DE1589475A1 - Thyristor mit Hilfskathoden - Google Patents
Thyristor mit HilfskathodenInfo
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Description
Die Erfindung /betrifft eine steuerbare Halbleiteranordnung mit
einem Halbleiterkörper mit zwei äusseren Schienten, Emitterschichten,
und mit zwei zwischen diesen Schichten gelegenen Schichten, Basisschichten, wobei die Schichten abwechselnd P-
und IT-leitend sind, an jeder Emitterschicht eine Hauptelektrode
für den Belastungsstrom und an einer der Basisschichten eine
Steuerelektrode angeschlossen ist.
Ein Beispiel einer solchen Halbleiteranordnung ist ein Thyristor. Wenn ein Thyristor gezündet wird, breitet sich der
gezündete Bereich durch die Kristalle seitlich vom zuerst zündenden Bereich (dem Initialbereich) mit einer gewissen
Geschwindigkeit aus. Der Belastungsstrom, der während des
ersten Teils des Zündverlaufs fliesst, wird deshalb durch einen verhältnismässig schmalen Kanal fliessen. Wenn dieser
Strom allzu hoch wird, wird die sich in diesem Bereich bildende Verlustenergie so gross, dass der Thyristor schmilzt
und zerstört wird. Diese Gefahr ist besonders gross bei Thyristoren für hohe Spannungen, aber auch gross bei reihengesöhalteten
Thyristoren, bei denen man gewöhnlioh parallel
-2-
00981Λ/1005
zu den Thyristoren Spannungsteiler anschliesst, die Kondensatoren enthalten. Diese entladen sich,- wenn keine Schutzmassnahmen
getroffen werden, am Anfang des Zündverlaufs durch die Thyristoren.
Die Gefahr einer Zerstörung des Halbleiterkörpers kann dadurch
vermindert werden, dass die Zündung dazu gebracht wird, sich so schnell wie möglich auszubreiten, d.h. indem man den gezündeten
Teil der Thyristorfläche in jedem Augenblick so gross wie möglich macht. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Zündung
hängt vor allem von der lateralen Resistanz der -Basisschicht
des Halbleiterkörpers ab und von den Kapazitäten der PN-Übergänge.
Da solche Paktoren wie Leitspannungsfall, Leckstrom
und Sperr- und Blockspannungsfestigkeit berücksichtigt werden
müssen, hat es sich bisher als schwierig erwiesen, die Ausbreitungsgeschwindigkeit
des gezündeten Bereichs wesentlich zu vergrössern.
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, die dadurch
gekennzeichnet ist, dass der gezündete Bereich am Anfang des
Zündverlaufs sehr schnell anwächst. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die an die Basissehieht, an der die
Steuerelektrode angeschlossen ist, grenzende Emitterschicht in wenigstens zwei voneinander getrennte Teile aufgeteilt ist,
wobei eine der Hauptelektroden an einem dieser Teile, die
Hauptschicht, angeschlossen ist und die übrigen Teile, die Hilfsschichten, durch. Impedanzelemente mit diesem" Teil elektrisch verbunden sind.
0098U/10O5
Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher ■beschrieben, in dieser zeigen :
Pig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen Thyristor,
Pig. 2 denselben Thyristor von der Kathodenseite gesehen und
Fig. 3 einen erfindungsgemässen Thyristor, der in einen Kreis
für die Steuerung des Stromes durch eine Belastung eingeschaltet ist.
In Pig. 1 sind in einer monokristallinen Scheibe aus halbleitendem
Material, vorzugsweise Silizium, in bekannter Weise, z.B. durch Diffusion oder Legierung, vier abwechselnd P- und N-leitende
Schichten ausgebildet, der HF-Emitter .1, die P-Basis 2, N-Basis
und der P-Emitter 4. Der Halbleiterkörper ist auf einer Metallplatte 5 angebracht, die mit einem Anodenanschluss 6 versehen
ist. Die N-Emitterschicht, 1 ist mit einem Metallkontakt 7 versehen,
der einen Kathodenanschluss 8 hat. Am Rande der P-Basissahicht
2 ist eine Steuerelektrode 9 angebracht. Mit Hilfe eines Steuerimpulsgerätes, symbolisch als Batterie 10 in Reihe
mit einem Schalter 11 gezeigt, kann der Steuerelektrode eine
positive Spannung im Verhältnis zur Kathode beigebracht werden.
Ausser der N-Emitterschicht 2 (Hauptschicht) sind drei weitere
separate N-Emitterschichten - 12, 13 und 14 (Hilfsemitter) auf
oder in der Oberfläche der P-Basisschicht 2 angebracht.
