DE1589870C3 - Thyristor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, mit zwei an den einander gegenüberliegenden Endzonen angebrachten Hauptelektroden und mit einer Steuerelektrode an dem Halbleiterkörper, bei dem die eine seiner beiden Endzonen ein Hauptgebiet und ein daran angrenzendes Nebengebiet aufweist, das Hauptgebiet von der Hauptelektrode großflächig und ohmsch"kontaktiert ist und das Nebengebiet von der Hauptelektrode nicht kontaktiert ist.

ίο Sie befaßt sich insbesondere mit Siliciumthyristoren (SCR) für hohe Leistungen mit verbesserten Schalteigenschaften. '

Ein typischer derartiger Thyristor enthält einen dünnen, breitflächigen, scheibenförmigen Halbleiterkörper mit vier übereinanderliegenden Zonen aus dem Halbleitermaterial Silicium von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp und mit drei in Reihe liegenden PN-Ubergängen. Die Außenfläche der beiden Endzonen des Siliciumkörpers sind mit je einer ohmschen Hauptelektrode versehen, während zum Durchschalten des Stromes zwischen den beiden Hauptelektroden mindestens eine Steuerelektrode am Siliciumkörper befestigt ist. Der Siliciumkörper ist in einem Gehäuse aus Isoliermaterial eingekapselt und kann über äußere Anschlußklemmen, die mit den Hauptelektroden und der Steuerelektrode verbunden sind, an einen Hauptstrom- und einen Steuerkreis angeschlossen werden.

Wenn der Thyristor mit einem Verbraucher und einer dem Thyristor eine Spannung in Vorwärtsrichtung liefernden Spannungsquelle in Reihe liegt, dann ist der Stromfluß zwischen der Anode und der Katode so lange gesperrt, bis ein kleiner Steuerstrom ausreichend lange der Steuerelektrode zugeführt wird, durch den der Thyristor von einem Zustand mit hoher Impedanz abrupt in einen Zustand mit sehr kleiner Impedanz, d. h. in den eingeschalteten Zustand, übergeführt wird, so daß er einen Strom in Vorwärtsrichtung durchläßt. Wenn anschließend der

Verbraucherstrom unter den für einen Thyristor gegebenen Wert des Haltestroms absinkt, dann kehrt der Thyristor in seinen sperrenden, ausgeschalteten Zustand zurück.

Von besonderem Interesse sind Thyristoren, die eine hohe Nennleistung besitzen, d.h., im ausgeschalteten Zustand beträgt ihre Rückwärtssperrspannung größenordnungsmäßig 2000 V, während im eingeschalteten Zustand mittlere Vorwärtsströme von größenordnungsmäßig 250 A fließen können. Sie sind außerdem bei hohen Frequenzen, z. B. 3000 Hz, und meist bei geringeren Rückwärtssperrspannungen von z. B. 300 V zu betreiben. . . _:. ^ ,

Ein Nachteil vieler bekannter Thyristoren besteht darin, daß die Anstiegsgeschwindigkeit des Anoden-Stroms, d.h. die Steigung di/dt der Stromkurve beim Eirischaitvorgang, nicht sehr groß sein darf. Die Anstiegsgeschwindigkeit di/dt muß bei größeren Vorwärtsspannungen und bei größeren Schaltfrequenzen noch kleiner gehalten werden. Andererseits kann die Beschränkung der Anstiegsgeschwindigkeit di/dt, die für einen Thyristor gefordert werden muß, einen ungünstigen Einfluß auf die Ausschaltzeit haben. Bei den bekannten Thyristoren beginnt der Verbraucherstrom beim Einschalten unvermeidbar in einem kleinen punktförmigen Bereich nahe der Steuerelektrode zu fließen. An dieser Stelle wird der Thyristor zerstört, wenn eine zu große Anstiegsgeschwindigkeit di/dt vorkommt. ■'■■■'■.....".

