DE1489092C

DE1489092C - Controllable semiconductor rectifiers

Info

Publication number: DE1489092C
Application number: DE19641489092
Authority: DE
Inventors: Willi Dipl.-Phys.Dr.phil. nat 6000 Frankfurt Gerlach
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1964-11-28
Filing date: 1964-11-28
Publication date: 1973-05-03

Description

zone(n) für- den zwischen der bzw. den Steuerelektroden und der kontaktierten Kathoden- bzw. Anodenteilzone fließenden Steuerstrom so bemessen ist, daß er die zulässige Stromanstiegsgeschwindigkeit des Laststromes zwischen Kathode und Anode erhöht.zone (s) for the between the control electrode (s) and the contacted cathode or anode sub-zone so dimensioned the control current flowing is that it is the permissible rate of rise of the load current between cathode and anode elevated.

Es sei an dieser Stelle auf einen in der französischen Patentschrift 1 353 370 beschriebenen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit einem Halbleiter-Let it be at this point to a controllable one described in the French patent specification 1,353,370 Semiconductor rectifier with a semiconductor

In sämtlichen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen'Bezugszeichen versehen. .In all figures, the same parts are provided with the same reference symbols. .

Der steuerbare Halbleitergleichrichter nach Fig. 1 und la besteht aus einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen 1, 2, 3, 4, die zusammen eine pnpn-Zonenfolge bilden. An der p-leitenden Anodenzone 1 ist die Anode mit einem Anodenanschluß angebracht, und es ist die η-leitende Kathodenteilzone 4 mit der Kathode 5 versehen. In der The controllable semiconductor rectifier according to FIG. 1 and la consists of a semiconductor body with four successive zones 1, 2, 3, 4, which together form a pnpn zone sequence. The anode is connected to an anode connection on the p-conducting anode zone 1 attached, and the η-conductive cathode sub-zone 4 is provided with the cathode 5. In the

körper mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetz- io p-leitenden Basiszone 3 ist neben der n-leitenden, ten Leitungstyp hingewiesen, bei dem zwar eben- mit der Kathode 5 versehenen Kathodenteilzone 4 falls-die kathoden- oder die anodenseitigen äußeren eine zweite η-leitende Kathodenteilzone 6 angeord-Zonen nur teilweise kontaktiert sind. Weitere nicht net, an der ein Kontakt 7 angebracht ist. Unmittelbar kontaktierte Teilzonen der äußeren Zone sind vor neben der η-leitenden Kathodenteilzone 6 ist eine jeweils einer Steuerelektrode räumlich näher angeord- 15 Steuerelektrode 10 mit einem Steueranschluß an der net als die kontaktierten Teilzonen. Die nicht kontak- p-leitenden Basiszone 3 angebracht. Der Kontakt 7 tierten Teilzonen bilden auch für den zwischen ist über einen äußeren Widerstand 8 mit der Ka-Steuerelektrode und kontaktierter Teilzone fließen- thode 5 verbunden. Der Größenwert des Widerstanden Steuerstrom einen elektrischen Widerstand. Der des 8 soll mindestens von der gleichen Größenordbekannte steuerbare Halbleitergleichrichter ist jedoch 20 nung wie ein im Anodenstromkreis des steuerbaren zur Begrenzung des Stromes nach dem Zünden auf Halbleitergleichrichters liegender .Lastwiderstand 9body with four zones alternately oppositely- io p-conducting base zone 3 is next to the n-conducting, th line type pointed out, in the case of the cathode subzone 4, which is also provided with the cathode 5 if-the cathode-side or the anode-side outer a second η-conductive cathode sub-zone 6 arranged zones are only partially contacted. Further not net to which a contact 7 is attached. Right away contacted sub-zones of the outer zone are in front of the η-conductive cathode sub-zone 6 is a 15 control electrode 10 with a control connection on the net than the contacted sub-zones. The non-contact p-type base zone 3 attached. The contact 7 oriented sub-zones also form for the between is via an external resistor 8 with the Ka control electrode and contacted sub-zone flow method 5 connected. The magnitude of the resistance Control current an electrical resistor. The controllable semiconductor rectifier, which is known to be at least of the same magnitude, is, however, 20 voltage like one in the anode circuit of the controllable Load resistor 9 on the semiconductor rectifier to limit the current after ignition

sein. Durch den Größenwert des Lastwiderstandes 9 ist die Größe des Anodenstromes bestimmt.being. The magnitude of the anode current is determined by the magnitude of the load resistor 9.

