DE1514138C - Schaltungsanordnung für einen steuerbaren Halbleitergleichrichter und steuerbarer Halbleitergleichrichter hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit einer Halbleiterscheibe mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, mit je einer Hauptelektrode an den beiden Emitterzonen und einer Steuerelektrode an einer der Basiszonen sowie mit mindestens einer zusätzlichen Zone an der Basiszone auf der einen Seite der Halbleiterscheibe, die zu der Emitterzone auf dieser Seite der Halbleiterscheibe benachbart angeordnet ist, den gleichen Leitungstyp wie diese Emitterzone aufweist und von einer Zusatzelektrode kontaktiert ist, wobei der Laststromkreis zwischen den beiden Hauptelektroden den Lastwiderstand aufweist und die Zusatzelektrode über eine Impedanz an einen Stromkreis angeschlossen ist.

Ein steuerbarer Halbleitergleichrichter mit den vorbeschriebenen Merkmalen wird als Thyristor bezeichnet und besitzt eine thyratronähnliche Strom-Spannungs-Charakteristik. Mittels eines über die Steuerelektrode und diejenige Hauptelektrode geführten Steuerstromes, welche an der zu der Basiszone mit der Steuerelektrode benachbart angeordneten Emitterzone angebracht ist, kann ein unter Vorwärtsspannung stehender steuerbarer Halbleitergleichrichter gezündet, d. h. in den stromleitenden Zustand geschaltet werden. Es wird vorzugsweise eine kleinflächige, nahezu punktförmige Steuerelektrode, die am Rand oder im Zentrum einer Seite (Hauptfläche) der Halbleiterscheibe angeordnet ist, verwendet. Nach dem Einschalten des Zündstroms zündet ein solcher steuerbarer Halbleitergleichrichter nur in einem eng begrenzten Gebiet in unmittelbarer Nähe der Steuerelektrode. Von dort breitet sich der Zündvorgang und damit die Größe des gezündeten Gebietes mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,1 mm pro Mikrosekunde aus. Die an der Zündung beteiligte Emitterzone wird davon zunächst nur in dem Gebiet, das der Steuerelektrode am nächsten liegt, erfaßt und wirkt bei dem Zündvorgang strominjizierend mit. An dem Bahnwiderstand der beteiligten Basiszone verursacht der Steuerstrom einen Spannungsabfall, der wegen des exponentiellen Zusammenhanges zwischen Durchlaßstrom und Durchlaßspannung einen mit der Entfernung von der Steuerelektrode sehr stark abfallenden injizierenden Strom zur Folge hat. Aus diesen Gründen erfolgt der Übergang in den leitenden Zustand zunächst nur in einem begrenzten Gebiet. Von hier aus diffundieren dann Ladungsträger aus einem Gebiet mit hoher Ladungsträgerkonzentration in seitlicher Richtung in noch nicht gezündete Gebiete und leiten auch dort die Zündung ein. Es breitet sich auf diese Weise der Zündvorgang und ein dadurch stromführend gewordenes Gebiet mit der Zeit über die gesamte Querschnittsfläche der Halbleiterscheibe aus. Die relativ geringe Ausbreitungsgeschwindigkeit von etwa 0.1 mm pro Mikrosekunde hat bei großflächigen Thyristoren zur Folge, daß mit wachsender Frequenz oder bei kurzzeitigen Stromimpulsen nur ein Teil der Querschnittsfläche stromführend wird. Hierbei wird das stromführende Gebiet thermisch

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überbelastet, was die Zerstörung des steuerbaren der mit einer Steuerelektrode versehenen Basiszone Halbleitergleichrichters zur Folge haben kann. Die mindestens eine zusätzliche Zone des gleichen Leitfä-Frequenzgrenze großflächiger Thyristoren wird dem- higkeitstyps wie die benachbarte Emitterzone anentsprechend herabgesetzt. geordnet und von einer Zusatzelektrode kontaktiert

