DE1489931C - Thyristor - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Thyristor mit zwei Hauptelektroden, deren Kontaktflächen voneinander einen Abstand aufweisen, und mit einem zwischen diesen Hauptelektroden angeordneten Halbleiterscheibchen aus mehreren aufeinanderfolgenden Schichten von jeweils abwechselnd verschiedenem Leitungstyp, wobei die eine Endschicht des Halbleiterscheibchens ein Hauptgebiet mit einer an die Kontaktfläche der einen Hauptelektrode angrenzenden Fläche von im wesentlichen gleicher Erstreckung wie diese Kontaktfläche sowie mindestens ein zwischen diesem Hauptgebiet und einer an einer der Zwischenschichten angeschlossenen Steuerelektrode angeordnetes Nebengebiet aufweist, und wobei die andere Endschicht des Halbleiterscheibchens mit der Kontaktfläche der anderen Hauptelektrode verbunden ist.

Bei einem derartigen Thyristor dient das in der einen Endschicht vorgesehene Nebengebiet dazu, eine möglichst rasche Ausbreitung des zwischen den beiden Hauptelektroden einzuleitenden Anodenstroms über die gesamte Fläche des Halbleiterscheibchens zu erreichen, um eine punktförmige Erwärmung des Halbleiterscheibchens zu vermeiden.

Thyristoren, insbesondere Silicium-Thyristoren, die auch steuerbare Siliciumgleichrichter oder Halbleiter-Thyratrons genannt werden, ohne besondere Ausbildung der einen Endschicht, sind seit langem bekannt. Solche Thyristoren bestehen hauptsächlich aus einem Körper, insbesondere einem Scheibchen, aus dem Halbleitermaterial Silicium, wobei dieser Körper dann vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, die unter Bildung dreier PN-Übergänge hintereinander angeordnet sind. Bei all diesen Thyristoren befinden sich die beiden stromführenden Hauptelektroden (Anode und Kathode) in niederohmigem ohmschen Kontakt mit der im wesentlichen gesamten Fläche der beiden Endschichten des Halbleiterkörpers oder -scheibchens und es ist mindestens eine Steuerelektrode mittels eines ohmschen Kontaktes an eine zugängliche Zwischenschicht des Halbleiterkörpers oder -scheibchens angeschlossen. Wenn der Thyristor in einen energiegespeisten elektrischen Stromkreis eingeschaltet ist, dann sperrt er normalerweise den Stromfluß in der Durchlaßrichtung zwischen Anode und Kathode, außer wenn der Steuerelektrode ein kleiner Strom geeigneter Größe und Dauer zugeführt wird. Der Aufbau und die Funktionsweise von Thyristoren, ebenso wie ihre Beschränkungen, sind in der Theorie und Praxis allgemein bekannt.

Eine der Beschränkungen der seit langem bekannten Thyristoren ist darin zu sehen, daß sie außerstande sind, sehr starken Anodenstromanstiegen beim Einschaltvorgang (Einschaltstrom, Steilheit oder di/dt) sicher standzuhalten. Ein üblicher bekannter Thyristor kann beispielsweise dann zerstört werden, wenn beim Schalten aus einer Vorwärtssperrspannung von 700VoIt der Faktor di/dt nicht durch eine im äußeren Laststromkreis eingeschaltete Drossel oder ein anderes Strombegrenzungsmittel auf einen Wert von weniger als 50 Ampere/Mikrosekunde beschränkt wird. Höhere dzVdi-Werte werden jedoch für manche in Aussicht genommene Anwendungen des Thyristors benötigt und sind auf jeden Fall wegen der Verminderung der räumlichen Abmessungen und der Kosten für die äußeren Strombegrenzungsmittel wünschenswert.

Es wurde gefunden, daß ein Thyristor versagt, wenn das dz'/di zu groß wird, weil in einem solchen

Fall, wie bereits oben erwähnt, eine örtliche Überhitzung im Halbleiterkörper oder -scheibchen an einer Stelle in der Nähe des Steuerelektrodenkontakts auftritt. Die örtliche Überhitzung tritt an derjenigen Stelle auf, an der die Stromleitung einsetzt und diese Stelle brennt durch, wenn die dort durch eine hohe anfängliche Stromdichte erzeugte Wärme den Wert nennenswert übersteigt, bei dem noch eine sichere Wärmeableitung möglich ist. Diese örtliche Erhitzung wird außerdem durch die Größe der angelegten Spannung beeinflußt. Das maximal zulässige di/dt eines Thyristors erniedrigt sich daher mit steigender Vorwärtsspannung. Bei hohen Schaltfrequenzen, beispielsweise oberhalb 400 Einschalt-Ausschalt-Zyklen pro Sekunde, verschlechtert sich die Einschaltstromsteilheit infolge kumulativer Erhitzungsstellen noch mehr.