Beim Anlegen eines Zündimpulses wird ein ausWhen an ignition pulse is applied, on becomes off

rechte Spalte, Abs. 3, der in Betracht gezogenen 35 den Zonen 1, 2, 3 und 6 bestehender Teil des Steuer-Patentschrift). Die erfindungswesentliche Bedeutung baren Halbleitergleichrichters gezündet. Ein sodannright column, para. 3, of the considered 35 Zones 1, 2, 3 and 6 existing part of the tax patent). The essential importance of the invention ble semiconductor rectifier ignited. One then

einen relativ niedrigen Wert ausgebildet, und es ist hierfür die teilweise Kontaktierung der Zonen erwiesenermaßen nicht funktionswesentüch (vgl. S. 3, a relatively low value, and it has been proven that the partial contacting of the zones is not functional (see p. 3,

des Transversalwiderstandes der nicht kontaktierten Teilzonen ist auch nicht bei dem bekannten steuerbaren Halbleitergleichrichter relevant. Von diesemthe transversal resistance of the non-contacted sub-zones is also not controllable in the case of the known Semiconductor rectifier relevant. Of this

von der Anode über dieZonen 1, 2, 3 und 6 und den äußeren Widerstand 8 zur Kathode 5 fließender und über den Lastwiderstand 9 weiter fließender Stromfrom the anode via the zones 1, 2, 3 and 6 and the external resistor 8 to the cathode 5 and Current flowing through the load resistor 9 continues

unterscheidet sich ein steuerbarer Halbleitergleich- 30 ruft an dem äußeren Widerstand 8 einen Spannungsrichter nach der Erfindung durch eine solche Bemes- abfall hervor, welcher in dem zwischen den n-leisung des Transversalwiderstandes der nicht kontak- tenden Kathodenteilzonen 6 und 4 befindlichen Teil tierten Teilzonen für den zwischen der bzw. den der Basiszone 3 ein elektrisches Feld erzeugt, das Steuerelektroden und den kontaktierten Teilzonen von der p-leitenden Anodenzone 1 in die p-leitende fließenden Steuerstrom, daß er die zulässige -Strom- 35 Basiszone 3 injizierte Ladungsträger zur n-leitenden anstiegsgeschwindigkeit des Laststromes zwischen Kathodenteilzone 4 treibt, wodurch schließlich der Kathode und Anode erhöht. Vierzonenteil 1, 2, 3 und 4 von dem bereits strom-if a controllable semiconductor rectifier differs, a voltage converter according to the invention is produced at the external resistor 8 by such a rated drop that between the n-outputs of the transversal resistance of the non-contacting cathode sub-zones 6 and 4 oriented sub-zones for the between the or the base zone 3 generates an electric field that Control electrodes and the contacted sub-zones from the p-conducting anode zone 1 to the p-conducting flowing control current that it has the permissible -trom- 35 base zone 3 injected charge carriers to the n-conducting increase speed of the load current between cathode subzone 4 drives, which ultimately the Cathode and anode increased. Four-zone part 1, 2, 3 and 4 of the already electricity

Mit der Erfindung ist ein steuerbarer Halbleiter- leitenden Vierzonenteil 1, 2, 3, 6 her voll durchgegleichrichter geschaffen, der eine gegenüber den be- zündet wird. Der durch das elektrische Feld von der kannten steuerbaren Halbleitergleichrichtern erheb- 40 Kathodenteilzone 6 zur Kathodenteilzone 4 getrielich größere Einschaltbelastbarkeit und eine dement- bene Strom bewirkt die Einbeziehung eines großen sprechend größere zulässige Stromanstiegsgeschwih- Bereichs der Kathodenteilzone 4 in den Zündvorgang digkeit aufweist. Das Zuführen eines großen Steuer- durch seine parallel zu den pn-Übergängen erfol- und Zündstromes und ein dafür ausgelegter Steuer- gende Auffächerung. Hierdurch erfaßt der im steuergenerator ist bei einem steuerbaren Halbleitergleich- 45 baren Halbleitergleichrichter infolge des Zündvorrichter nach der Erfindung nicht erforderlich. ganges eingeschaltete Anodenstrom ein entsprechendWith the invention, a controllable semiconductor-conducting four-zone part 1, 2, 3, 6 is fully rectified created, which one is ignited opposite the. The by the electric field from the Known controllable semiconductor rectifiers up to 40 cathode subzone 6 separated from cathode subzone 4 greater switch-on load capacity and a demented current causes the inclusion of a large correspondingly larger permissible current rise speed range of the cathode subzone 4 in the ignition process has age. The supply of a large control is carried out in parallel to the pn junctions. and ignition current and a control fan-out designed for this. This records the in the control generator is in a controllable semiconductor rectifier 45 due to the ignition device according to the invention not required. anode current switched on accordingly