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Es ist bereits aus der »Zeitschrift für angewandte kurz vor allen anderen eingeschaltet wird. In einem Physik«, Band 19 (1965) Nr. 5 (September), S. 396 solchen Fall bricht die Vorwärtsspannung der restbis 400 ein Thyristor der eingangs erwähnten Art liehen Thyristoren zusammen und wird gleich dem bekannt, der die obengenannten Nachteile vermin- geringen Spannungsabfall am zuerst eingeschalteten dert. Er weist ein von der Hauptelektrode an der 5 Thyristor. Im allgemeinen wird der Thyristor mit Endzone nicht kontaktiertes Nebengebiet auf, das in der geringsten Einschaltspannung zuerst eingeschaldieser Endzone ausgebildet ist. Durch dieses Neben- tet. Wenn oder solange die Vorwärtsspannung an gebiet soll ein Ausbreiten des Hauptstroms von dem diesem Thyristor die Einschaltspannung der langursprünglichen Mikroplasma-Querschnitt auf die ge- sameren Thyristoren nicht übersteigt, bleibt der samte Breite des Hochleistungsthyristors erreicht io Rest der parallelliegenden Thyristoren im ausgewerden, bevor die Stromdichte und die lokale Er- schalteten Zustand. Jede merkbare Verzögerung hitzung an dieser Mikroplasma-Stelle zu groß sind. beim Einschalten der langsameren Thyristoren kann Das Nebengebiet liegt dabei zwischen dem von der zur Zerstörung des zuerst eingeschalteten Thyristors Hauptelektrode kontaktierten Hauptgebiet und der führen, und zwar dadurch, daß die sich ergebende Steuerelektrode, und besitzt einen ausreichend hohen 15 Anstiegsgeschwindigkeit di/dt größer ist, als es der Querwiderstand, so daß ein Teil des Stromes, der an- zuerst eingeschaltete Thyristor allein vertragen kann, fangs durch dieses Nebengebiet fließt, sofort auf Wenn zudem die Zündverzugszeit größer als die einen parallelen Strompfad in der angrenzenden Dauer des Zündsignals ist, dann werden die lang-Zone umgelenkt wird und als relativ hochenergeti- sameren Thyristoren niemals eingeschaltet. Aus sches Zündsignal für den breitflächen Querschnitt 20 diesem Grunde sind extrem kurze Zündverzugszeiten des Halbleiterkörpers unterhalb der Hauptelektrode und möglichst kleine Einschaltspannungen erwirksam wird. Durch Verwendung derartiger Thyri- wünscht.

stören mit Doppelzündung können beträchtlich Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,

höhere Anstiegsgeschwindigkeiten di/dt und auch für hohe Ströme und Spannungen geeignete Thyri-

verbesserte Ausschalteigenschaften erhalten werden. 25 stören weiter zu verbessern und insbesondere solche

Der angegebene Thyristoraufbau hat den zusatz- Thyristoren zu schaffen, die mit gleichen oder größelichen Vorteil, daß die Durchschaltzeit eines Thyri- ren di/dt-Werten und,mit noch kürzeren Zündverstors verkürzt wird. Die Durchschaltzeit, die ein Teil zugszeiten als alle bisher bekannten Thyristoren einder gesamten zum Einschalten, also zum Umschalten geschaltet werden. Außerdem sollen diese Thyristoeines Thyristors vom sperrenden in den leitenden 30 ren bei kleinen Einschaltspannungen geschaltet wer-Zustand benötigten Zeitspanne ist, kann auch als den können.

diejenige Zeitspanne definiert werden, in der die in Diese Aufgabe wird bei einem Thyristor der ein-Vorwärtsrichtung anliegende Spannung zwischen gangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß eine Steuer-Anode und Katode beim Thyristor mit anliegendem elektrodenzuleitung mit dem Nebengebiet über eine Zündsignal von 90 auf 10°/o ihres ursprünglichen 35 nicht ohmsche Steuerelektrode verbunden ist, und Wertes absinkt. daß der elektrische Widerstand des Nebengebiets

Der andere Teil der gesamten Einschaltzeitspahne zwischen der Steuerelektrode und dem Hauptgebiet

ist als Zündverzögerungszeit t_d bekannt, die als das- größer als der von jedem an das Nebengebiet an-

jenige erste Zeitintervall definiert werden kann, das grenzende Bereich des Hauptgebiets ist, dessen Breite

nach dem Anlegen eines stufenförmigen Zündsignals 40 gleich dem kürzesten Abstand zwischen der Steuer-

an die Steuerelektrode bis zum Absinken der elektrode und dem Hauptgebiet ist. -

Anodenspannung auf 90% ihres Anfangswertes ver- Bei dem Thyristor nach der Erfindung ist folglich