Wenn ein Thyristor jeweils nur verhältnismäßig kurzzeitig Vorwärtsstrom führen soll, wie z. B. bei HF-Wechselrichtern, so kann die Größe des beim Einschaltvorgang auftretenden df/df die Ausschaltleistüüg des Thyristors nachteilig beeinflussen. In diesem Fall hat die Erhitzungsstelle nicht genügend Zeit, sich vor Einsetzen des Ausschaltvorganges abzukühlen, und die erhöhte Temperatur trägt dazu bei, daß der Thyristor an dieser Stelle überschlägt. Es wurde gefunden, daß bei kurzzeitigen Durchlaßströmen beträchtlicher Stärke (beispielsweise Stromimpulsen von 100 Mikrosekunden Dauer und 300 Ampere Stärke) die Ausschaltzeit der vorbekannten Thyristoren eine direkte Funktion des Einschalt-dj/di ist.

Ein Teil der bisherigen Bemühungen, die dz'/di-Grenzwerte von Thyristoren zu erhöhen, führte dazu, daß die minimalen Ausschaltzeiten sich in unerwünschter Weise verlängerten.

Andererseits wurden zur Erhöhung der di/dt-Grenzwerte Thyristoren in der eingangs erwähnten Weise ausgebildet. Bei solchen Thyristoren ist die eine Endschicht nicht vollständig von der angrenzenden Hauptelektrode überdeckt, wodurch das Hauptgebiet und das Nebengebiet gebildet werden. Bei diesen bekannten Thyristoren geht das also in der Endschicht gebildete Hauptgebiet direkt in das Nebengebiet über, ohne daß die Endschicht in ihrer Struktur irgendwie geändert ist. Der Unterschied zwischen den beiden Gebieten ist, wie schon erwähnt, nur dadurch gegeben, daß sich über dem Nebengebiet kein Teil der Hauptelektrode befindet. Mit einem solchen Aufbau läßt sich zwar der Stromanstieg di/dt schön gegenüber den bisher bekannten Anordnungen verbessern, indem der Anodenstrom sich verhältnismäßig rasch über die gesamte Fläche des Halbleiterscheibchens ausbreitet, so daß eine punktartige Erwärmung weitgehend vermieden wird. Für hohe Anforderungen genügt jedoch ein derartiger Aufbau nicht.

Es ist andererseits bereits ein Thyristor bekannt, dessen eine an sich kreisförmige Hauptelektrode eine Ausbuchtung in Richtung auf die Steuerelektrode aufweist. Diese Ausbuchtung, die beispielsweise fin* gerartig sein kann, dient dazu, den zugeführten Steu" erstrom vollständig zu übernehmen, damit der Thyristor bereits auf relativ kleine Steuerströme anspricht.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor mit einem hohen di/dt zu schaffen, mit dem bei großen Strömen und Spannungen auch bei hohen Frequenzen noch ein einwandfreier Betrieb möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Thyristor der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß das Nebengebiet durch eine es gegenüber dem Hauptgebiet absetzende, einen größeren Querwiderstand ergebende 5 Oberflächendiskontinuität der Endschicht gebildet ist.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung breitet sich der Anodenstrom wegen des größeren Qüerwiderstands der öberflächendiskontinuität rasch über defl

ίο. gesamten Querschnitt des Thyristors aus. Damit wird eine punktartige Erwärmung des Thyristors vermieden.

Thyristoren nach der Erfindung eignen sich für einen Betrieb mit verhältnismäßig hohen Strömen und hohen Spannungen. Sie weisen bessere Ein- und Ausschalteigenschaften als bekannte Thyristoren auf und ermöglichen einen einwandfreien Betrieb bei höheren Schaltfrequenzen. Durch die erfmdürigsgemäße Lehre wird beispielsweise die Herstellung von Siliciumthyristoren möglich, deren d z7 d f-Grenzwert Um mehr als das Zehnfache größer ist als der im Handel erhältlichen Thyristoren.

Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielshalber be-

schrieben. Dabei zeigt

F i g. 1 das Schaltschema eines Thyristors in einem elektrischen Stromkreis,

F i g. 2 eine teilweise im Schnitt und nicht maßstabgerecht dargestellte, vergrößerte Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines Siliciumthyristors nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Thyristor nach der Fig. 2,

F i g. 4 eine Draufsicht auf einen Thyristor nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 5 und 6 einen Schnitt mit einer teilweiseii Seitenansicht bzw. eine Draufsicht auf einen Thyristor nach einer weiteren Ausführüngsform der Erfindung und

_t Fi g. 7 ein schematisches Ersatzschaltbild des Thyristors nach der Erfindung in seiner bevorzugten Ausführungsform.

