DE1184869B - Gesteuerter Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps - Google Patents

Gesteuerter Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps

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DE1184869B DEL31691A DEL0031691A DE1184869B DE 1184869 B DE1184869 B DE 1184869B DE L31691 A DEL31691 A DE L31691A DE L0031691 A DEL0031691 A DE L0031691A DE 1184869 B DE1184869 B DE 1184869B
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1184 869
Aktenzeichen: L 31691 VIII c/21 g
Anmeldetag: 12. November 1958
Auslegetag: 7. Januar 1965
Die Erfindung betrifft einen steuerbaren und gesteuerten Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps.
Man verwendet zur Steuerung elektrischer Schaltkreise mit zunehmender Häufigkeit Halbleiter-Leistungsgleichrichter der vorerwähnten Art, deren Mangel jedoch darin besteht, daß die durch sie übertragbaren Leistungen dadurch begrenzt sind, daß solche steuerbaren Halbleiter-Leistungsgleichrichter bei einer hohen Kollektorspannung einen schwachen Kollektorstrom und bei einer niedrigen Kollektorspannung einen starken Kollektorstrom ermöglichen müssen.
Die maximale Spannung, die man an einen Leistungsgleichrichter der genannten Art anlegen kann, wird von dem Lawineneffekt bestimmt, der durch die Entstehung von Elektronen- und Löcherpaaren in der Kollektor-Basis-Sperrschicht infolge des Durchgangs des Stromes durch die Sperrschicht erzeugt wird. Die auf diese Weise in der Basiszone entstehenden Majoritätsladungen verursachen eine Verstärkung des Emitterstromes, wodurch der erwähnte Paarbildungsvorgang noch verstärkt wird. Der Effekt ist also in der Weise rückwirksam, daß er plötzlich zu einer Überbelastung führt, die den Halbleiter-Leistungsgleichrichter durch Erhitzen beschädigt. Dieser Effekt tritt auf, sobald das elektrische Feld in der Kollektor-Basis-Sperrschicht einen gewissen Wert überschreitet. Das elektrische Feld könnte verringert werden, indem man als Werkstoff für die Basiszone sehr schwach dotiertes, eigen- oder nichteigenleitendes Halbleitermaterial wählt, um die Wirkung der Sperrschicht zu verstärken und folglich das elektrische Feld zu verringern. Um jedoch zu vermeiden, daß sich die Sperrschicht bis in die Zone des Emitters ausdehnt, was einen Kurzschluß zwischen Emitter und Kollektor verursachen würde, müßte die Basiszone verhältnismäßig dick sein. Auf diese Weise könnte man einen Halbleiter-Leistungsgleichrichter erstellen, der zum Sperren einer ziemlichen hohen Spannung in der Lage ist, womit die erste vorgenannte Betriebsbedingung erfüllt wäre.
Wenn dagegen ein solcher Halbleiter-Leistungsgleichrichter die zweite vorgenannte Betriebsbedingung erfüllen soll, tritt folgende Erscheinung auf:
Da die Kollektorspannung sehr niedrig ist, wird die Sperrschichtzone sehr klein, so daß die effektive Basiszone sehr dick wird. Daraus ergibt sich eine starke Rekombination, die zu einem sehr starken Basisstrom Anlaß gibt, so daß eine sehr kleine Anzahl der injizierten Ladungen aus dem Emitter zum
Gesteuerter Halbleiter-Leistungsgleichrichter
mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps
Anmelder:
Compagnie Generale d'filectricite, Paris
Vertreter:
Dipl.-Ing. R. Müller-Börner,
Berlin 33, Podbielskiallee 68,
und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, München 22,
Patentanwälte
Als Erfinder benannt:
Jakob Luscher, Carouge, Genf (Schweiz)
Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 29. November 1957 (53 198)
Kollektor gelangen würde. Der Emitter würde also mit der Basis einen Gleichrichter bilden, und der Kollektor wäre praktisch abgeschaltet.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, kann also ein Halbleiter-Gleichrichter der bisher üblichen Bauart nicht für hohe Leistungen verwendet werden.
Diese Möglichkeit kann auch nicht durch Anwendung verschiedener bekannter Ausbildungsformen von Halbleiterbauelementen geschaffen werden, bei denen Halbleiterkörper vom Leitungstyp pnip oder npin hintereinandergeschaltet werden. Bei diesen Bauelementen haben die beiden äußeren Zonen Leitfähigkeiten vom gleichen Typ. Sie eignen sich deshalb nicht zur Lösung der gestellten Aufgabe.