geht. . ein nach einem üblichem bekannten Verfahren her-

Die minimale Vorwärtsspannung, bei der ein Thy- gestellter Thyristor in bestimmter Weise modifiziert, ristor mit Hilfe eines Zündsignals zweckmäßiger 45 Insbesondere ist die Steuerelektrode nicht an einer Amplitude eingeschaltet werden kann, wird im fol- inneren Schicht des vielschichtigen Halbleiterkörpers genden mit »Einschaltspannung F_Ci-„« bezeichnet. Bei sondern an einer frei liegenden Oberfläche des den üblichen bekannten Thyristoren für hohe Span- Nebengebiets angebracht, das in einer, eine Hauptnungen sind Einschaltspannungen unterhalb von elektrode tragenden: Ehdzone 'ausgebildet ist. Die 0,9 V. nur sehr schwer zu erhalten, da der Halbleiter- 50 Steuerelektrodenzuleitung ist dabei^: an der frei liegenkörper derartiger Thyristoren relativ dicke innere den Oberfläche durch mindestens eine nicht ohmsche Zonen aufweisen muß. Bei einem Thyristor mit einer Steuerelektrode befestigt, die sich wie ein nicht Rückwärtssperrspannung von 1800V ist die innere linearer Widerstand verhält und anfangs einen relativ N-leitende Zone etwa 0,25 mm und die benachbarte hohen Widerstand aufweist, der mit Erhöhung der innere P-leitende Zone etwa 0,05 mm dick. Derartige 55 angelegten Spannung; kleinerfwird/V¹ ·^;:'ΰ>'-i:: r ;. , ; Dicken sind nicht mit kleinen Werten von der Ein- Die Steuerelektrodenzuleitung ' besteht ^orzugsschaltspannung V_ej_n zu vereinbaren. Aus dem glei- zugsweise aus einem Metalldraht, der unter Bildung cheri Grund ist es schwierig, in derartigen Thyristo- der Steuerelektrode 'direkt'an ^er frei liegenden ren kleine Werte von der Zündversorgungszeit t_d zu Oberfläche des Nebengebiets des Halbleiterkörpers erhalten. . λ ä /λ ?ν·;^;; \: ' i: ;.'\l· ~>-4, ■■·■■ ^v.¹ 60 befestigt ist, wobei an" (lieser ein kleinflächiger, nicht' ■·;· Eine geringere· Einschaltspannüng ist besonders ohmscher Kontakt entsteht. 'Außerdem wird das dann wichtig^wenn sehr hohe Ströme fließen sollen Nebengebiet derart ausgebildet und angeordnet, daß und beispielsweise zwei oder mehrere Thyristoren sein elektrischer Widerstand zwischen der- Steuerelektrisch parallel geschaltet sind, damit der gesamte elektrode und der einen Hauptelektrode merklich Verbraucherstrom iri gleiche Anteile aufgeteilt wird. 65 höher als der Querwiderstand des Nebengebiets bei Obwohl theoretisch alle parallelgeschalteten Thyri- den bekannten Thyristoren ist. Eine solche Ausfühstoren gleichzeitig eingeschaltet werden können, ist rungsform wird vorzugsweise durch Wegätzen oder es in der Praxis häufig so, daß einer der Thyristoren Abschleifen eines Teiles des Nebengebiets von seiner

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Außenfläche her hergestellt, wobei ein merkliches / 3, die zwischen der Anode 16 und der Katode 17 Stück Halbleitermaterials entfernt wird, so daß das in Reihe liegen, ist daher breitflächig. Obgleich die unterhalb der frei liegenden Oberfläche verbleibende verschiedenen PN-Übergänge in der F i g. 1 durch Nebengebiet eine sehr geringe Dicke (z. B. 0,01 mm) horizontal verlaufende Linien gekennzeichnet sind, aufweist. 5 handelt es sich in Wirklichkeit nicht um derart ideal-

Beispiele für Ausführungsformen des Thyristors plane Grenzflächen.

nach der Erfindung werden nachstehend anhand der Der Thyristor kann in bekannter Weise zum BeiZeichnungen näher erläutert. spiel dadurch hergestellt werden, daß man in einen

Die F i g. 1 ist eine teilweise geschnittene Seiten- N-leitenden Halbleiterkörper, der aus mit Phosphor ansicht eines Thyristors nach der Erfindung; io dotiertem Silicium besteht und einen spezifischen

die F i g. 2 ist eine Draufsicht auf den Thyristor Widerstand von etwa 60 Ohm · cm aufweist, von nach der Fig. 1; beiden Seiten her ausreichende Mengen eines Akzep-

die F i g. 3 zeigt, wie der Thyristor nach den F i g. 1 tors, z.B. Gallium, eindiffundieren läßt, bis je eine und 2 an einen elektrischen Stromkreis angeschlos- P-leitende Zone 12 bzw. 14 von etwa 0,1 mm Dicke sen wird; 15 mit einer Oberflächenkonzentration an Gallium von

die Fig. 4 zeigt die Abhängigkeit der an einem 10¹⁹ Atomen/cm³ ausgebildet ist. Anschließend wird Thyristor anliegenden Hauptspannung von der Zeit eine dünne Scheibe aus 99,5 °/o Gold und 0,5% und die äußerst kurze Zündverzugszeit eines Thy- Antimon auf die P-leitende Zone 14 des Siliciumristors nach der Erfindung; körpers legiert, wobei gleichzeitig die N-leitende