Der elektrische Stromkreis nach der F i g. 1 besteht aus der Reihenschaltung einer durch die Klemmen 33 und 34 angedeuteten Stromquelle, einer Last 35, des Anodenanschlusses 12 und Kathodenanschlusses 25 eines Thyristors und einem Strombegrenzungsmittel 36. Ein Einschaltsignal wird der Steuerelektrode des Thyristors von einer Stromquelle zugeleitet, die in

Fig. 1 durch die Klemmen 37 und 38 dargestellt ist, die an eine Zuleitung 27 zur Steuerelektrode bzw. an einen mit der Kathode verbundenen leitenden Teil 23 des Thyristors angeschlossen sind. Wenn am Thyristor eine Sperrspannung in der Vorwärtsrichtung (Anode positiv) liegt, kann durch Anlegen eines entsprechenden Stromes an die Klemmen 37 und 38 der Kathodenstrom so weit erhöht werden, daß der Thyristor vom gesperrten (ausgeschalteten) in den leitenden (eingeschalteten) Zustand schaltet, woraufhin die Steuerelektrode so lange ihre Steuerwirkung verliert, bis der Laststrom des Thyristors anschließend unter den Wert des Haltestromes absinkt und der Thyristor wieder in den Sperrzustand zurückfällt. Ein für Lastströme von mehreren 100 Ampere bemessener Thyristör kann durch Anlegen eines schwachen Steuersignals von weniger als ¹Ao Ampere an seine Steuerelektrode eingeschaltet werden.
Wie bereits erwähnt, darf der Laststrom eines Thy-

Das angrenzende Nebengebiet B, das klein gegenüber dem Hauptgebiet A ist, verläuft zwischen dem Hauptgebiet A und der Steuerelektrode 47. Da es seitlich gegenüber der Kontaktfläche 45 α versetzt ist, hat das Nebengebiet B keine Berührung mit der Hauptelektrode 45.

Das Nebengebiet B ist so ausgebildet und angeordnet, daß beim Einschalten des Thyristors 15 durch Anlegen eines Signals an die Steuerelektrode 47 der

ristors beim Einschaltvorgang eine bestimmte maximale Anstiegssteilheit (di/dt) nicht überschreiten. Im Laststromkreis des Thyristors ist daher eine entsprechende Induktivität 36 vorgesehen. Ein derartiges Strombegrenzungsmittel ist häufig unerwünscht wegen der Kosten und des Platzbedarfs, die damit verbunden sind und wegen der dadurch verlängerten Einschaltzeit. Das Strombegrenzungsmittel könnte wegfallen oder erheblich kleiner bemessen werden,

wenn man einen Thyristor verwendet, der für ein ver- io Laststrom anfänglich dieses Gebiet durchsetzt und zu hältnismäßig hohes di/dt bemessen ist. Dieser Vor- einem erheblichen Teil unmittelbar auf einen hierzu teil wird mit einem Thyristor nach der Erfindung er- parallelen Weg durch die angrenzende Zwischenreicht. . schicht 42 des Siliciumscheibchens und durch den

Ein Thyristor nach einer bevorzugten Ausfüh- PN-Übergang zwischen der Zwischenschicht 42 und rungsform der Erfindung ist in F i g. 2 und 3 veran- 15 dem Hauptgebiet A der Endschicht 41 überspringt, schaulicht. Der dort gezeigte Thyristor 15 besteht aus Unter »erheblicher Teil« ist dabei ein Strom zu vereinem Siliciumscheibchen mit vier verhältnismäßig stehen, der genügend stark ist, um als auslösendes dünnen, runden Schichten 41, 42, 43 und 44, die hin- Steuersignal für den unter der Kontaktfläche 45 a der tereinander angeordnet sind, wobei die aneinander Hauptelektrode 45 liegenden Teil des Siliciumscheibangrenzenden Schichten jeweils verschiedenen Lei- 20 chens zu wirken, während der Laststrom noch auf tungstyp haben. Beispielsweise ist die Endschicht 41 das verhältnismäßig kleine, anfänglich geschaltete N-leitend, die daran angrenzende Zwischenschicht 42 Nebengebiet B beschränkt ist. Wie später an Hand P-leitend, die nächstfolgende Zwischenschicht 43 der F i g. 7 erklärt werden wird, wird dieses nahezu N-leitend und die andere Endschicht 44 N-leitend. augenblickliche Überspringen des Laststromes vom Die Grenzflächen zwischen den benachbarten Schich- 25 Nebengebiet B der Endschicht 41 auf den Parallelten des Siliciumscheibchens bilden daher jeweils weg über den PN-Übergang zwischen dem Hauptge-