Der steuerbare Halbleitergleichrichter nach der Erfindung ist im einzelnen noch dadurch weiter gebildet, daß der Wert des elektrischem Widerstandes mindestens von der Größenordnung des Widerstandes des Laststromkreises ist, ferner dadurch, daß der äußere Widerstand eine Impedanz darstellt, sowie dadurch, daß die nicht kontaktierten Teilzonen durch einen äußeren Widerstand überbrückt sind.The controllable semiconductor rectifier according to the invention is further developed in detail by that the value of the electrical resistance is at least of the order of magnitude of the resistance of the load circuit, further in that the external resistance represents an impedance, as well as in that the non-contacted sub-zones are bridged by an external resistance.

Ausführungsbeispiele des steuerbaren Halbleiter- 55 p-leitenden Anodenzone 1 ist die Anode mit einem gleichrichters nach der Erfindung werden an Hand Anodenanschluß angebracht. An der n-leitenden der Zeichnung nachfolgend näher erläutert. Es zeigt Kathodenzone 4 ist die Kathode 5 mit einem Katho-Embodiments of the controllable semiconductor 55 p-conductive anode zone 1 is the anode with a rectifier according to the invention are attached to hand anode connection. At the n-conductor the drawing explained in more detail below. It shows cathode zone 4, the cathode 5 is with a cathode

F i g. 1 einen Querschnitt durch den Halbleiter- denanschluß angebracht. Die Kathode 5 bedeckt jekörper eines steuerbaren Halbleitergleichrichters mitvier Leitungszonen, SoF i g. 1 shows a cross section through the semiconductor connection. The cathode 5 covers the body of a controllable semiconductor rectifier with four line zones, So

Fig. la eine Draufsicht auf einen steuerbaren Halbleitergleichrichter nach Fig. 1,FIG. 1 a is a plan view of a controllable semiconductor rectifier according to FIG. 1,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen steuerbaren
Halbleitergleichrichter mit vier Leitungszonen, bei
dem die Kathodenzone nicht vollständig kontaktiert 65 in Fig. 1 dargestellten äußeren Widerstandes 8 ist ist, bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter nachFig. 2 shows a cross section through a controllable
Semiconductor rectifier with four line zones, at
which the cathode zone is not fully contacted 65 in Fig. 1 shown external resistor 8, according to a controllable semiconductor rectifier

Fig. 2a eine Draufsicht auf einen steuerbaren F ig. 2 und 2a der Transversalwiderstand der Katho-Halbleiterslcichrichter nach Fi si. 2. denzone 4 in der nicht kontaktierten Kathodenteil-2a shows a plan view of a controllable FIG. 2 and 2a the transverse resistance of the catho-semiconductor rectifier after Fi si. 2. denzone 4 in the non-contacted cathode part

großes Volumen, es wird die Stromdichte erheblich reduziert und die höchstzulässige Stromanstiegsgeschwindigkeit somit beträchtlich gesteigert.large volume, the current density is significantly reduced and the maximum current rate of increase allowed thus considerably increased.

An Hand der Fig. 2 und 2a wird ein steuerbarer Halbleitergleichrichter nach der zweiten Ausführungsform der Erfindung erläutert. Der in F i g. 2 und 2 a dargestellte steuerbare Halbleitergleichrichter hat ebenfalls eine pnpn-Zonenfolge 1, 2, 3, 4. An derWith reference to FIGS. 2 and 2a, a controllable Semiconductor rectifier according to the second embodiment of the invention explained. The in F i g. 2 and 2 a shown controllable semiconductor rectifier also has a pnpn zone sequence 1, 2, 3, 4. At the

doch nur eine Teilzone 12 der Kathodenzone 4. Die nicht köntaktierte Kathodenteilzone 11 ist der auf der p-leitenden Basiszone 3 angebrachten Steuerelektrode 10, welche wiederum mit einem Steueranschlußversehen ist, räumlich näher angeordnet als die kontaktierte Kathodenteilzone 12. An Stelle desbut only a sub-zone 12 of the cathode zone 4. The non-contacted cathode sub-zone 11 is open the p-conducting base zone 3 attached control electrode 10, which in turn is provided with a control connection is, spatially closer than the contacted cathode subzone 12. Instead of the