die Fig. 5 ist eine Art Ersatzschaltbild für einen 20 Endzone 15 und die daran angrenzende Katode 17 erfindungsgemäßen Thyristor, mit dem der Einschalt- gebildet werden. Dieser Verfahrensschritt kann dervorgang erklärt wird; art gesteuert werden, daß durch den Donator Anti-

die Fig. 6 a und 6b zeigen die Abhängigkeit des mon die Zone 15 in der Zone 14 bis in eine Tiefe Steuerelektroden-Katoden-Stromes von der Steuer- von etwa 0,05 mm wieder N-leitend wird und eine elektroden-Katoden-Spannung für einen Thyristor 25 nahezu gleichförmige Konzentration an Antimon von nach der Erfindung; 10¹⁸ Atomen/cm³ aufweist. Der restliche Teil der

die Fig. 7 und 8 zeigen weitere Ausführungsfor- Gold-Antimon-Scheibe stellt die Katode 17 dar, die men von Thyristoren nach der Erfindung; folglich einen breitflächigen ohmschen Kontakt mit

die Fig. 9 ist eine Draufsicht auf die Ausfüh- der N-Zone bildet. Während des gleichen Legierungsrungsform des.Thyristors nach der Fig. 8; 30 Schrittes kann zwischen der P-leitenden Endzone 12

die Fig. 10 ist eine Draufsicht auf eine bevor- des Halbleiterkörpers und einer Aluminiumfolie 16 zugte Ausführungsform eines Thyristors nach der als Anode ebenfalls ein breitflächiger ohmscher Erfindung; Kontakt gebildet werden. Im praktischen Ausfüh-

die Fig. 11 zeigt eine teilweise geschnittene rungsbeispiel ist im allgemeinen ein dickeres SubSeitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines 35 strat aus Wolfram oder Molybdän an der Boden-Thyristors nach der Erfindung; fläche der Anode befestigt.

die Fig. 12 bis 14 sind Draufsichten auf weitere Die Endzone 15 des Halbleiterkörpers wird in

Ausführungsformen der Erfindung; ■ mindestens zwei seitlich nebeneinanderliegende Ge-

die Fig. 15 zeigt schematisch eine elektrische biete unterteilt. Nach den Fig. 1 und 2 wird beiSchaltung mit mindestens drei parallelgeschalteten 40 spielsweise die Endzone 15 in zwei Gebiete geteilt, Thyristoren; _; . ... ..; \ . die im folgenden als HauptgebietA und Neben-

: die Fig. 16 zeigt eine teilweise geschnittene Sei- gebietB bezeichnet sind. Beide Gebiete grenzen an tenansichti einer weiteren Ausführungsform eines die innere, P-leitende Zone 14 des Halbleiterkörpers Thyristors nach der Erfindung und seine Schaltung. 11. Das Hauptgebiet A besitzt eine großflächige

Gemäß:den Fig. 1 und 2 enthält ein Thyristor 45 Oberfläche, die mit der Katode 17 ohmsch verbunnach der. Erfindung einen scheibenförmigen, asym- den ist und mit ihr aus einem Stück besteht. Dieses metrisch leitenden Halbleiterkörper 11 mit vier Zo- Hauptgebiet A ist der einzige Teil der Endzone 15, nen 12, 13, 14 und 15 aus Halbleitermaterial, vor- der mit der Katode in Berührung ist. Das benachzugsweise Silicium,: die schichtförmig zwischen zwei barte Nebengebiet B, das kleiner als das Haupt-Hauptelektroden 16 und 17 aus Metall, angeordnet 50 gebiet A dargestellt ist, weist eine kleine frei liegende sind. Benachbarte: Zonen des Halbleiterkörpers 11 Oberfläche 18 auf, die nicht mit der Katode in Beweisen, einen entgegengesetzten Leitungstyp auf,-so rührung ist. i ,; ; w ; ; .,--■: ^ ■■; : daß ihre Grenzflächen PN-Übergänge Jl; Jl, /3 Der Thyristor nach der Erfindung wird durch eine darstellen.;;Nach., der Fig. 1 sind· eine untere, Steuerelektrode eingeschaltet, die nur mit der frei P-leitende Zone 12, eine daran angrenzende innere, 55 liegenden Oberfläche 18 des Nebengebiets B der N-leitende Zone 13, eine weitere innere, P-leitende Endzone 15 direkt in Verbindung steht. Außer einer Zone 14 und.eine obere.N-leitende Endzone 15 vor- Steuerelektrode ist auch jedes bekannte andere Mittel gesehen.;Die eine Hauptelektrode, die Anode 16, ist zum Zünden geeignet. Beispielsweise kann eine elekmit der; P-leitenden; Endzone 12 ohmsch_; und die tromagnetische Strahlung^insbesondere Infrarotlicht, andere? Hauptelektrode, die Katode 17, an der ent- 60 verwendet werden. Es wird jedoch vorgezogen, zum gegengesetzten Seite des Halbleiterkörpers 11 mit der Einschalten entsprechend den F i g. 1 und 2 eine N-leitenden Endzone 15 ohmsch verbunden. . _; ^; Steuerelektrodenzuleitung 19 aus Metall zu verwen-.-_; Obwohl in den Zeichnungen die Dicke der ver- den, die durch mindestens eine nicht ohmsche Steuerschiedenen Zonen stark übertrieben dargestellt ist, elektrode an einem Teil des Nebengebiets B befestigt ist der PNPN-Halbleiterkörper H relativ dünn, z.B. 65 ist, der vom Rand des Hauptgebiets A einen Abstand 0,45 mm dick. Der Durchmesser des scheibenförmi- aufweist. Das Nebengebiet B ist derart ausgebildet gen Halbleiterkörpers ist dagegen relativ groß, z.B. und angeordnet, daß der Querwiderstand zwischen 29,5 mm. Jeder der drei PN-Übergänge Jl, J 2 und der Steuerelektrode 20 und dem Hauptgebiet A we-

