DE1514136B2 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter - Google Patents

Steuerbarer Halbleitergleichrichter

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Description

Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Halbleitergleichrichter für hohe Einschaltbelastbarkeit nach Anspruch 2 des Hauptpatentes 14 89 092.
Der steuerbare Halbleitergleichrichter besteht beispielsweise aus einer Siliziumscheibe, die vier Schichten mit alternierend wechselndem Leitfähigkeitscharakter enthält. Er ist an den beiden äußeren Schichten mit zwei Elektroden versehen, nämlich der Anode und Kathode. Eine dritte Elektrode, die eine der inneren beiden Schichten kontaktiert, dient zur Einleitung der Zündung und wird als Steuerelektrode bezeichnet. Die Steuerelektrode befindet sich üblicherweise auf der gleichen Seite der Halbleiterscheibe wie die Kathode.
Steuerbare Halbleiterelemente, beispielsweise steuerbare Halbleitergleichrichter werden oftmals in Schaltungsanordnungen eingesetzt, die eine hohe Einschaltbelastbarkeit erforderlich machen, wie beispielsweise bei Hochleistungs-Wechselrichtern.
Durch seinen technologischen Aufbau ist jeder steuerbare Halbleitergleichrichter in seiner thermischen Belastbarkeit begrenzt. Seine Steuerelektrode ist üblicherweise nahezu punktförmig ausgebildet und ist an der Peripherie oder im Zentrum der Kathoden- oder Anodenfläche in der benachbarten Basiszone angeordnet. Mit dem Anlegen eines Steuerimpulses an die Steuerelektrode wird jedoch nicht sofort die gesamte Kathoden- bzw. Anodenfläche gezündet und damit am Stromtransport beteiligt, sondern nur ein eng begrenzter Bereich der Kathoden- bzw. der Anodenfläche, nämlich derjenige Bereich, der der Steuerelektrode am nächsten liegt. In diesem durchgezündeten, eng begrenzten Bereich tritt bei sehr steil ansteigendem Anodenstrom eine sehr große Energiedichte auf, die nach Überschreiten eines kritischen Wertes zum lokalen Aufschmelzen des Halbleiterelementes und damit zu seiner Zerstörung führen kann.
Solche Zerstörungen lassen sich prinzipiell dadurch verhindern, daß die Steuerelektrode eine Vielzahl einzelner Steuerkontakte oder eine bestimmte Ausbildungsform aufweist, so daß eine größere Fläche bereits im ersten Moment gezündet werden kann. Eine Verbesserung der Einschaltbelastbarkeit läßt sich jedoch durch mehrere Steuerelektroden oder eine beispielsweise ringförmig die Kathode oder Anode umschließende Steuerelektrode nur dann erzielen, wenn die Einschaltverzugszeit für alle Steuerelektrodenkontakte die gleiche ist. Dies ist aber nur dann der Fall, wenn sowohl die Zonendicken als auch die Lebensdauer der Ladungsträger für alle Stellen gleich sind, was besonders bei großflächigen steuerbaren Halbleitergleichrichtern praktisch nicht zu realisieren ist.
Aus der französischen Patentschrift 13 65 874 ist ein steuerbarer Halbleitergleichrichter bekannt, bei dem eine Steuerelektrode innerhalb einer kreisrunden Emitterzone angeordnet ist. Ferner ist bei einem aus der deutschen Auslegeschrift 11 54 872 bekannten Thyristor ein kurzgeschlossener Emitter-pn-Übergang zur Veränderung der Schalt- und sonstigen Charakteristiken vorgesehen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen befindet sich die Steuerelektrode benachbart zu einem nicht kontaktierten Teil der Emitterzone. Dieser nicht kontaktierte Teil ergibt sich im bekannten Fall aber lediglich formal aus einer Verschiebung des Kontaktes zur Kurzschließung des Emitters und hat dort keine funktioneile Bedeutung.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, zur Vermeidung der Elementüberlastung den zwischen der Anode und der Kathode fließenden Hauptstrom während des Einschaltvorganges auf eine möglichst große Fläche der pnpn-Anordnung auszudehnen.