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Zündvor- 5 ist, die über eine Impedanz an einen Stromkreis an-

gangs über die Querschnittsfläche der Halbleiter- geschlossen ist, eine Schaltungsanordnung anzuge-

scheibe eines steuerbaren Halbleitergleichrichters ben, mit welcher die Ausbreitungsgeschwindigkeit

läßt sich ohne Beeinträchtigung der übrigen Thyri- des Zündvorgangs erhöht werden kann,

storeigenschaften dadurch erhöhen, daß mehrere par- Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsge-

allel geschaltete Steuerelektroden vorgesehen wer- io maß darin, daß der eine Anschluß der mit ihrem

den, über die die Zündung gleichzeitig eingeleitet zweiten Anschluß mit der Zusatzelektrode verbunde-

wird. Es kann die Ausbreitungszeit des Zündvorgan- nen Impedanz mit dem einen Anschluß des Last-

ges beispielsweise auf die Hälfte verkürzt werden, Widerstands verbunden ist, dessen zweiter Anschluß

wenn zwei parallel geschaltete Steuerelektroden am mit derjenigen Hauptelektrode verbunden ist, die die

Rande der Halbleiterscheibe sich gegenüberliegend 15 zu der zusätzlichen Zone benachbarte Emitterzone

angeordnet werden und gleichzeitig mit Zündstrom kontaktiert.

beaufschlagt werden. Bei einer Parallelschaltung Bei dieser Schaltungsanordnung ist die Impedanz

zweier Steuerelektroden ist jedoch eine Verdoppe- dem Lastwiderstand über die pn-Ubergänge zwischen

lung der Steuerleistung notwendig. Eine Vervielfa- der Basiszone einerseits und der Emitterzone mit der

chung der Steuerelektroden bedingt daher auch eine 20 Hauptelektrode sowie der zusätzlichen Zone mit der

Vervielfachung der Steuerleistung, wodurch ein er- Zusatzelektrode andererseits parallel geschaltet,

heblicher Aufwand insbesondere bei Leistungsthyri- Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die

stören erforderlich wird. Impedanz in der Zuleitung zu der Zusatzelektrode

Bei einem bekannten, in der USA.-Patentschrift um mindestens eine Größenordnung größer als der

3124 703 beschriebenen steuerbaren Halbleiter- 25 Lastwiderstand.

gleichrichter sind eine Emitterzone und die benach- Es kann für besondere Anwendungen vorteilhaft barte Basiszone, in welche die Emitterzone eingelas- sein, mehrere Zusatzelektroden über einen oder mehsen ist, einseitig durch eine Hauptelektrode über- rere ohmsche Widerstände und/oder ein oder mehbrückt. An der Basiszone sind an der überbrückungs- rere Kondensatoren mit dem Laststromkreis zu verfreien Seite eine erste Steuerelektrode, und dem 30 binden.

überbrückten Teil benachbart eine zweite Steuerelek- Für eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung

trode mit pn-übergang angebracht. Es wird bei dem kann ein steuerbarer Halbleitergleichrichter wie folgt

bekannten steuerbaren Halbleitergleichrichter mit ausgestaltet sein: Es kann beispielsweise die Zusatz-

den vorbeschriebenen Merkmalen eine gute Tempe- elektrode eines steuerbaren Halbleitergleichrichters

ratur-Stabilität erreicht. Ferner hat dieser steuerbare 35 ringförmig ausgebildet und so angeordnet sein, daß

Halbleitergleichrichter einen geringen Zündstrom sie die Hauptelektrode und die Steuerelektrode auf

und ist entweder über die erste Steuerelektrode oder der gleichen Seite der Halbleiterscheibe ringförmig