PN-Übergänge. Dieses NPNP-Siliciumscheibchen ist zwischen zwei stromführenden Hauptelektroden 45 und 46 mit parallelen, voneinander einen Abstand aufweisenden Kontaktflächen 45 a bzw. 46 a

biet A und der Zwischenschicht 42 durch einen verhältnismäßig hohen Querwiderstand im anfänglichen Stromweg durch das Nebengebiet B bewirkt und als

an- 30 Folge davon ergibt sich ein Einschaltvorgang mit geordnet. Die Kontaktfläche 46 α der Hauptelektrode doppelter Auslösung, bei dem die örtliche Erhitzung 46 liegt auf der P-leitenden Endschicht 44 des Silici- im Siliciumscheibchen vermieden wird,
umscheibchens auf und ist mit dieser so verbunden, Während man dieses Ergebnis dadurch erreichen

daß sie einen ohmschen (niederohmigen) Kontakt da- kann, daß man die elektrischen Eigenschaften des mit bildet, der als Anode des Thyristors arbeitet. Die 35 Nebengebietes B gegenüber denen des Hauptgebie-Kontaktfläche 45 α der Hauptelektrode 45 ist in ent- tes A verändert, bedient man sich erfindungsgemäß sprechender Weise mit der N-leitenden Endschicht 41 hierzu vorzugsweise geometrischer Effekte. So ist in des Siliciumscheibchens verbunden und arbeitet als den Fig. 2 und 3 zu sehen, daß die Kontaktfläche Kathode des Thyristors. Ein zugänglicher Teil der 45 a der Hauptelektrode 45 ebenso wie die angren-P-leitenden Zwischenschicht 42 und die Steuerelektro- 40 zende Oberfläche des Hauptgebiets A der kreisf ördenzuleitung 16 des Thyristors 15 sind mittels einer migen Endschicht 41 des Siliciumscheibchens unrund dicht bei der N-leitenden Endschicht 41 angeordne- und unsymmetrisch ausgebildet ist. Das Nebengeten Steuerelektrode 47 ohmisch miteinander verbun- biet B reicht seitlich über den Rand der Kontaktden. fläche 45 a hinaus, und zwar um eine Strecke von

In der Technologie der Transistoren und Thyristo- 45 mindestens 0,051 mm, gemessen vom Umfang des ren sind eine Reihe von verschiedenen Methoden be- Hauptgebietes A zur Steuerelektrode 47. Die Dicke kannt, die sich sämtlich für die Herstellung des Thy- des Nebengebietes B ist beträchtlich verringert und ristors 15 nach den F i g. 2 und 3 eignen. Typische beträgt nicht mehr als 90 % der Dicke des angrenzen-Kenndaten und Abmessungen sind nachstehend an- den Teils des Hauptgebietes A, so daß der Quergegeben. Während in der F i g. 2 die verschiedenen 50 widerstand des Nebengebietes B erheblich größer ist Schichtgrenzflächen des Thyristors durch dünne aus- als der irgendeines Teils des Hauptgebietes A von

gezogene Linien — und die Schichten selbst durch Schraffierung — angedeutet sind, sind in Wirklichkeit diese Grenzflächen natürlich genau genommen keine derartigen ebenen Flächen.

Um das maximale di/dt, das der Thyristor 15 sicher zu verarbeiten vermag, gegenüber den bei vorbekannten Thyristoren erhältlichen Werten zu erhöhen, ist die Endschicht 41 des Siliciumscheibchens aus

entsprechender Querabmessung (»Dicke« bedeutet die Abmessung eines Gebietes parallel zur Richtung des Hauptstromflusses zwischen den Hauptelektroden 45 und 46, während »seitlich« oder »quer« die hierzu senkrechte Richtung bedeutet).

Bei dieser Ausbildung bewirkt derjenige Strom, der beim Einschalten des Thyristors durch Anlegen eines Signals an der Steuerelektrode 47 das verhältnismä-

zwei seitlich aneinander grenzenden Teilen zusam- 60 ßig dünne Nebengebiet B durchsetzt, daß sich in der

mengesetzt. In den Fig. 2 und 3 sind diese Teile durch die Bezugsbuchstaben A und B angedeutet, wobei im folgenden der Teil A als das Hauptgebiet und der Teilß als das Nebengebiet der Endscnicht 41 bezeichnet werden soll. Die Hauptelektrode 45 ist Iediglich mit dem Hauptgebiet A verbunden, dessen eine Hauptfläche an der gesamten Kontaktfläche 45 a anliegt.

Endschicht 41 zwischen dem Hauptgebiet A und dem der Steuerelektrode 47 am nächsten befindlichen Rand des Nebengebietes B ein Spannungsabfall erheblicher Größe ausbildet.

Der nützliche Effekt dieses Spannungsabfalls wird noch ersichtlich werden. In der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildete Thyristoren zeigen deutlich verbesserte d ζ / d r-Grenzwerte. Beispielsweise konnten

in dieser Weise ausgebildete Thyristoren ein ail at von 1500 Ampere/Mikrosekunde verarbeiten und bei einer Vorwärtssperrspannung von 700 Volt erfolgreich eingeschaltet werden. Nachstehend sind zur Erläuterung typische Kenndaten und Abmessungen eines solchen Thyristors angegeben.