Zur Lösung dieses Problems geht der Anspruch 2 des Hauptpatentes 14 89 092 von einem steuerbaren HaIbleitergleichrichter für hohe Einschaltbelastbarkeit mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps und mit einer Kathode, einer Anode und einer oder mehreren Steuerelektroden aus. Die Lösung besteht darin, daß die Kathoden- und/oder Anodenzone nur teilweise kontaktiert ist, daß eine oder mehrere der nicht kontaktierten Kathoden- bzw. Anodenteilzonen zu der bzw. jeweils zu einer Steuerelektrode räumlich näher angeordnet sind als die kontaktierte Kathoden- bzw. Anodenteilzone und daß der elektrische Widerstand der nicht kontaktierten Kathoden- bzw. Anodenteilzone(n) für den zwischen der bzw. den Steuerelektroden und der kontaktierten Kathodenbzw. Anodenteilzone fließenden Steuerstrom so bemessen ist, daß er die zulässige Stromanstiegsgeschwindigkeit des Laststromes zwischen Kathode und Anode erhöht.
Die Weiterbildung dieses Erfindungsgedankens besteht darin, daß eine Steuerelektrode zur Kathodenoder zur Anodenzone zentral angeordnet und von einer nicht kontaktierten Kathoden- bzw. Anodenteilzone umschlossen ist.
In einer Ausgestaltung der Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß mindestens eine Steuerelektrode in dem Randbereich der Kathoden- oder der Anodenzone angeordnet ist und von einer nicht kontaktierten Kathoden- bzw. Anodenteilzone teilweise umschlossen ist.
In einer weiteren Ausgestaltung der Weiterbildung
des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß an dem Halbleiterkörper sowohl anöden- als auch kathodenseitig eine oder mehrere Steuerelektroden angeordnet sind.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß der Wert des elektrischen Widerstandes der nicht kontaktierten Kathoden- bzw. Anoderiteilzone von der Größenordnung des Widerstandes des Laststromkreises ist.
An Hand der Figuren soll der Erfindungsgegenstand näher erläutert werden. Hierbei zeigt F i g. 1 eine Draufsicht und
Fig. la einen Querschnitt durch einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit einer zentral angeordneten Steuerelektrode, während die,
F i g. 2 eine Draufsicht und
F i g. 2a einen Querschnitt eines steuerbaren Halbleitergleichrichters mit zwei Steuerelektroden, die an der Randzone der Kathodenfläche angeordnet sind, wiedergibt. Gleiche Halbleiterschichten und Metallelektroden sind hierbei mit gleichen Ziffern versehen.
Die F i g. 1 und la zeigen ein Vierschichten-Halbleiterelement mit den Schichten 1, 2, 3 und 4 als pnpn-System. An der p-leitenden Schicht 1 ist eine Metallschicht 13 mit dem Anodenanschluß 14 angebracht, während die η-leitende Schicht 4 mit dem metallischen Kathodenkontakt 5 versehen ist. Die η-leitende Schicht 4 besteht hierbei aus der nicht kontaktierten Kathodenteilzone 11 und der kontaktierten Kathodenteilzone 12. Die Steuerelektrode 10 ist zur Kathode 5 zentral angeordnet und von der nicht kontaktierten Kathodenteilzone 11 kreisförmig umschlossen. Die Steuerlektrode 10 ist mit einem Steuerelektrodenanschluß 15 versehen. Desgleichen besitzt die Kathode 5 einen Kathodenanschluß 16.
Wird an die Steuerelektrode ein Zündimpuls angelegt, so wird der Teil des steuerbaren Halbleitergleichrichters, der aus den Schichten 1, 2, 3 und der steuerelektrodennahen Randzone der nicht kontaktierten Kathodenteilzone 11 besteht, gezündet. Der infolgedessen von der Anode über die Schichten 1, 2,3 und 11 zur Kathode fließende Strom ruft an dem durch die nicht kontaktierte Kathodenteilzone 11 gebildeten Widerstand einen Spannungsabfall hervor. Dieser Spannungsabfall erzeugt in der Schicht 3 ein elektrisches Feld, das einen parallel zu dem durch die Schichten 2 und 3 gebildeten pn-Übergang fließenden, nach außen gerichteten Löcherstrom bewirkt. Dadurch wird der aus den Schichten 3 und 4 gebildete pn-Übergang im Bereich 11 und in der angrenzenden Randzone des Bereiches 12 zur verstärkten Injektion veranlaßt, und die Vierschichtenstruktur wird in diesem Gebiet gezündet. Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird der durch die Kathodenteilzone 11 fließende Anodenstrom zu Beginn des Einschaltvorganges begrenzt, und während des Einschaltvorganges wird eine Flächenvergrößerung des stromführenden Teils der Kathode erzielt. Auf diese Weise wird die Stromdichte im Element während des Einschaltvorganges reduziert, so daß die für das Element zulässige Stromanstiegsgeschwindigkeit beträchtlich gesteigert werden kann.