Diese sind mit den Anschlüssen 15, 16 und 17 versehen. Der Thyristor ist also mit einer Hauptkathode KQ (1, 7) und mit drei
Hilfekathoden K1 (12, 15), K2 (131 16) und K- (14, 17) versehen.
0098 U/1005 _4.
Die·Kathode Κ* ist mit Kp durch den Widerstand 18 verbunden,
der die Resistanz R^ hat. Kg ist mit K, durch den Widerstand
19 mit der Resistanz R2 verbunden. K- ist mit der Hauptkathode
KQ durch den Widerstand 20 mit der Resistanz R, verbunden. Die
Resistanzwerte sind so gewählt, dass R- >
R2 ^R^ ist. Die Hilfsemitter
12, 13, 14 sind so angeordnet, dass der Abstand zwischen
der Hilfsschicht 14 und der Hauptschicht 1 ist.
Die Resistanz der P-Basisschicht - gemessen zwischen angenommenen,
anstelle der Kathoden angebrachten gleich grossen nicht gleichgerichteten Elektroden K', K^, K2 und Ki - soll im grossen ganzen
gleich sein zwischen K^ und K2>
zwischen K2 und Ki und zwischen
Ki und K', doch so, dass der Widerstand zwischen K^ und K^, K2 und
K0 grosser als der Widerstand zwischen Ki und K2 und zwischen K2
und Ki ist. Die Resistanzwerte der Widerstände 18 bis 20 sind so
gewählt, dass sie alle wesentlich kleiner als die genannte Resistanz der P-Basisschicht sind.
Diese Bedingung muss bei der geometrischen Ausformung der Hilfskathoden
und Hauptkathode: beachtet werden. Die Kathoden können im übrigen jede beliebige Form haben, z.B. auch konzentrische Ringe
sein, wobei die Hilfskathoden die Hauptkathode K umschliessen
oder die Hilfskathoden können als Ringe im Zentrum liegen und
die Hauptkathode ein umschliessender Ring sein.
Wenn eine Blockspannung dem Thyristor (Anode positiv im Verhältnis zur Kathode) aufgedrückt wird, sperrt der mittlere PN-Über-
-5-BAD 0RK3INAL
■0 098U/10O5. .
-.. ,-■■■■.- 5 - ■
gang (zwischen den Sch.ich.ten 2 und 3). Wenn eine positive
Steuerspannung der Steuerelektrode aufgedrückt wird, wird
der Thyristor erst an der Kathode K1 gezündet. Es ist bekannt,
dass "bei Zündung eines Thyristors der nicht gezündete Teil des
Überganges zwischen den Schichten 1 und 2 aufgrund der Umverteilung
der Raumladung an den blockierenden Übergängen zwischen den Schichten 2 und 3 in der Sperr-Richtung vorgespannt wird.
Die Schicht 1 kann deshalb nicht in den ungezündeten Teil Elektronen gegen den sperrenden Übergang injizieren und zu de-r
Zündung beitragen. Bei dem gezeigten Thyristor fliesst im ersten Augenblick Strom von der Anode durch den Halbleiterkörper zu K..
und durch die Widerstände 18 bis 20 zur Hauptkathode K , Weil
die Resistanz dieser Widerstände in der oben angegebenen Weise
gewählt sind (R.. V R2 z7 R-) >
wird der Übergang zwischen der Hilfsschicht 13 und der P-lasisschicht 2 in der Leibrichtung
vorgespannt. Eine starke Elektroneninjektion wird bei diesem
Übergang erhalten und·der Thyristor zündet bei K2- Der Strom
fliesst nun von der Anode durch den Thyristor auch zu K^,
und durch den Widerstand I9 und 20 zu der Kathode KQ. Der
Thyristor zündet nun aus denselben Gründen bei K,, und kurz danach ist der Spannungsfall über den Widerstand 20 so gross,
dass auch bei Hauptkathode K eine Zündung erfolgt.
Dieser Vorgang findet sehr schnell statt. Nach einigen Zehnteln /Üb nach dem Zünden der erste'n Hilf ska thode haben alle Kathoden
gezündet. Die Zeit, die bei einem Thyristor von normaler
Ausführung nötig, räre, damit die Zündung sich eine entsprechende
Strecke ausbreitet, wäre ca 10 bis 100/us. BADORiGiNAL
009814/1005 ·■' : ' '
Durch zweckmässige Wahl der Hilfskathodenanzahl tind deren Anordnung-kann
die lokale Energieentwicklung bei jeder Kathode
während des kritischen Initialzustandes des Zündverlaufs so» ·;· ■
niedrig gehalten werden, dass der Thyristor nicht zerstört wird.