Die N-leitende Zwischenschicht 43 des Siliciumscheibchens des Thyristors 15 ist eine Schicht aus phosphordotiertem Silicium mit einem spezifischen Widerstand von 40 Ohm cm, einem Durchmesser von 2,54 cm und einer Dicke von 0,127 mm. Die beiderseits dieser Schicht 43 angeordneten P-leitenden Schichten 42 und 44 sind 0,076 mm dicke galliumdif- , fundierte Siliciumschichten mit einer Oberflächenkonzentration an Gallium von 10¹⁹ Atomen pro cm³ Auf die Oberfläche der P-leitenden Endschicht 44 ist die Hauptelektrode 46 aus Aluminium auflegiert, und auf die P-leitende Zwischenschicht 42 ist die 0,025 mm dicke N-leitende Endschicht 41 aus antimondotiertem Silicium (mit einer einheitlichen Konzentration von 10¹⁸ Antimonatomen pro cm³) auflegiert. Die Endschicht 41 hat einen Durchmesser von ungefähr 15,9 mm und ist konzentrisch auf der angrenzenden Zwischenschicht 42 angeordnet, wobei die Endschicht 41 in die Zwischenschicht 42 eingesenkt ist, so daß die Dicke des unter ihr befindlichen P-Halbleitermaterials der Zwischenschicht 42 nur ungefähr 0,038 mm beträgt.

Die andere Hauptelektrode 45 des Thyristors 15 besteht aus einer mit der N-leitenden Endschicht 41 verbundenen Gold-Antimon-Scheibe, von deren Umfang ein Teil weggeätzt ist. Der Ätzvorgang wird so gesteuert, daß auch ein Teil der durch Ätzen der Hauptelektrode 45 freigelegten Oberfläche der Endschicht 41 entfernt wird. Wie in den F i g. 2 und 3 angedeutet, bildet der restliche frei liegende Teil der Endschicht 41 deren Nebengebiet B, das eine maximale Dicke von ungefähr 0,01 mm hat und seitlich ungefähr 1,6 mm vom Hauptgebiet A der ursprünglichen Endschicht 41 vorsteht. Eine Steuerelektrodenzuleitung 16 aus Aluminium ist bei 47 an die P-Zwischenschicht 42 des Siliciumscheibchens nahe dem äußeren Rand des verhältnismäßig dünnen Nebengebietes B angeschweißt, wobei der kürzeste Abstand hiervon ungefähr 0,38 mm beträgt.

Wenn der Steuerelektrode 47 ein schwaches Steuersignal zugeführt wird und der Thyristor 15 anfängt einen Laststrom zu leiten, den ein Laststromkreis abgibt, in welchem der Laststrom mit einer Geschwindigkeit von 1500 Ampere/Mikrosekunde ansteigen kann, fällt die Spannung an den Hauptelektroden 45 und 46 abrupt vom Vorwärtssperrspannungswert von 700 Volt auf ungefähr 400 Volt ab, und eine momentane Spannungsdifferenz von ungefähr 300 Volt kann zwischen der Hauptelektrode 45 und dem Steuerelektrodenkontakt 47 gemessen werden. Ungefähr 0,3 Mikrosekunden nach dem Einsetzen der Stromleitung findet im Thyristor 15 ein weiterer Schaltvorgang statt, woraufhin der Spannungsabfall zwischen der Steuerelektrode und der Hauptelektrode 45 zusammenbricht, und die Spannung zwischen den Hauptelektroden 45 und 46 verhältnismäßig rasch auf den Wert des charakteristischen Vorwärtsspannungsabfalls des Thyristors im voll eingeschalteten Zustand absinkt. Während dieses letzteren Intervalls breitet sich der Laststrom seitwärts vom Umfangsabschnitt des Hauptgebiets A der Endschicht 41 über den gesamten Bereich des PN-Übergangs zwischen den Zwischenschichten 41 und 42 aus, bis ein Zustand gleichmäßiger Stromdichte erreicht und der Thyristor voll eingeschaltet ist.

Thyristoren nach weiteren zweckmäßigen Ausführungsformen der Erfindung sind in den F i g. 4 bis 6 gezeigt. In der F i g. 4 weist die runde Endschicht 41 des Thyristors 15 a außer dem Nebengebiet B ein zweites, verhältnismäßig dünnes Nebengebiet C auf, das ähnlich ausgebildet ist wie das an Hand der Ausbildung des Thyristors nach den F i g. 2 und 3 beschriebene Nebengebiet B, jedoch auf der diametral gegenüberliegenden Seite der Endschicht 41 angeordnet ist. Über dem Nebengebiet C ist ein Umfangsteil der Hauptelektrode 45 b des Thyristors 15 α entfernt, so daß dieses Nebengebiet C ebenfalls keine Verbindung mit der Hauptelektrode 45 δ hat. Das Nebengebiet C ist zwischen dem Hauptgebiet A (dem Teil der Endschicht 41, auf dem die Hauptelektrode 45 b aufliegt) und einer zweiten Steuerelektrode 48, der mit der angrenzenden Zwischenschicht 42 verbunden ist, angeordnet. Mittels eines Zuleitungsdrahtes 49 kann die Steuerelektrode 48 elektrisch an entweder die Steuerelektrodenzuleitung 16 oder eine betrennte Steuerelektrodenstromquelle (nicht gezeigt) angeschlossen werden, oder aber man kann diese Steuerelektrode 48, wie durch die gestrichelte Linie 50 in der F i g. 4 angedeutet, mit einer dritten Steuerelektrode 51 verbinden, der auf der gleichen Zwischenschicht 42 nahe beim äußeren Rand des Nebengebietes B vorgesehen ist. Im übrigen ist der Thyristor 15 α nach der F i g. 4 gleich ausgebildet wie der in den F i g. 2 und 3 gezeigte Thyristor 15.