Die F i g. 2 und 2a zeigen eine andere Ausführungsform eines Vierschichten-Halbleiterelements. Das Element besteht ebenfalls aus einem pnpn-System mit den Schichten 1,2,3 der kontaktierten Kathodenteilzone 12 und den nicht kontaktierten Kathodenteilzonen 19 und 20. Die p-leitende Schicht ist durch die Metallschicht 13 vollständig kontaktiert und besitzt den Anodenanschluß 14. In der Randzone der Kathode sind zwei Steuerelektroden mit jeweils einem Steuerelektrodenanschluß 10 angeordnet, die von einer nicht kontaktierten Kathodenteilzone 19 bzw. 20 halbkreisförmig umschlossen sind. An die nicht kontaktierte Kathodenteilzone 19 bzw. 20 schließt sich die kontaktierte Kathodenteilzone 12 mit dem Kathodenkontakt 5 und dem Kathodenanschluß 16 an. --"'
Die zentrale Anordnung der Steuerelektrode, bezogen auf die Kathode gemäß F i g. 1 und la, bewirkt die Verringerung der Einschaltzeit, d. h. derjenigen Zeit, bis zu der die gesamte Kathodenfläche gezündet hat, da die Zündung vom Zentrum der Kathode kreiswellenförmig zum Kathodenrand hin erfolgt. Soll etwa die gleiche Einschaltzeit bei einer Anordnung der Steuerelektroden an der Peripherie der Kathode erreicht werden, so sind hierfür zwei Zündelektroden gemäß F i g. 2 und 2a notwendig.
Durch die Erfindung wird ein steuerbarer Halbleitergleichrichter geschaffen, der eine gegenüber den bisher bekannten Anordnungen wesentlich größere Einschaltbelastbarkeit und damit eine entsprechend größere Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt zuläßt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für hohe Einschaltbelastbarkeit nach Anspruch 2 des Hauptpatents 14 89 092, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerelektrode (10) zur Kathodenoder zur Anodenzone (4) zentral angeordnet und von einer nicht kontaktierten Kathoden- bzw. Anodenteilzone (11) umschlossen ist.
2. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für hohe Einschaltbelastbarkeit nach Anspruch 2 des Hauptpatents 14 89 092, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Steuerelektrode (10) in dem Randbereich der Kathoden- oder der Anodenzone (4) angeordnet und von einer nicht kontaktierten Kathoden- bzw. Anodenteilzone (19, 20) teilweise umschlossen ist.
3. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Halbleiterkörper sowohl anöden- als auch kathodenseitig eine oder mehrere Steuerelektroden (10) angeordnet sind.
4. Steuerbarer Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des elektrischen Widerstandes der nicht kontaktierten Kathoden- bzw. Anodenteilzone(n) (11; 19, 20) von der Größenordnung des Widerstandes des Laststromkreises ist.
DE19651514136 1965-04-27 1965-04-27 Steuerbarer Halbleitergleichrichter Expired DE1514136C3 (de)

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DEL0050587 1965-04-27
DEL0050587 1965-04-27

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DE1514136A1 DE1514136A1 (de) 1969-06-04
DE1514136B2 true DE1514136B2 (de) 1975-10-16
DE1514136C3 DE1514136C3 (de) 1976-06-10

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NL150268B (nl) 1976-07-15
DE1514136A1 (de) 1969-06-04
SE359965B (de) 1973-09-10
CH495631A (de) 1970-08-31
DE1489092B2 (de) 1972-10-12
FR1456274A (fr) 1966-10-21
CH472119A (de) 1969-04-30
GB1122814A (en) 1968-08-07
US3409811A (en) 1968-11-05
NL6515310A (de) 1966-05-31
DE1489092A1 (de) 1969-05-08
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