Die Widerstände 18, 19 und 20 können durch Impedanzelemen&e
von überwiegend induktivem- Charakter ersetzt werden. Die Wider--''
stände können auf der Oberfläche des Halbleiterkörper's "s.B.
durch Verdampfung angebrachte dünne Metallschichten oder dünne :
Bänder aus Widerstandsmaterial sein, die an den-Kathoden fest·*-
gelötet sind. . ■ ^.
ilach einer Ausführungsform der Erfindung ist die P-Basisschieht'
ausser mit der Steuerelektrode mit mehreren auf dem Rande der '
P-Basisschicht, z*B. mit gleichen Zwischenräumen angebrachten
Elektroden versehen. Diesen wird in bekannter Welse wie der
Steuerelektrode wenigstens während des Bl ockie rungs int erval:ls;
eine negative Spannung im Verhältnis zur Kathode aufgedrückt', -wö^"
durch die Tendenz des Thyristors, bei steilen Überspannungen
selbst zu zünden, vermindert wird. Indem man nach dieser Weiterentwicklung der Erfindung der Steuerelektrode eine negative Vorspannung
aufdrückt, deren Absolutwert kleiner als der Absolutwert
der Vorspannungen der zusätzlichen Elektroden ist," wird erreicht, dass, wenn der Thyristor selbst zündet, dies bei den
Steuerelektroden geschieht, wodurch: sich die Zündung schnell'
in der oben beschriebenen Weise über die Hilfskathode zur
Hauptkathode ausbreitet. Der Thyristor ist in dieser Ausführungsform
gegen Zerstörung sowohl bei normaler Zündung als auch'bei'
Selbstzündung geschützt, BAD
0098U/100S ~7-
Figur 3 zeigt einen Thyristor '21 nach derErfindung, der in
einem-Kreis für die Steuerung des Stromes durch die von der
Wechselspannungsquelle 22 gespeiste Belastung 23 angeschlossen '
ist. Der Thyristor ist nur schematisch gezeigt. Seine Steuerelektrode
9 ist wie in Figur 1 an dem aus der Batterie 10 und dem Schalter 11 bestehenden symbolischen Steuergerät angeschlossen.
Die Steuerelektrode 9 ist über den Widerstand 24 auch an einer Anzapfung der Batterie 25 und deren positiver Pol an der
Hauptkathode It angeschlossen. Die Steuerelektrode bekommt dadurch, ausser wenn der Schalter 11 geschlossen ist, eine negative
Spannung im Verhältnis zur Kathode K , was die Tendenz zur Selbstzündung
herabsetzt. Am Rande derselben Basisschicht wie die Steuerelektrode sind weitere Elektroden, Vorspannungselektroden,
angeschlossen, von welchen nur die Elektrode 26 gezeigt ist.
Diese ist über den Widerstand 27 am negativen Pol der Vorspannungsquelle
25 angeschlossen. Wenn die Steuerelektrode die niedrigste (positivste) Vorspannung hat, wird bei Selbstzündung
diese in der Nähe der Steuerelektrode stattfinden und die obengenannten
Vorteile ergeben.
Der Strom durch die Belastung 23 kann in bekannter Weise durch
Variation der Phasenlage des Steuerstroms gesteuert werden.
Die Erfindung ist für einen Thyristor gezeigt, bei dem die
Steuerelektrode auf der P-BasisschiJit angebracht ist, aber sie
kann natürlich bei einem an und für sich bekannten Thyristor
angewendet werden, bei dem die Steuerelektrode auf der N-Basis-
-8-
0Q98U/10Q5
;■■■■':.■■' ■■■'■■'. BAD «
■ - 8 -
schicht angeordnet ist. Statt die .ET-Emitterschicht in eine
Haupt- und mehrere Hilfsschichten aufzuteilen, wird dann die P-Emitterschicht entsprechend aufgeteilt.
Wie oben nachgewiesen, ergibt eine erfindungsgemäsBe Halbleiteranordnung
- verglichen mit bekannten Anordnungen - eine wesentlich grössere Zündfestigkeit.
BAD ORiQINAL'
U-M 08 5
Claims (14)
- - g - . ■ ■Patentansprüche :»1... Steuerbare Halbleiteranordnung mit einem Körper aus halbleitendem Material mit wenigstens vier abwechselnd P- und IT-leitende Schichten, zwei äussere Schichten, Emitterschichten, und zwei zwischen diesen liegende Schichten, Basisschichten, wobei an jeder Emitterschicht eine Hauptelektrode für den Belastungsstrom und an einer der Basisschichten eine Steuerelektrode angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Basisschicht grenzende Emitterschicht in wenigstens zwei voneinander getrennte Teile aufgeteilt ist, wobei eine der Hauptelektroden an einem dieser Teile - Hauptemitter - angeschlossen und die"übrigen Teile, Hilfsemitter, mittels Impedanzelemente mit diesem Teil verbunden sind.