sentlich größer als der jedes benachbarten Teils des Hauptgebiets ist, der eine Querdimension aufweist, die gleich dem kürzesten Abstand zwischen der Steuerelektrode 20 und dem benachbarten Hauptgebiet ist. Obwohl man dies dadurch erreichen kann, daß man die elektrischen Eigenschaften des Nebengebiets B im Verhältnis zu denen des Hauptgebiets A ändert, werden vorzugsweise nur die geometrischen Abmessungen verändert.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, erstreckt sich das Nebengebiet B in seitlicher Richtung vom Rand des angrenzenden Hauptgebiets A aus. Zum Vergrößern seines Querwiderstandes ist die Dicke des Nebengebiets verringert, d. h., das Nebengebiet ist dünner als das Hauptgebiet, wobei unter »Dicke« eines Gebiets hier die parallel zum Hauptstromfluß zwischen der Anode 16 und der Katode 17 gemessene Strecke verstanden wird, während »seitlich« oder »quer« eine Richtung senkrecht zum Hauptstromfluß bedeutet.

Das Nebengebiet B wird vorzugsweise dadurch hergestellt, daß ein Teil· des ursprünglichen äußeren Abschnitts der Endzone 15 durch Ätzen oder Abschleifen abgetragen wird, so daß der verbleibende Rest eine wesentlich geringere Dicke aufweist. Wie die Fig. 1 zeigt, bildet das unter dem entfernten Teil verbleibende Material der Endzone 15 das Nebengebiet B, dessen frei liegende Oberfläche 18 zwar tiefer liegt, jedoch immer noch im wesentlichen parallel zur großen Oberfläche des angrenzenden Hauptgebiets A liegt. Da die Oberfläche der Endzone 15, die mit der Katode 17 aus Gold in Berührung steht, einen geringeren spezifischen Widerstand als der tiefer liegende Teil dieser Zone besteht, hat das verbleibende Material der Endzone in dem Nebengebiet B, wenn die N+-leitende äußere Flächenschicht durch Ätzen entfernt ist, einen wesentlich höheren spezifischen Widerstand als das Material des Hauptgebiets A.

Die kleinere Oberfläche 18 des Nebengebiets B der Endzone 15 ist direkt mit der Steuerelektrodenzuieitung 19, die in den Fig. 1 und 2 als länglicher metallischer Leiter dargestellt ist, kontaktiert. Dieser Leiter besteht vorzugsweise aus einem Aluminiumdraht, der unter Ultraschalleinwirkung an der Oberfläche 18 des Nebengebiets befestigt ist und mit diesem mindestens eine kleinflächige Metallelektrode 20 mit nicht ohmsche Metall/Halbleiterkontakt, bildet.

