 sind die in den 1, 2 und 3 gleich lautend bezeichneten elektrischen Widerstände des Halbleiterkörpers 1. Hierbei ist zu beachten, dass sich der dem Hauptemitter 5 nächstliegende der Anschlussknoten des Widerstands RB1 in der lateralen Richtung r mittig unterhalb des Zündstufenemitters 51 der ersten Zündstufe AG1 befindet. UBE2 ist die Spannung an der Basis des Transistors T3.

Claims (24)

  1. Thyristoranordnung mit – einem Halbleiterkörper (1), in dem in einer vertikalen Richtung (v) zwischen einer Rückseite (14) und einer Vorderseite (13) ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) aufeinander folgend angeordnet sind; – einem Zündbereich (ZB); – einer ersten Zündstufe (AG1), die einen n-dotierten ersten Zündstufenemitter (51) aufweist, und die in einer zur vertikalen Richtung (v) senkrechten lateralen Richtung (r) zwischen dem Zündbereich (ZB) und dem Hauptemitter (5) angeordnet ist; – einer zweiten Zündstufe (AG2), die einen n-dotierten zweiten Zündstufenemitter (52) aufweist, und die in der lateralen Richtung (r) auf der dem Zündbereich (ZB) abgewandten Seite der ersten Zündstufe (AG1) zwischen der ersten Zündstufe (AG1) und dem Hauptemitter (5) angeordnet ist; – einem ersten Abschnitt (101) des Halbleiterkörpers (1); – einem zweiten Abschnitt (102) des Halbleiterkörpers (1); – einem ersten elektrischen Kopplungselement (81); wobei – der erste Abschnitt (101) ein Abschnitt der p-dotierten Basis (6) und in der lateralen Richtung (r) zwischen dem Zündbereich (ZB) und der ersten Zündstufe (AG1) angeordnet ist; – der zweite Abschnitt in der lateralen Richtung (r) auf der dem Zündbereich (ZB) abgewandten Seite der zweiten Zündstufe (AG2) angeordnet ist; – der erste Abschnitt (101) mittels des ersten Kopplungselementes (81) elektrisch mit dem zweiten Abschnitt (102) gekoppelt ist.
  2. Thyristoranordnung nach Anspruch 1, bei dem das erste elektrische Kopplungselement (81) außerhalb des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
  3. Thyristoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der der zweite Abschnitt (102) ein Abschnitt der p-dotierten Basis (6) ist.
  4. Thyristoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der zweite Abschnitt (102) als p-dotierter Kathodenkurzschluss (61) ausgebildet ist, der den n-dotierten Hauptemitter (5) durchdringt und sich bis an die Vorderseite (13) des Halbleiterkörpers (1) erstreckt.
  5. Thyristoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die erste Zündstufe (AG1) die dem Zündbereich (ZB) nächstgelegene Zündstufe ist.
  6. Thyristoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die zweite Zündstufe (AG2) die der ersten Zündstufe (AG1) auf deren dem Zündbereich (ZB) abgewandten Seite in Richtung des Hauptemitters (5) nächstgelegene nächstliegende Zündstufe ist.
  7. Thyristoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit einem ersten Dielektrikum (71), das zwischen dem ersten Kopplungselement (81) und dem Halbleiterkörper (1) angeordnet ist.
  8. Thyristoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das erste Kopplungselement (81) als elektrischer Widerstand ausgebildet ist.
  9. Thyristoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das erste Kopplungselement (81) als Metallisierungsschicht ausgebildet und auf dem Halbleiterkörper (1) angeordnet ist.
  10. Thyristoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das erste Kopplungselement (81) als Polysiliziumschicht ausgebildet und auf dem Halbleiterkörper (1) angeordnet ist.
  11. Thyristoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das erste Kopplungselement (81) als eine Kombination von Serien- und/oder Parallelschaltungen von ohmschen Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten ausgelegt ist.
  12. Thyristoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Halbleiterkörper (1) einen dritten Abschnitt (103) aufweist, der – durch einen Abschnitt der p-dotierten Basis (6) gebildet und in der lateralen Richtung (r) auf der dem Zündbereich (ZB) abgewandten Seite der ersten Zündstufe (AG1) zwischen der ersten Zündstufe (AG1) und der zweiten Zündstufe (AG2) angeordnet ist; und – mittels eines zweiten Kopplungselements (82) elektrisch mit dem ersten Zündstufenemitter (51) gekoppelt ist.