Es gibt ferner Halbleiterverstärker, deren Wirkungsweise zwar von der des klassischen Transistors abweicht, die aber ebenfalls nicht für die Steuerung größerer Leistungen geeignet sind. Bei ihnen durchfließt der zu steuernde Hauptstrom nur einen einzigen Halbleiter vom Typ ρ oder η in seiner Längsrichtung, jedoch keinen Übergang zwischen den Halbleiterzonen. Die Übergänge sind vielmehr bei dieser Bauform dazu bestimmt, veränderliche Kapazitäten längs des Hauptstromweges zu bilden. Zu einer Verstärkung mit hoher Leistung lassen sie sich nicht heranziehen. Die bekannte Anordnung diente vielmehr zur Verstärkung von Signalen auf Mikrowellenfrequenzen.
409 767/262
Ebenfalls für die Zwecke der Erfindung nicht geeignet sind bekannte Halbleiterverstärker mit zwei Stufen, die von komplementären npn- und pnp-Transistoren, die auf demselben Kristall angeordnet sind, gebildet werden.
Es sind auch Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen von Hookschen Raumladungszonen Gebrauch gemacht wird und eine Reihe hintereinandergeschalteter Zonen verschiedenen Leitungstyps vorhanden ist, die bei Belastung in Sperrichtung mindestens zwei einander wechselseitig bedingende Raumladungen entgegengesetzten Vorzeichens erzeugen, auf denen die Sperrwirkung beruht und von denen mindestens zwei mittlere Zonen durch äußere Mittel steuerbar sind, während an zwei äußeren Zonen zwei sperrschichtfreie Elektroden liegen und zum Zwecke einer Stabilisierung der negativen Stromspannungscharakteristik der Halbleiteranordnung bezüglich des Bereiches oder der Zeit Hochohmwiderstände oder Kapazitäten entsprechender Dimensionierung vor die Steuerelektraden geschaltet sind. Auch hierbei konn- : ten nur die in der Nachrichtentechnik üblichen Leistungen unter der Einwirkung entsprechender Steuerimpulse mit gewissen Verzögerungswirkungen gesperrt oder gesteuert werden.
Ziel der Erfindung ist im Gegensatz zu den vorerwähnten bekannten Anordnungen die Schaffung eines Halbleiter-Leistungsgleichrichters für besonders große Leistungen, der einerseits eine Spannung von einigen hundert Volt sperren und andererseits, ausgelöst durch eine Steuerspannung, einen Strom von zwischen etwa 10 und 100 A bei einem sehr geringen inneren Spannungsabfall leiten kann. Der gesteuerte Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, der zur Lösung dieser Aufgabe geeignet ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einer etwa eigenleitenden oder einer gegenüber den anderen Zonen schwach dotierten, schichtförmigen ersten Zone eines ersten Leitungstyps besteht, die an ihren beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen je mit einer wenigstens zehnfach dünneren schichtförmigen zweiten und dritten Zone eines zweiten entgegengesetzten Leitungstyps versehen ist, an deren dritter Zone eine vierte Zone des ersten Leitungstyps angebracht ist, daß die zweite, dritte und vierte Zone mit je einer ohmschen Elektrode versehen sind, von denen die äußeren im Stromkreis des gleichzurichtenden Wechselstroms liegen, und daß bei in Sperrichtung gepoltem pn-übergang zwischen der ersten und der dritten Zone eine Steuerspannung zwischen der dritten und vierten Zone so angelegt ist, daß eine Ladungsträgerinjektion aus der vierten in die dritte Zone auftritt, eine Diffusion dieser Ladungsträger in die erste Zone stattfindet und dadurch der Gleichrichter in den leitenden Zustand kippt.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung beispielsweise an zwei Ausführungsformen an Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch den Halbleiter-Leistungsgleichrichter nach der Erfindung,
Fig. 2a bis 2e den Potentialverlauf in den verschiedenen Schichten des Gleichrichters in unterschiedlichen Stadien seines Betriebes und
F i g. 3 eine abgeänderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsgleichrichters, Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, enthält der Halbleiter-Leistungsgleichrichter eine aus einem sehr schwach dotierten Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps, beispielsweise Silizium vom Leitungstyp »n«, bestehende Zoneß, die die Basiszone des Gleichrichters bilden soll. Die Zone B ist verhältnismäßig dick, nämlich wenigstens 0,2 mm und höchstens 2 mm. Die den Emitter bildende Zone£ besteht, wie auch die den Kollektor bildende Zone C, aus einem Halbleitermaterial eines zweiten entgegengesetzten Leitungstyps, beispielsweise »p«. Eine vierte aus einem Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps bestehende Zone Ea steht mit der Zone C in Verbindung. Jeder der Zonen E, C und Ea ist wenigstens zehnfach dünner als die Zoneß. Die Zonen E, C und Ea sind je mit einer ohmschen Elektrode 1, 2 bzw. 3 ausgestattet, durch die sie mit elektrischen Kreisen versehen werden können.