Durch das Vorhandensein mindestens einer zusätzlichen Steuerelektrode 48 und den bei Anlegen eines Signals an diese Elektrode bewirkten Steuervorgang wird die Ausbreitung des Laststromes im Thyristor 15 a während des Einschaltvorganges beschleunigt, wodurch sich die Schalteigenschaften des Thyristors nach der Erfindung weiter verbessern. Die gleichzeitige Steuerwirkung an den beiden Steuerelektroden wird dadurch erreicht, daß letztere in der gezeigten Weise miteinander verbunden sind. Sie ergibt sich aus der beträchtlichen Potentialdifferenz, die sich augenblicklich an dem Nebengebiet entwickelt, das die jeweils als erstes den Thyristor schaltende Steuerelektrode benachbart ist. Diese Potentialdifferenz erzeugt augenblicklich an der gegenüberliegenden Steuerelektrode ein verhältnismäßig kräftiges Steuersignal, das dort die Einschaltung erzwingt. Wenn das Steuersignal für die zweite Steuerelektrode 48 von der dritten Steuerelektrode 51 ohne Direktverbindung mit der ersten Steuerelektrode 47 abgenommen wird, kann man das Nebengebiet C weglassen, da der durch die zweite Steuerelektrode ausgelöste Steuervorgang stets zu einem Zeitpunkt stattfindet, in dem die angelegte Spannung (und folglich die mit diesem Steuervorgang verbundene Erhitzung) sich stark verringert hat.

Der in der F i g. 4 gezeigte Thyristor 15 α kann dadurch weiter abgewandelt werden, daß man das verhältnismäßig dünne Nebengebiet B ringförmig ausbildet, wie durch den gestrichelten Kreis 52 angedeutet. Bei dieser Ausführungsform liegt die rund ausgebildete Hauptelektrode 45 b lediglich auf demjenigen Teil (dem Hauptgebiet A) der Endschicht 41 auf, der durch die gestrichelte Linie 52 umschlossen ist. Das Nebengebiet B umgibt das Hauptgebiet A.

Eine oder mehrere Steuerelektroden können verwendet werden. Es wird angenommen, daß durch

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diese Ausbildung die Ausschalteigenschaften des Thyristors verbessert werden.

Bei dem in den F i g. 5 und 6 gezeigten Thyristor nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht die N-leitende Endschicht des Thyristors 15 b aus einem Hauptgebiet A und einem seitlich daneben in einem Abstand angeordneten verhältnismäßig kleinen Nebengebiet B. Das Hauptgebiet A hat eine mit der Hauptelektrode 45 c gleichverlaufende und daran anstoßende Oberfläche, während das Nebengebiet B seitlich hiervon versetzt ist. Wie in den F i g. 5 und 6 gezeichnet, ist das Nebengebiet B, wie die entsprechenden Nebengebiete der zuvor beschriebenen Ausführungsformen von Thyristoren, durch eine Oberflächendiskontinuität in bezug auf das Hauptgebiet A abgesetzt, wobei jedoch in der Ausbildung des Thyristors nach den F i g. 5 und 6 der erhöhte Querwiderstand des Nebengebiets B durch Anbringen einer Lücke in der Endschicht statt durch Verringern der Schichtdicke erhalten wird. Die Steuerelektrodenzuleitung 16 ist an die P-leitende Zwischenschicht des Thyristors 15 b nahe dem Nebengebiet B angeschlossen.

Der Thyristor 15 b wird eingeschaltet, indem man ein entsprechendes Steuersignal zwischen die Steuerelektrode 16 und entweder die Hauptelektrode 45 c oder eine weitere Steuerelektrodenzuleitung 53 legt, die an einen ohmschen Kontakt (in der F i g. 5 gestrichelt gezeigt), der gewünschtenfalls mit der freiliegenden Fläche des Nebengebiets B verbunden sein kann, angeschlossen ist. Die zuletzt genannte Anordnung, bei der eine Steuerelektrodenzuleitung an einem ohmschen Kontakt befestigt ist, der auf einem von dem Hauptgebiet durch eine Lücke getrennten Nebengebiet aufsitzt, ist bereits bei einem Thyristor bekannt. Allerdings kontaktiert bei dieser Anordnung die auf dem Hauptgebiet sitzende Elektrode auch noch einen Teil der angrenzenden Zwischenschicht. Beim Einschalten auf die eine oder andere Art, durchsetzt der Laststrom anfänglich das Nebengebiet B, wobei er sich verhältnismäßig dicht bei der an dieses Gebiet angrenzenden P-leitenden Zwischenschicht konzentriert. Und zwar fließt dieser Strom längs der Oberfläche der angrenzenden P-leitenden Zwischenschicht unter Überbrückung der Lücke in der N-leitenden Endschicht. Dies hat zur Folge, daß ein erheblicher Teil des Laststroms unmittelbar auf einen Weg durch die angrenzende Zwischenschicht und den PN-Übergang zwischen dieser Zwischenschicht und dem Hauptgebiet A der Endschicht überspringt. Dieser überspringende Stromanteil wirkt als verhältnismäßig starkes Steuersignal für den unter der Hauptelektrode 45 c liegenden Teil des Thyristors 15 b.