zone 11 wirksam. Der Zündvorgang breitet sich von der der Steuerelektrode 10 benachbarten, nicht kontaktierten Kathodenteilzone 11 her zu der kontaktierten Kathodenteilzone 12 hin aus. Nach F i g. 2 und 2 a hängen die kontaktierte und die nicht kontaktierte Kathodenteilzone zusammen. .zone 11 effective. The ignition process spreads from that of the non-contacted adjacent to control electrode 10 Cathode subzone 11 out towards the contacted cathode subzone 12. According to FIG. 2 and 2 a the contacted and non-contacted cathode sub-zones are related. .

Die vorstehend beschriebenen Beispiele betreffen Ausführungen eines steuerbaren Halbleitergleichrichters mit einem pnpn-Zonenaufbau, in dem der Zündvorgang von der kathodenbenachbarten Basiszone 3 her erfolgt. Ein steuerbarer Halbleitergleichrichter nach der Erfindung kann ebenso einen npnp-Zonenaufbau aufweisen. Hier bildet die äußere p-leitende Zone 1 die Kathodenzone und die äußere n-leitende Zone 4 die Anodenzone, und es breitet sich der Zündvorgang von der anodenbenachbarten Basiszone 3 her zur Anodenzone 4 aus.The examples described above relate to embodiments of a controllable semiconductor rectifier with a pnpn zone structure, in which the ignition process takes place from the cathode-adjacent base zone 3 takes place here. A controllable semiconductor rectifier according to the invention can also have an npnp zone structure exhibit. Here the outer p-conducting zone 1 forms the cathode zone and the outer n-conducting zone Zone 4 is the anode zone, and the ignition process spreads from the base zone adjacent to the anode 3 to the anode zone 4.

Ferner ist die Erfindung als eine Kombination der beiden an Hand der Fig. 1, la und 2, 2a beschriebenen Lösungen ausführbar, dergestalt also, daß bei einem steuerbaren Halbleitergleichrichter mit einem die Stromanstiegsgeschwindigkeit erhöhenden elektrischen ,Widerstand der nicht kontaktierten Kathodenteilzone nach Fig. 2 und 2a zusätzlich noch ein äußerer Widerstand 8 entsprechend Fig. 1 geschaltet wird, welcher den Transversalwiderstand der Kathodenteilzone 11 überbrückt. Hierbei kann sich sowohl am äußeren Widerstand 8 als auch innerhalb der Kathodenteilzone 11 ein Spannungsabfall ausbilden. Ein steuerbarer Halbleitergleichrichter nach der Erfindung muß nun keineswegs eine nahezu punktförmige oder ringförmige Steuerelektrode 10 aufweisen. Die Steuerelektrode 10 kann vielmehr jede Form haben. Sie kann auch zentral oder peripher angeordnet sein. Ferner kann eine Vielzahl von Steuerelektroden vorhanden sein.Furthermore, the invention is described as a combination of the two with reference to FIGS. 1, la and 2, 2a Solutions executable, so in such a way that with a controllable semiconductor rectifier with an electrical resistance of the uncontacted that increases the rate of increase in current Cathode sub-zone according to FIGS. 2 and 2a also has an external resistor 8 according to FIG. 1 is switched, which bridges the transversal resistance of the cathode sub-zone 11. Here can A voltage drop occurs both at the external resistor 8 and within the cathode subzone 11 form. A controllable semiconductor rectifier according to the invention now by no means has to be one have almost point-shaped or ring-shaped control electrode 10. The control electrode 10 can rather, have any shape. It can also be arranged centrally or peripherally. Furthermore, a Multiple control electrodes may be present.

Schließlich kann auch ein bidirektional steuerbarer Halbleitergleichrichter, bekannt unter der Bezeichnung »Triac«, der eine Fünfzonenstruktur aufweist, nach der Erfindung' ausgeführt werden, und zwar in der Weise, daß sein Anoden- und sein Kathodenteil erfindungsgemäß ausgebildet ist.Finally, a bidirectionally controllable semiconductor rectifier, known under the designation "Triac", which has a five-zone structure, can be carried out according to the invention, namely in the way that its anode and cathode part is designed according to the invention.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

I. . 2 loadable. The first controllable semiconductor rectifier patent claims: were about a nearly, punctiform Steuerelek electrode, which at the periphery or in the center of the