Die Oberfläche 18 des; Nebengebiets B erstreckt sich in seitlicher Richtung vom. Rand der relativ kleinflächigen Steuerelektrode 20 um mindestens 0,25 mm in allen Richtungen. Mit anderen Worten ist die Steuerelektrode.20' yon jedem Randteil der Oberfläche 18 und folglich auch vom in größter Nähe befindlichen frei liegenden, Randteil des PN-Übergangs '/ 3 einen Abstand, entfernt. Hierdurch wird verhindert, daß dpr Steuerstrom zwischen der Steuerelektrode 20 und der Katode 17 das Nebengebiet B über den'relativ, niederohmigen äußeren Pberflächenteil der P-leitenden Zone 14 und die Grenzfläche;'zwischen ' den, ; aneinandergrenzenden Zonen 14 und 15 überbrückt wird.. J ^; . /; ;" So ist "sichergestellt, daß'zwischen dem' Hauptgebiet A und der Steuerelektrode 20 der erwünscht hohe elektrische _; Widerstand · besteht. Nach der Fig; 2 ist die Grenzfläche; zwischen dem Hauptgebiet und dem Neberigebiet konkav gekrümmt, so daß ein Teil von ihr von der einzigen Steuerelektrode 20 einen nahezu gleichen Abstand hat. Hierdurch wird der Steuerstrom gleichförmig über ein größeres peripheres Stück des Hauptgebiets A verteilt.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Thyristor kann in einem hermetisch dicht abgeschlossenen, isolierenden Gehäuse irgendeiner Form eingebettet sein, wobei die Elektroden 16 und 17 und die Elektrodenzuleitung 19 mit entsprechenden Anschlußklemmen am Gehäuse verbunden sind, die zum Anschließen

ίο des Thyristors an einen elektrischen Stromkreis dienen.

Die verbesserten Einschalteigenschaften des Thyristors werden nun in Verbindung mit den Fig. 3 und 4 beschrieben. In der F i g. 3 ist ein Thyristor 21 zwischen zwei Klemmen 23 und 24, über die die Leistung zugeführt wird, mit einem Verbraucher 22 in Reihe geschaltet. In Reihe mit beiden liegt außerdem beispielsweise eine Induktivität 25, die zum Begrenzen des Stromanstiegs di/dt dient. Der Thyristor 21 entspricht dem Thyristor 11 nach Fig. 1. Zum Einschalten dieses Thyristors wird an seine Steuerelektrodenzuleitung 19 mittels einer Spannungsquelle, die nach der Fig. 3 z. B. aus einer Batterie 26, einem meist offenen Schalter 27 und einem Widerstand 28 besteht, ein Zündsignal_;._:angelegt. Der negative Pol der Batterie 26 ist mit der Katode 17 des Thyristors 21 verbunden, .während der Widerstand 28 an die Steuerelektrodenzuleitung 19 angeschlossen ist. Hierdurch ergibt sich beim Schließen des Schalters 27 die für ein Zündsignal übliche Stromrichtung, d. h., der Strom fließt von der Steuerelektrodenzuleitung 19 durch den Halbleiterkörper zu Katode 17. Ein derart gerichteter Strom wird im folgenden als positiver Steuerstrom bezeichnet. Dem Thyristor 21 ist außerdem ein übliches Dämpfungsglied parallel geschaltet, das hier aus einem Widerstand 29 und einem mit diesem in Reihe liegenden Kondensator 30 besteht und häufig dazu verwendet wird, die maximale Anstiegsgeschwindigkeit der Anodenspannung in Vorwärtsrichtung zu verringern. Während des Einschaltvorgangs wird durch die Entladung des Kondensators 30 dem Thyristor ein hohes di/dt ermöglicht.

Wenn der Thyristor 21 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird, d. h., wenn das Potential an der Klemme 23 positiv gegenüber dem Potential an der Klemme 24 ist, dann wird der Katodenstrom durch Schließen des Schalters 27 ausreichend erhöht, und der Thyristor geht abrupt vom ausgeschalteten Zu-

stand in den eingeschalteten¹ Zustand'über. Nach diesem Zustandswechs el verliert die Steuerelektrodenzuleitung 19 ihre Steuerungsfähigkeit, bis der durch den Thyristor fließende Anodenstrom irgendwann unter den Haltestrom erniedrigt wird und der Thyristor in den. ausgeschalteten Zustand zurückkehrt. Bei dem Thyristor nach der Erfindung erfolgt dieser Einschaltvorgang schon bei ungewöhnlich kleinen:; Vorwärtsspannungen und mit ungewöhnlich kleinen Zeitverzögerungen, ohne daß andere vorteilhafte Eigenschaften der bekannten Thyristoren verändert sind. Die kurze Zündverzugszeit ist in der F i g. 4 dargestellt in der die Kurvenstücke 31 bzw. 32 den Verlauf der Anodenspanriung und der Steuerelektrodenspannung bei einem Thyristor nach' der Erfindung angeben. Die Nennwerte des untersuchten Thyristors liegen bei mehr als 250 A und mehr als 1800 V Rückwärtssperrspannung. Als Vorwärtsspannung wird eine Gleichspannung von 15 V ver-