Der doppeltgesteuerte Einschaltvorgang des Thyristors nach der Erfindung in seinen verschiedenen Ausführungsformen läßt sich am besten an Hand der F i g. 7 veranschaulichen. Im Prinzip besteht der Thyristor nach der Erfindung aus zwei parallel Seite an Seite angeordneten NPNP-Schichtenfolgen 61 und 62, wobei die einander entsprechenden Schichten der beiden Schichtenfolgen untereinander verbunden sind. Die Schichtenfolge 61 hat keine Hauptelektrode, und ihre Quererstreckung ist sehr klein gegenüber der der Schichtenfolge 62. Das N-Ieitende Nebengebiet B der Schichtenfolge 61 ist durch einen verhältnismäßig hohen Querwiderstand (in der F i g. 7 schematisch bei R angedeutet) gekennzeichnet und näher als irgendein Teil des entsprechenden Hauptgebietes A der Schichtenfolge 62 bei der an eine Zwischenschicht der Schichtenfolge 61 angeschlossenen Steuerelektrode angeordnet. (Bei der Ausführungsform nach den F i g. 5 und 6 ist R unendlich groß.)

Wird der Thyristor mit seinen Hauptelektroden in einen Laststromkreis geschaltet und an ihn eine Vor* wärtsspannung gelegt, so erfolgt das Einschalten

ίο durch Zuführen eines verhältnismäßig schwachen Steuersignals an der Steuerelektrode. Unter der Voraussetzung, daß die Steuerelektrode an die P-leitende Zwischenschicht des Thyristors angeschlossen ist, hat dieses Steuersignal eine solche Polarität, daß der Strom in der Vorwärtsrichtung durch den PN-Übergang zwischen P-leitender Zwischenschicht und angrenzender Endschicht ansteigt. (Man kann auch, wie bei 66 in der F i g. 7 angedeutet, eine Steuerelektrode an der N-leitenden Zwischenschicht verwenden, in welchem Falle das Steuersignal negativ in bezug auf die Hauptelektrode an der zur N-leitenden Zwischenschicht benachbarten P-leitenden Endschicht sein muß, so daß der Vorwärtsstrom durch den PN-Übergang zwischen N-leitende Zwischenschicht und angrenzende Endschicht erhöht wird.) Dadurch wird der Thyristor geschaltet, und ein Laststrom viel größerer Stärke setzt sehr rasch ein.

Die Laststromleitung des Thyristors setzt lediglich in einem sehr kleinflächigen Bereich an der Steuerelektrode ein, wie durch die gestrichelte Linie 63 in der F i g. 7 angedeutet. Somit wird die Schichtenfolge 61 kleiner Querausdehnung zuerst eingeschaltet und der Laststrom muß das Nebengebiet B durchsetzen, um die Hauptelektrode an der das Nebengebiet B enthaltenden Endschicht zu erreichen, wie durch den horizontalen Abschnitt 63 α der Linie 63 angedeutet. In dem Maße, wie dieser Laststrom anfänglich den Querwiderstand R des Nebengebietes B durchfließt, entwickelt sich an diesem Widerstand ein Spannungsabfall V, und eine Potentialdifferenz erheblicher Größe erscheint zwischen dem Hauptgebiet A und dem der Steuerelektrode am nächsten befindlichen Rand des Nebengebietes B. Unter »erheblicher Größe« ist hier eine Größe von ungefähr 20 Volt oder mehr zu verstehen, wobei die tatsächliche Größe des Werts dieses Spannungsabfalls teilweise von äußeren Schaltungsdaten abhängt.

Der Querwiderstand R zwingt einen erheblichen Teil des Laststromes 63 a, der anfänglich das Nebengebiet B durchsetzt, unmittelbar auf einen Parallelweg 64 durch die angrenzende P-leitende Zwischenschicht und den PN-Übergang zwischen ihr und dem N-leitenden Hauptgebiet B der Schichtenfolge 62 überzuspringen. Dieser übergesprungene Stromanteil wirkt sich in der Schichtenfolge 62 wie ein verhältnismäßig kräftiger Steuerimpuls aus, wodurch die Einschaltung der Schichtenfolge 62 vorbereitet wird. Der Laststrom springt jetzt abrupt vom zuerst geschalteten kleinflächigen Bereich des Laststromweges 63 auf einen breiteren Flächenbereich des Thyristors nahe dem Umfang des Hauptgebietes A über, wie durch die strichpunktierte Linie 65 in der F i g. 8 angedeutet. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannungsdifferenz V vernachlässigbar klein, und der Laststrom beginnt sich sehr rasch seitwärts über die gesamte Fläche der Schichtenfolge 62 auszubreiten.