über die zweite Steuerelektrode als Hilfselektrode, umgibt. Es können ferner auch mehrere kleinflächige

die dem Steuerstromkreis parallel geschaltet ist, zünd- Zusatzelektroden um die Hauptelektrode und die

bar. Eine merklich erhöhte Ausbreitungsgeschwin- 40 Steuerelektrode herum auf der gleichen Seite der

digkeit des Zündvorgangs wird bei einem solchen Halbleiterscheibe angeordnet sein. Des weiteren

steuerbaren Halbleitergleichrichter jedoch nicht er- kann zwischen der Zusatz- und der Steuerelektrode,

reicht. die kleinflächig ausgebildet sind und sich auf der

Es ist ferner durch die Unterlagen des deutschen gleichen Seite der Halbleiterscheibe befinden, die Gebrauchsmusters 1 905 127 ein Halbleiterbauele- 45 Hauptelektrode auf dieser Seite der Halbleiterscheibe ment mit mindestens einem in Sperrichtung bean- angeordnet sein. Schließlich kann die Hauptelektrode spruchbaren pn-übergang bekannt. Bei diesem Halb- auch zwischen der halbringförmigen Zusatzelektrode leiterbauelement ist an der freien Oberfläche einer und der kleinflächigen Steuerelektrode auf der glei-Zone, in die, mit dieser den in Sperrichtung bean- chen Seite der Halbleiterscheibe angeordnet sein,
spruchten pn-übergang bildend, eine mit einer 50 Ausführungsbeispiele für einen steuerbaren HaIb-Hauptelektrode bedeckten Zone des entgegengesetz- leitergleichrichter und seine Schaltungsanordnung ten Leitfähigkeitstyps eingelagert ist, eine weitere nach der Erfindung werden nachfolgend an Hand Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps der- der F i g. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt
art eingelagert, daß sie den an die Oberfläche treten- F i g. 1 einen steuerbaren Halbleitergleichrichter den Rand des in Sperrichtung beanspruchten 55 im Querschnitt und seine Schaltungsanordnung,
pn-übergang vollständig umschließt, wodurch eine F i g. 1 a eine Draufsicht eines steuerbaren HaIb-Erhöhung der Sperrfähigkeit des pn-Überganges er- leitergleichrichtersnach Fig. 1,
reicht wird. Die eingelagerte weitere Zone ist mit F i g. 2 einen im Vergleich zu F i g. 1 komplemeneiner Hilfselektrode versehen, die koaxial zur Haupt- tären steuerbaren Halbleitergleichrichter im Querelektrode angeordnet ist und die über eine Impedanz 60 schnitt und seine Schaltungsanordnung,
mit der Hauptelektrode verbunden ist. Das Problem Fig. 3 und 4 Draufsichten von steuerbaren HaIbdes Zündens liegt diesem bekannten Halbleiterbau- leitergleichrichtern mit unterschiedlich ausgestalteten element, das in der genannten Gebrauchsmuster- Zusatzelektroden.

schrift jeweils als Gleichrichterdiode dargestellt ist, Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Be-

nicht zugrunde. 65 zugszeichen versehen. Ferner wird im folgenden für

Hingegen liegt dem Anmeldegegenstand die Auf- einen steuerbaren Halbleitergleichrichter die Begäbe zugrunde, für einen steuerbaren Halbleiter- zeichnung Thyristor verwendet,
gleichrichter, bei dem, wie eingangs beschrieben, an Die Halbleiterscheibe 1 eines Thyristors nach

F i g. 1 enthält vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, eine äußere p-leitfähige Emitterzone 4, eine innere n-leitfähige Basiszone 5, eine innere p-leitfähige Basiszone 6 und eine äußere n-leitfähige Emitterzone7. Die Emitterzone? ist im mittleren Teil der Basiszone 6 eingelassen, und die Oberflächen dieser Zonen 6,7 liegen in einer Ebene, nämlich in der Oberfläche der Halbleiterscheibe 1. In Nähe des Randes der Halbleiterscheibe 1 ist auf derselben Seite der Halbleiterscheibe in gleicher Weise eine zusätzliche, der Emitterzone? benachbarte Zone 14 in der Basiszone 6 eingelassen.