1. Controllable semiconductor rectifier for high cathode or anode on the adjacent base zone Switch-on load capacity is contacted with a semiconductor body 5, ignited. When creating a tax per with at least four zones alternately, however, depulsive to the control electrode is not opposite conduction type and with a cathode that is immediately applied to the entire cathode or anode zone, an anode and one or more ignites and participate in the current flow, but rather Control electrodes, thereby marked - only a limited area thereof. This durchn e t that the cathode and / or the anode io ignited area is in the immediate vicinity of the zone made of contacted spatially from one another control electrode. When the anoderite race climbs very steeply Cathode or anode sub-zones (4, 6) are very concentrated in this area there is that the cathode (5) and / or the large energy density that when exceeding a Anode to a first. Cathode or anode maximum permissible value for local melting partial zone (4) is connected, that the further (s) 15 of the semiconductor rectifier and thus to its ZerKathoden- or anode subzone (s) (6) leads to the disturbance.

or in each case to a control electrode (10). Controllable semiconductor rectifiers are known,

Closer than the first cathode or anode, where the control electrode is a multitude of individual ones

partial zone (4) is (are) and that the further (s) control electrode contacts of certain shapes Cathode or anode sub-zone (s) (6) over (each) 20 in order to achieve that a larger area

an external resistor (8) with the cathode of the cathode or anode zone at the beginning

(5) or the anode is (are) connected. of the ignition process becomes live. It can be

2. Controllable semiconductor rectifier for high but an increase in the switch-on load capacity Switch-on load capacity with at least four zones through several control electrode contacts or alternately opposite conduction type and 25, for example, an annular cathode or the with a cathode, an anode and a control electrode enclosing or anode only then multiply Control electrodes, marked when the switch-on delay time for all controls that the cathode and / or the electrode contacts are of the same size. But this is only Anode zone (4) is only partially contacted, that is the case when the zones are of equal thickness and the

. one or more of the uncontacted catho- 30 Lifespan of the charge carriers in the zones

den- or anode sub-zones (11) to which or all are the same size. With large controllable

However, in each case to a control electrode (10) spatially semiconductor rectifiers, this is practically never

are arranged closer than the contacted the case.

Cathode or anode subzone (12) and that The invention relates to a controllable semiconductor

the electrical resistance of the non-contact rectifier for high switch-on load capacity with

th cathode or anode sub-zone (s) (11) for a semiconductor body with at least four zones

between the control electrode or electrodes (10) alternately opposite conduction type and with

and the contacted cathode or anode part - a cathode, an anode and one or more

zone (12) flowing control current is sized to control electrodes.

that he the permissible current rise speed 40 The invention is based on the object

the ability of the load current between the cathode and the controllable semiconductor rectifier to be designed in such a way that

Anode increased. . that regardless of the nature of the zones,

3. Controllable semiconductor rectifier after arrival. especially their homogeneity, one in comparison claim 1 or 2. characterized in that to known controllable semiconductor rectifiers the value of the electrical resistance (8 or 45 much faster propagation of the ignition process 11) is possible at least on the order of magnitude of the total from the control electrode. Resistance (9) of the load circuit is. One solution to this problem is

4. Controllable semiconductor rectifier according to the fact that the cathode and / or the Claim 3, characterized in that the outer anode zone contacted spatially from one another Resistance (8) represents an impedance. 50 separate cathode and anode sub-zones exist,

5. Controllable semiconductor rectifier after that the cathode and / or the anode to a first one of claims 2 to 4, characterized in that the cathode or anode sub-zone is connected, indicates that the non-contacted cathodes - that the further cathode or anode sub-zone (s) or anode sub-zone (s) (11) by an outer to the or to a respective control electrode spacing resistance (8) is (are) bridged. 55 Hch closer than the first cathode or anode sub-zone Hegt (lie), and that the further (n) Kathodenbzw. Anode subzone (s) over (each) an outer one

Resistance is (are) connected to the cathode or the anode.

• 60 A second solution to this problem consists of

Controllable semiconductor rectifiers also come in that the cathode and / Circuit technology to an ever increasing extent to or the anode zone is only partially contacted, Use, and the demands placed on them, that one or more of the not contacted z. B. shorter switch-on time and correspondingly higher cathode or anode sub-zones to the or each Switch-on load capacity when used in high-power inverters 65 spatially closer to a control electrode, are getting bigger all the time. net than the contacted cathode or anode

Due to their technical structure are controllable sub-zone, and that the electrical resistance of the Semiconductor rectifier only limited thermally non-contacted cathode or anode part