  13. Thyristoranordnung nach Anspruch 12, bei der das zweite Kopplungselement (82) außerhalb des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
  14. Thyristoranordnung nach einem der Ansprüche 12 oder 13 mit einem zweiten Dielektrikum (72), das zwischen dem zweiten Kopplungselement (82) und dem Halbleiterkörper (1) angeordnet ist.
  15. Thyristoranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der das zweite Kopplungselement (82) als elektrischer Widerstand ausgebildet ist.
  16. Thyristoranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der das zweite Kopplungselement (82) als Metallisierungsschicht ausgebildet und auf dem Halbleiterkörper (1) angeordnet ist.
  17. Thyristoranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei der das zweite Kopplungselement (82) als Polysiliziumschicht ausgebildet und auf dem Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
  18. Thyristoranordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei der das zweite Kopplungselement (82) als eine Kombination von Serien- und/oder Parallelschaltungen von ohmschen Widerständen, Kapazitäten und Induktivitäten ausgelegt ist.
  19. Thyristoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Projektionsfläche des n-dotierten ersten Zündstufenemitters (51) auf die Rückseite (14) das 0,1-fache bis 0,5-fache der Projektionsfläche des n-dotierten zweiten Zündstufenemitters (52) auf die Rückseite (14) beträgt.
  20. Verfahren zum Betrieb einer Thyristoranordnung, das folgende Schritte aufweist: – Bereitstellen einer Thyristoranordnung mit einem Halbleiterkörper (1), in dem in einer vertikalen Richtung (v) zwischen einer Rückseite (14) und einer Vorderseite (13) ein p-dotierter Emitter (8), eine n-dotierte Basis (7), eine p-dotierte Basis (6) und ein n-dotierter Hauptemitter (5) aufeinander folgend angeordnet sind; einem Zündbereich (ZB); einer ersten Zündstufe (AG1), die einen ersten n-dotierten Zündstufenemitter (51) aufweist, und die in einer zur vertikalen Richtung (v) senkrechten lateralen Richtung (r) zwischen dem Zündbereich (ZB) und dem Hauptemitter (5) angeordnet ist; einer zweiten Zündstufe (AG2), die einen zweiten n-dotierten Zündstufenemitter (52) aufweist, und die in der lateralen Richtung (r) auf der dem Zündbereich (ZB) abgewandten Seite der ersten Zündstufe (AG1) zwischen der ersten Zündstufe (AG1) und dem Hauptemitter (5) angeordnet ist; – Festlegen eines ersten Grenzwertes (ic1max) für einen Strom (iC1) durch die erste Zündstufe (AG1); – Festlegen eines zweiten Grenzwertes (iC3max) für einen Strom (iC3) durch die zweite Zündstufe (AG2); – Reduzieren des die erste Zündstufe (AG1) durchfließenden Stromes auf einen Wert, der kleiner oder gleich dem ersten Grenzwert (iC1max) ist, wenn der Strom durch die zweite Zündstufe (AG2) den zweiten Grenzwert (iC3max) erreicht oder übersteigt.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der erste Grenzwert größer als 0 A ist.
  22. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der erste Grenzwert gleich 0 A ist.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, bei dem das Reduzieren des die erste Zündstufe (AG1) durchfließenden Stromes mittels eines Kopplungselementes (81) erfolgt, das einen ersten Abschnitt (101) des Halbleiterkörpers (1) mit einem zweiten Abschnitt (102) des Halbleiterkörpers (1) koppelt, wobei – der erste Abschnitt (101) ein Abschnitt der p-dotierten Basis (6) und in der lateralen Richtung (r) zwischen dem Zündbereich (ZB) und der ersten Zündstufe (AG1) angeordnet ist; – der zweite Abschnitt in der lateralen Richtung (r) auf der dem Zündbereich (ZB) abgewandten Seite der zweiten Zündstufe (AG2) angeordnet ist.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem das Kopplungselement (81) außerhalb des Halbleiterkörpers (1) angeordnet ist.
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