- 2. - Steuerbare Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, die einen ersten, einen zweiten, einen dritten usw. Hilfsemitter enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hilfsemitter am nächsten des Hauptemitters und die übrigen Hilfsemitter in nacheinander zunehmendem Abstand vom Hauptemitter angeordnet sind.
- 3. Steuerbare Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen zwei aufeinander folgenden Hilfeemittern im wesentlichen gleieh gross sind.0098H/10ÖS
- 4. Steuerbare Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen dem ersten Hilfsemitter und dem Hauptemitter im wesentlichen gleich gross wie der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Hilfsemittern ist.
- 5. Steuerbare Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem ersten bis zu einem nsten Hilfsemitter, dadurch gekennzeichnet, dass der n:te Hilfsemitter am nächsten der Steuerelektrode angeordnet ist und die übrigen in nacheinander zunehmendem Abstand von diesem.
- 6. Steuerbare Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche eines Hilfsemitters klein ist verglichen mit der Fläche der Hauptschicht.
- 7. Steuerbare Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem ersten, einem zweiten usw. Hilfsemitter, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Impedanzelement zwischen dem Hauptemitter und dem ersten Hilfsemitter und ein zweites Impedanzelement zwischen dem ersten und dem zweiten Hilfsemitter angeschlossen sind usw.
- 8. Steuerbare Halbleiteranordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die Resistanz eines jeden Impedanzelementes kleiner ist als die Resistanz des darauffolgenden Impedanzelementes.-11-0098U./100S
- 9. Steuerbare Halbleiter anordnung nach einem der vorne rgelienden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Resistanz eines jeden Impedanzelementes wesentlich kleiner als eine "beliebige der Resistanz der an die Hilfsemitterschichten grenzenden Basisschicht ist, die zwischen anstelle der Emitterschichten auf der •Basisschürt angebrachten nicht gleichrichtenden Eontakte mit derselben fläche /wie die betreffende Emitterschicht gemessen werden können.
- 10. Steuerbare Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzelemente von überwiegend resistivem Charakter sind.
- 11. Steuerbare Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzelemente von induktivem Charakter sind.
- 12. Steuerbare Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzelemente aus auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers aufgedampften Metallschicht'en bestehen»
- 13. Steuerbare Halbleiteranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanzelemente aus an den Schichten festgelöteten Metallbändern bestehen.
- 14. Steuerbare Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, bei der die Basissehicht ausser mit der Steuerelektrode mit zusätzlichen Elek-BAD-.troden versehen let, wobei sowohl der Steuerelektrode als auch den zusätzlichen Elektroden eine im Verhältnis zur Kathode negative Spannung wenigstens während des Teils des Intervalls, in welchem kein Belastungsstrom flieset, aufgedrückt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Absolutwert der Vorspannung der Steuerelektrode kleiner ist als der Absolutwert der Vorspannung der zusätzlichen Elektroden.BAD ORIQlMAL9PI'' ' ι ΓΠ 5
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2825794A1 (de) * | 1978-06-13 | 1979-12-20 | Licentia Gmbh | Abschaltbarer thyristor mit mindestens vier schichten unterschiedlichen leitfaehigkeittyps, bei dem die abschaltung durch kurzschliessen der der steuerbasisschicht benachbarten kontaktierten aeusseren emitterschicht mit der anliegenden, nach aussen gefuehrten und kontaktierten steuerbasisschicht erfolgt |
DE2907732A1 (de) * | 1979-02-28 | 1980-09-04 | Siemens Ag | Thyristor |
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1966
- 1966-10-12 SE SE1377466A patent/SE337064B/xx unknown
-
1967
- 1967-10-06 GB GB4579767A patent/GB1192814A/en not_active Expired
- 1967-10-06 DE DE19671589475 patent/DE1589475A1/de active Pending
- 1967-10-10 CH CH1419867A patent/CH477763A/de not_active IP Right Cessation
- 1967-10-12 NL NL6713880A patent/NL6713880A/xx unknown
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DE2825794A1 (de) * | 1978-06-13 | 1979-12-20 | Licentia Gmbh | Abschaltbarer thyristor mit mindestens vier schichten unterschiedlichen leitfaehigkeittyps, bei dem die abschaltung durch kurzschliessen der der steuerbasisschicht benachbarten kontaktierten aeusseren emitterschicht mit der anliegenden, nach aussen gefuehrten und kontaktierten steuerbasisschicht erfolgt |
DE2907732A1 (de) * | 1979-02-28 | 1980-09-04 | Siemens Ag | Thyristor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
GB1192814A (en) | 1970-05-20 |
SE337064B (de) | 1971-07-26 |
NL6713880A (de) | 1968-04-16 |
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