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wendet. Zum Zeitpunkt t₀ wird der Schalter 27 des tiert ist, dann entsteht ein nicht ohmscher Metall-Steuerstromkreises geschlossen. Der resultierende Halbleiter-Kontakt. Derartige Kontakte werden positive Steuerstrom hat eine Stromstärke von etwa ■. manchmals als Schottky-Dioden bezeichnet. Der mit 1 A und die Spannung zwischen der Steuerelektro- der Steuerelektrodenzuleitung 19 in Berührung stedenzuleitung 19 und der Katode 17 beträgt zu Be- 5 hende Teil des N-leitenden Nebengebiets B wirkt bei ginn 15 V. Der Verbraucherstrom steigt von Null mit einem solchen Kontakt als Inversionsschicht, d.h., einer Geschwindigkeit von 1 Ampere pro Mikro- es wird, wie in der F i g. 5 angedeutet ist, eine flache Sekunde. Die Zündverzugszeit beträgt etwa 0,1 Mi- Zone 33 P-leitend, wodurch ein gleichrichtender PN-krosekunden. Übergang 74 entsteht. Die Existenz dieses nicht ohm-

Beim Prüfen der Thyristoren nach der Erfindung io sehen Kontaktes wird durch Messung seiner Stromhat sich ergeben, daß sie alle gleichzeitig eingeschal- Spannungs-Kennlinie 34 bestätigt, die in der Fig. 6a tet werden, wenn sie mit einem sehr kurzen positiven dargestellt ist. Sein Zustandekommen kann dadurch Stromimpuls gezündet werden, und daß sie gleich- erklärt werden, daß das angrenzende Metall der förmig niedrige Einschaltspannungen aufweisen. Ob- Steuerelektrodenzuleitung 19 ausreichend viele Elekgleich mit einem positiven Steuerstrom von nur etwa 15 tronen aus der Oberflächenzone des mittelmäßig stark 0,1 A bei 2 V gut eingeschaltet werden kann, wird dotierten N-leitenden Nebengebiets B in dessen innebei den meisten hier betrachteten Anwendungsbei- ren Teil drängt und dadurch die Zone 33 leert und in spielen eine Übersteuerung vorgezogen. Auf diese eine P-leitende Zone umwandelt.
Weise kann man einen verbesserten di/tüi-Wert er- Beim Anlegen eines positiven Signals an die Steuerhalten. ²⁰ elektrodenzuleitung 19 spielen sich nacheinander bzw.

Auf zwei wesentliche Eigenschaften der Thyristoren scheinbar gleichzeitig die folgenden Vorgänge ab. Der nach der Erfindung sei an dieser Stelle nochmals hin- PN-Übergang /4 wird in Vorwärtsrichtung vorgegewiesen. Einerseits können in der Massenproduktion spannt und die P-leitende Zone 33 emittiert Löcher, Thyristoren hergestellt werden, deren Zündverzugs- die in das N-leitende Nebengebiet B injiziert werden, zeit nicht nur ungewöhnlich kurz ist (bei normalen 25 wie es in der Fig. 5 durch den Pfeil 35 angedeutet Betriebsbedingungen nicht mehr als etwa 0,3 Mikro- ist. Diese Löcher sind in dem Nebengebiet B Minosekunden), sondern auch innerhalb einer Herstellungs- ritätsladungsträger. Wenn sie in große Nähe des in reihe mit 0,3 Mikrosekunden bei allen Thyristoren Rückwärtsrichtung vorgespannten PN-Übergangs 73' nahezu gleich sind. Eine solche Übereinstimmung ist gelangen, werden die meisten von ihnen sofort durch ein beträchtlicher Vorteil bei Leistungsschaltungen in 30 dessen Raumladung beeinflußt und durch diesen PN-vielen praktischen Anwendungsbeispielen. Anderer- Übergang 73'in die angrenzende P-leitende Zone 14 seits werden die verbesserten Eigenschaften der hier überführt, wie es durch den Pfeil 36 angedeutet ist. beschriebenen Thyristoren durch Verwendung der Wegen der relativ kleinen Abstände und der Bebekannten Herstellungseinrichtungen und Herstel- schleunigungswirkung der Raumladung in dem Belungsverfahren erhalten, ohne daß die bisher erreich- 35 reich unterhalb der Steuerelektroden ist die Überbaren hohen Strom- und Spannungswerte verloren- gangszeit für die Minoritätsträger äußerst klein, gehen. Außerdem ist der Transportkoeffizient außerordent-