Bei einem Thyristor nach F i g. 1 und 1 a ist die anodenseitige Zuleitung 2 eines Laststromkreises mit einer Hauptelektrode 3 (Anode) auf der einen Seite der Halbleiterscheibe 1 elektrisch leitend verbunden, welche mit der p-leitfähigen Emitterzone 4 ganzflächig kontaktiert ist. Entsprechend ist auf der entgegengesetzten Seite der Halbleiterscheibe 1 die kathodenseitige Zuleitung 10 des Laststromkreises mit einer Hauptelektrode 9 (Kathode) elektrisch leitend verbunden, welche mit der n-leitfähigen Emitterzone? teilflächig kontaktiert ist. Eine Steuerelektrode 8 ist mit der p-leitfähigen Basiszone 6 und eine Zusatzelektrode 13 ist mit der zusätzlichen Zone 14 kontaktiert. In der Kathodenseitigen Zuleitung 10 des Laststromkreises liegt ein Lastwiderstand 11 und es ist der Zusatzelektrode 13 eine Impedanz 12 vorangeschaltet, die an dem von der Hauptelektrode 9 abgewandten Anschluß des Lastwiderstandes 11 mit dem Laststromkreis verbunden ist.

Beim Einschalten eines über die Steuerstrecke 8,6,7,9 des Thyristors fließenden Steuerstromes zündet der Thyristor zunächst nur in der Nähe der Steuerelektrode 8. Der dann einsetzende Laststrom erzeugt am Lastwiderstand 11 eine Spannung, durch welche die Hauptelektrode 9 die Kathode gegenüber der kleinen n-leitfähigen zusätzlichen Zone 14 positiv vorgespannt wird. Hierdurch wird der kathodenseitige pn-Ubergang 6,7 in der Richtung der zusätzlichen Zone 14 in Sperrichtung und der pn-übergang zwischen der zusätzlichen Zone 14 und der Basiszone 6 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Mit wachsendem Spannungsabfall nähert sich die Sperrspannung am kathodenseitigen pn-Ubergang 6,7 dem Durchbruchswert, der bei Leistungsthyristoren bei etwa 10 bis 30 V liegt. Es fließt dann ein in der Raumladungszone durch Stoßionisation verursachter Löcherstrom in die Basiszone 6 und bewirkt, daß der pn-übergang 6,14 Elektronen in diese Basiszone 6 injiziert, wodurch der Teilthyristor, bestehend aus den Zonen 4,5,6,14, gezündet wird. Durch den Widerstand 12 wird der dabei eingeschaltete Strom auf einen dem Laststrom gegenüber vernachlässigbar kleinen Wert begrenzt. Dieser Strom erreicht somit seinen begrenzten Endwert früher als der Laststrom, und der Spannungsabfall am Widerstand 12 nimmt schneller zu als der Spannungsabfall am Lastwiderstand 11. Sobald der Spannungsabfall am Widerstand 12 größer wird als der Spannungsabfall am

ίο Lastwiderstand 11 kehrt sich die Polarität der Spannung zwischen den Elektroden 9 und 13 um. Die Zusatzelektrode 13 wird nunmehr positiv gegenüber der Kathode 9. Hierdurch entsteht in der Basiszone 6 ein zur Kathode 9 hin gerichtetes transversales Driftfeld, mit dem ein Löcherstrom verbunden ist, der den kathodenseitgen pn-Ubergang 6,7 injektionswirksam macht und damit die Zündung einleitet. Gegenüber der Zündung in der Nähe der Steuerelektrode 8 verzögert sich diese Zündung um etwa die zweifache Verzögerungszeit des Thyristors, d. h. um etwa 1 bis 3 Mikrosekunden. Demgegenüber dauert die Ausbreitung eines normalen Zündvorgangs über eine Fläche von etwa 14 mm Durchmesser etwa 140 bis 200 Mikrosekunden. Die geringe Verzögerung bei der vorbeschriebenen Hilfszündung ist im Vergleich hierzu gering, und mittels dieser Hilfszündung wird die Ausbreitungszeit etwa auf die Hälfte verkürzt. Durch weitere Zusatzelektroden kann die Ausbreitungszeit noch entsprechend mehr verkürzt werden, ohne daß die Steuerleistung erhöht zu werden braucht. Die erforderliche zusätzliche Leistung wird vielmehr dem Laststromkreis entnommten. Da über die Zusatzelektrode 13 nur so lange ein Strom fließen muß, bis am Kathodenrand die Zündung eingeleitet ist, kann die Impedanz 12 auch durch einen Kondensator ersetzt werden, dessen Kapazität in der Größenordnung von etwa 0,1 Mikorf arad liegt.