Der vorstehend beschriebene Halbleiter-Leistungsgleichrichter arbeitet in folgender Weise:
Wenn er mit keiner Spannungsquelle verbunden ist, baut sich der Potentialverlauf in den verschiedenen Zonen E, B, C und Ea infolge des thermischen Gleichgewichts entsprechend der in der Fig. 2a dargestellten Kennlinie auf.
Das Einschalten des Halbleiter-Leistungsgleichrichters in einen elektrischen Kreis mit Hilfe der Elektroden 1 und 2 hat das Sperren dieses Kreises zur Folge. Um jede spontane Elektroneninjektion aus dem Hilfsemitter Ea in den Kollektor C zu verhindern, kann deren Übergang in Sperrichtung mittels einer Hilfsquelle geringer Spannung durch Zwischenschaltung eines Widerstandes polarisiert werden. Der diesem Zustand entsprechende Potentialverlauf ist in der F i g. 2 b dargestellt.
Wenn ein gegenüber der Elektrode 3 des Hilfsemitters Ea positiver Spannungsimpuls an die Elektrode 2 des Kollektors C angelegt wird, der größer als die Polarisationsspannung des Übergangs E0-C ist, werden aus dem Hilfsemitter Elektronen in den Kollektor injiziert. Da die Schicht des Kollektors sehr dünn ist, dringen diese Elektronen durch den Kollektor hindurch und in die Kollektor-Basis-Sperrschicht ein, wo sie durch das elektrische Feld beschleunigt werden. Dieser Elektronenstrom bildet auf diese Weise den zum Steuern des Emitterstroms notwendigen Basisstrom. Aus dem Emitter werden in die Basiszone Löcher injiziert, so daß die Basiszone für einen Strom vom Emitter zum Kollektor leitend wird. Der vom Kollektor ausgehende Strom bewirkt, daß die positive Polarisation des Kollektors gegenüber dem Hilfsemitter so aufrechterhalten wird, daß der Elektronenstrom ebenfalls aufrechterhalten wird. Der gesamte Stromauslösemechanismus ist also rückwirkend. Sobald der Strom ausgelöst ist, stellt der Gleichrichter praktisch einen Kurzschluß dar. Der leitende Zustand wird aufgehoben, wenn ein negativer Steuerspannungsimpuls angelegt wird.
Die F i g. 2 c zeigt den Potentialverlauf in den verschiedenen Zonen des Halbleiter-Leistungsgleichrichters beim Übergang vom Sperrzustand in den leitenden Zustand, wobei letzterer in der Fig. 2d dargestellt ist. Die Fig. 2e zeigt den Potentialverlauf im Sperrzustand, jedoch bei Umkehrung der Polarität der zwischen den Elektroden des Emitters und des Kollektors angelegten Spannung.
Wie aus der Beschreibung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Gleichrichters ersichtlich, ist die-
ser in der Lage, die beiden für einen Hochleistungsgleichrichter notwendigen Bedingungen zu erfüllen.
Die eingangs erwähnte Erscheinung, die sich an den bisher bekannten Gleichrichtern zeigt, wenn man deren Leistung erhöhen will, kann bei dem Halbleiter-Leistungsgleichrichter nach der Erfindung nicht auftreten.
Selbst wenn die Lebensdauer der aus dem Emitter in die Basis injizierten Ladungsträger sehr kurz ist, entsteht daraus ein sehr starker Emitter-Kollektor-Strom, da der den Basisstrom bildende Elektronenstrom aus dem Kollektor kommt.
Es ist selbstverständlich, daß für die verschiedenen Zonen des Gleichrichters auch ein anderes Halbleitermaterial als Silizium verwendet werden kann. So könnte man beispielsweise Germanium oder auch Metallegierungen, wie beispielsweise Phosphor-Indium (InP), Arsen-Indium (InAs), Antimon-Gallium (GaSb), Arsen-Gallium (GaAs), Phosphor-Aluminium (AIP) und Antimon-Aluminium (AlSb) verwenden.