Durch den oben beschriebenen Zweischritt-Schaltvorgang wird die örtliche Erhitzung des Thyristors

bei verhältnismäßig großem Einschalt-cU/di verringert. Der zuerst geschaltete kleinflächige Bereich des Laststromweges 63 leitet kurzzeitiger den Laststrom als bei den vorbekannten Thyristoren. Ferner bewirkt der momentan entwickelte Spannungsabfall V eine Verringerung der Spannung an der Induktivität des Laststromkreises, wodurch die anfängliche Geschwindigkeit des Stromanstiegs begrenzt und die längs des Laststromweges 63 abfallende Spannung um einen gleichen Betrag verringert wird. Alle diese Faktoren tragen dazu bei, daß in dem Laststromweg 63 weniger Wärme erzeugt wird. Es entstehen keine hocherhitzten Stellen, wenn der Laststrom infolge des zweiten Steuervorgangs auf den breitflächigen Bereich des Laststromweges 65 überspringt, und wäh-

rend der anschließenden Stromausbreitung ist die Spannung am Thyristor verhältnismäßig niedrig.

Da die örtliche Erhitzung während jedes einzelnen Einschaltvorganges minimal ist, eignet sich der Thyristor nach der Erfindung auf Grund seiner verbesserten Ausschaltleistung besonders gut als Schalter für hohe Schaltfrequenzen.

Wie bereits erwähnt, lassen sich Thyristoren mit einer Steuerelektrode entweder an der P-leitenden oder an der N-leitenden Zwischenschicht nach der Erfindung ausbilden. Ferner lassen sich Thyristoren, bei denen die Leitungstypen aller Schichten und die Polarität der anzulegenden Spannungen gegenüber denen in der F i g. 7 umgekehrt sind, nach der Erfindung auszubilden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Thyristor mit zwei Hauptelektroden, deren Kontaktflächen voneinander einen Abstand aufweisen, und mit einem zwischen diesen Hauptelektroden angeordneten Halbleiterscheibchen aus mehreren aufeinanderfolgenden Schichten von jeweils abwechselnd verschiedenem Leitungstyp, wobei die eine Endschicht des Halbleiter- scheibchens ein Hauptgebiet mit einer an die Kontaktfläche der einen Hauptelektrode angrenzenden Fläche von im wesentlichen gleicher Erstreckung wie diese Kontaktfläche sowie mindestens ein zwischen diesem Hauptgebiet und einer an einer.der Zwischenschichten angeschlossenen Steuerelektrode angeordnetes Nebengebiet aufweist, und wobei die andere Endschicht des Halbleiterscheibchens mit der Kontaktfläche der anderen Hauptelektrode verbunden ist, dadurch ao gekennzeichnet, daß das Nebengebiet (B) durch eine es gegenüber dem Hauptgebiet (^4) absetzende, einen größeren Querwiderstand ergebende Oberflächendiskontinuität der Endschicht (41) gebildet ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebengebiet (B) einen Querwiderstand aufweist, der größer ist als der Querwiderstand irgendeines Teils des Hauptgebiets (A) gleicher Querabmessung.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebengebiet (B) dadurch gebildet ist, daß ein Teil der Endschicht (41) verminderte Dicke aufweist.

4. Thyristor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das Nebengebiet (B) bildende Teil der Endschicht (41) eine Dicke von nicht mehr als 90 % des danebenliegenden Teils des Hauptgebiets (A) der Endschicht (41) hat.

5. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächendiskontinuität in der Endschicht dadurch gebildet ist, daß diese einen das Nebengebiet (B) bildenden Teil aufweist, der seitlich gegenüber der Hauptelektrode (45 c) an dem Hauptgebiet (A) versetzt und vom restlichen, das Hauptgebiet (A) bildenden Teil der Endschicht durch eine Lücke getrennt ist, wobei sich der das Nebengebiet (B) bildende Teil näher bei der Steuerelektrode (16) befindet als der restliche, das Hauptgebiet (A) bildende Teil und daß das Nebengebiet (B) keine Verbindung mit der Hauptelektrode (45 c) an dem Hauptgebiet (A) hat (F i g. 6 und 7).

6. Thyristor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die an das Hauptgebiet (A) angrenzende Hauptelektrode (45 c) eine unrunde Kontaktfläche hat und das unter ihr liegende Hauptgebiet (^t) die gleiche Flächenausdehnung wie die unrunde Kontaktfläche aufweist.

7. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Nebengebiete (B, C) vorgesehen sind.