Bei einem Thyristor nach F i g. 2 sind Anode und Kathode miteinander vertauscht, und es wird dieser Thyristor an der Anodenseite gezündet. Nach F i g. 3 kann bei einem Thyristor die Zusatzelektrode 13 halbringförmig ausgebildet sein. Der Zusatzelektrode 13 gegenüber liegt eine Steuerelektrode 8, mit welcher eine p-leitfähige Basiszone 6 oder eine n-leitfähige Basiszone 5 kontaktiert ist. Bei einer derart ausgebildeten Zusatzelektrode 13 wird ein relativ großer Teil der Kathode bzw. der Anode fast gleichzeitig gezündet. Ein Thyristor mit einer ringförmigen Zusatzelektrode 13 ist in der F i g. 4 dargestellt. Hier ist die Steuerelektrode 8 von der Hauptelektrode 9 umschlossen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung für einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit einer Halbleiterscheibe mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, mit je einer Hauptelektrode an den beiden Emitterzonen und einer Steuerelektrode an einer der Basiszonen sowie mit mindestens einer zusätzlichen Zone an der Basiszone auf der einen Seite der Halbleiterscheibe, die zu der Emitterzone auf dieser Seite der Halbleiterscheibe benachbart angeordnet ist, den gleichen Leitungstyp wie diese Emitterzone aufweist und von einer Zusatzelektrode kontaktiert ist, wobei der Laststromkreis zwischen den beiden Hauptelektroden den Lastwiderstand aufweist und die Zusatzelektrode über eine Impedanz an einen Stromkreis angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß der mit ihrem zweiten Anschluß mit der Zusatzelektrode (13) verbundenen Impedanz (12) mit dem einen Anschluß des Lastwiderstands (11) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß mit derjenigen Hauptelektrode (9) verbunden ist, die die zu der zusätzlichen Zone (14) benachbarte Emitterzone (7) kontaktiert.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz (12) in der Zuleitung zu der Zusatzelektrode (13) um mindestens eine Größenordnung größer als der Lastwiderstand (11) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Zusatzelektroden (13) über einen oder mehrere ohmschen Widerstände (12) mit dem Laststromkreis verbunden sind.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Zusatzelektroden (13) über einen oder mehrere Kondensatoren mit dem Laststromkreis verbunden sind.

5. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzelektrode (13) die Hauptelektrode (9) und die Steuerelektrode (8) auf der gleichen Seite der Halbleiterscheibe (1) ringförmig umgibt.

6. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für eine Schaltungsanordnung nach einem der An-Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere kleinflächige Zusatzelektroden (13) um die Hauptelektrode (9) und die Steuerelektrode (8) auf der gleichen Seite der Halbleiterscheibe (1) herum angeordnet sind.

7. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für eine Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zusatz- (13) und der Steuerelektrode (8), die kleinflächig ausgebildet sind und sich auf der gleichen Seite der Halbleiterscheibe (1) befinden, die Hauptelektrode (9) auf dieser Seite der Halbleiterscheibe angeordnet ist.

8. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für eine Schaltungsanordnung nach einem der An-Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptelektrode (9) zwischen der halbringförmigen Zusatzelektrode (13) und der kleinflächigen Steuerelektrode (8) auf der gleichen Seite der Halbleiterscheibe (1) angeordnet ist.