Andererseits könnte an Stelle eines »pnpn«-Halbleiter-Gleichrichters als abgeänderte Ausführungsform ein solches mit »npnp«-Anordnung vorgesehen werden. In diesem Falle muß der an die Elektrode des Kollektors angelegte Spannungsimpuls gegenüber der Elektrode des Hilfsemitters negativ sein. Schließlich könnte die Basiszone des Halbleiterbauelements statt aus einem schwach dotierten »n«- bzw. »pe-Halbleitermaterial aus einem eigenleitenden Halbleiter bestehen. In diesem Falle hätte man einen »pipn«- bzw. einen »ninp «-Halbleiter-Gleichrichter.
In der F i g. 3 ist eine Ausführungsform des Halbleiter-Gleichrichters nach der Erfindung dargestellt, bei der ein zweiter, mit dem ersten Hilfsemitter Ea übereinstimmender Hilf semitter Ea' mit dem Emitter £ in Verbindung steht. Dieser ist ebenfalls mit einer Elektrode 3' ausgestattet.
Es ist leicht verständlich, daß ein solcher Halbleiter-Gleichrichter die Steuerung eines Stroms in beiden Richtungen ermöglicht. Wenn die Emitter-Kollektor-Spannung umgekehrt wird, genügt es zum Erzielen eines Leitens in Richtung Kollektor C-Emitter E, einen gegenüber der Elektrode 3' des Hilfsemitters Ea' positiven Steuerspannungsimpuls an die Elektrode 1 des Emitters E anzulegen.
Es ist klar, daß dadurch die Aufgaben vom Kollektor C und Emitter E umgekehrt werden, so daß der Kollektor C Emitter und der Emitter E Kollektor wird.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Gesteuerter Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mit vier Zonen abwechselnden Leistungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einer etwa eigenleitenden oder einer gegenüber den anderen Zonen schwach dotierten, schichtförmigen ersten Zone (B) eines ersten Leitungstyps besteht, die an ihren beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen je mit einer wenigstens zehnfach dünneren schichtförmigen zweiten und dritten Zone (E bzw. C) eines zweiten entgegengesetzten Leitungstyps versehen ist, an deren dritter Zone (C) eine vierte Zone (Ea) des ersten Leitungstyps angebracht ist, daß die zweite, dritte und vierte Zone mit je einer ohmschen Elektrode (1, 2, 3) versehen sind, von
ίο denen die äußeren (1 und 3) im Stromkreis des gleichzurichtenden Wechselstroms liegen, und daß bei in Sperrichtung gepoltem pn-übergang zwischen der ersten und der dritten Zone (B, C) ein Steuerspannung zwischen der dritten und vierten Zone (C, Ea) so angelegt ist, daß eine Ladungsträgerinjektion aus der vierten (Ea) in die dritte (C) Zone auftritt, eine Diffusion dieser Ladungsträger in die erste Zone (B) stattfindet und dadurch der Gleichrichter in den leitenden Zustand kippt.
2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (B) aus etwa eigenleitendem Halbleitermaterial, die zweite Zone (E) und die dritte Zone (C) je aus
p-Halbleitermaterial und die vierte Zone (Ea) aus n-Halbleitermaterial bestehen.
3. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (B) aus gegenüber den anderen Zonen schwach dotiertem n-Halbleitermaterial besteht.
4. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (B) aus etwa eigenleitendem Halbleitermaterial, die zweite (E) und die dritte (C) Zone je aus n-Halb-
leitermaterial und die vierte Zone (E0) aus p-Halbleitermaterial bestehen.
5. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (B) aus einem gegenüber den anderen Zonen schwach dotierten p-Halbleitermaterial besteht.
6. Halbleitergleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine fünfte Zone (Ea) von gleichem Leitungstyp wie die vierte Zone (E0) mit der zweiten Zone (E) verbunden, mit einer flächenhaften Elektrode versehen und auf der der vierten Zone gegenüberliegenden Seite der ersten Zone (B) angebracht ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 949 422;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 027 800,
787;
deutsche Auslegeschriften S 36922 VIII c/21g (bekanntgemacht am 9.5.1956); W11064 VIII a/21 a2 (bekanntgemacht am 23. 8.1956);
USA.-Patentschriften Nr. 2756 285, 2779 877;
Zeitschr. f. Elektrochemie, Bd. 58, 1954, S. 283 bis 321.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 767/262 12.64 © Bundesdruckerei Berlin
DEL31691A 1957-11-29 1958-11-12 Gesteuerter Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps Pending DE1184869B (de)

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