Im folgenden wird versucht, an Hand der F i g. 5 lieh groß, da der von den Löchern zu durchdringende den Einschaltvorgang der oben beschriebenen Thyri- Teil des Nebengebiets B sehr dünn ist und derjenige stören in Verbindung mit den sich dabei ergebenden 40 Teil der N-leitenden Endzone, in dem die Dichte der Verbesserungen der Einschaltcharakteristik zu er- Rekombinationszentren relativ hoch war, beim Ausklären. Die F i g. 5 ist eine der F i g. 1 ähnliche Dar- bilden des Nebengebiets durch Ätzen entfernt worden stellung des Thyristors, wobei jedoch das Haupt- ist. Die Injektion von Löchern an der Stelle 36 in gebiet/i und das Nebengebiet B, aus denen die die P-leitende Zone 14 ist bekanntlich durch eine N-leitende Endzone an der Katodenseite des Halb- 45 gleichzeitige Ejektion von gleich vielen Löchern aus leiterkörpers besteht, einen Abstand voneinander auf- dieser Zone begleitet. Solange die PN-Übergänge 72 weisen und durch einen Widerstand R leitend mitein- und 73' beide in Rückwärtsrichtung vorgespannt sind, ander verbunden sind. Der Widerstand R ersetzt den werden diese gleich vielen Löcher bevorzugt den relativ hohen Querwiderstand, den das Nebengebiet B Übergang 73 durchdringen und in das N-leitende zwischen der Steuerelektrode auf der frei liegenden 50 Hauptgebiet A eindringen, wie es durch den Pfeil 37 Oberfläche dieses Gebiets und der Katode 17 für den angedeutet ist. Dieser Löcherstrom in Vorwärtsrich-Steuerstrom darstellt. In der Fig. 5 ist außerdem der tung durch den Übergang 73 hat notwendigerweise PN-Übergang zwischen dem Nebengebiet B und der zur Folge, daß Minoritätsladungsträger, also Elekangrenzenden P-leitenden Zone 14 mit 73' bezeich- tronen, gleichzeitig von dem Häuptgebiet A in die net. Wenn am Anfang eine positive Steuerspannung 55 P-leitende Zone 14 injiziert werden, wie es durch den Vg angelegt wird, dann wird dieser PN-Übergang 73 gestrichelten Pfeil 38 angedeutet ist. Verglichen mit in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Die resultierende dem- Nebengebiet B hat das Hauptgebiet>4 eine Raumladungszone ist durch" die parallelen gestrichel- größere Dotierungskonzentration, und ist daher ein ten Linien zu beiden Seiten" des PN-Übergangs 73' besserer Elektronenemitter, d. h., es wirkt als Reserangedeutet. Die gestrichelten Linien zu beiden Seiten 60 yoir freier Elektronen für eine erzwungene Injektion des sperrenden PN-Ubergangs 72 zwischen den bei- durch den in Vorwärtsrichtung/vorgespannten PN-deri inneren Zonen, 13 und 14 deuten die Raum- Übergang 73 in die benachbarte P-leitende Zone 14. ladungszone an, die durch das Anlegen der Vorwärts- Gleichzeitig fließt ein kleiner Elektronenstrom (Pfeil spannung zwischen Anode 16 und Katode 17 vor 39) von dem Hauptgebiet durch den Querwiderdem Einschaltvorgang erzeugt wird. 65 stand i? zur Steuerelektrodenzuleitung 19. Da der

,,Wenn die Oberfläche des Nebengebiets B direkt Widerstand dieses Strompfades jedoch sehr groß ist, mit der metallischen Steuerelektrodenzuleitung 19, ist dieser verlorene Strom vernächlässigbar. Ein bealso ohne einen PN-Übergang, nicht ohmsch kontak- trächtlicher Teil der in die P-leitende Zone 14 inji-

zierten freien Elektronen 38 diffundiert schnell zur Raumladungszone des in Riickwärtsrichtung vorgespannten PN-Übergangs Jl, durchdringt diesen und wird in! die innere N-leitende Zone 13 injiziert, wie durch den gestrichelten Pfeil 40 angedeutet ist. Die daraus resultierende Überschwemmung des PN-Übergangs Jl mit Ladungsträgern führt zu einer Entladung der Raumladungszone in der Nähe des Pfeils 40 und zum Beginn eines Anoden-Katoden-Stromflusses durch diesen breitflächigen PN-Übergang Jl des Halbleiterkörpers. Wenn dieser Strom ansteigt, wird er sehr schnell von der zuerst leitenden Stelle aus über die gesamte Fläche des Halbleiterkörpers in seitlicher Richtung ausgebreitet.

Dieser einstufige Einschaltvorgang ist ungewöhnlich wirkungsvoll und schnell und führt gleichzeitig zu einer kleineren Ausschaltverzögerung. Die kritische Größe des Steuerstroms, die ein erfolgreiches Zünden des Thyristors ermöglicht, kann durch das obenerwähnte Ätzen des Neben gebiets B und durch die Lage und die Größe der Steuerelektrode auf diesem gesteuert werden. Diese Größen bestimmen nämlich den Querwiderstand des Nebengebiets zwischen der Steuerelektrode und dem Hauptgebiet A. Je dünner das Nebengebiet ist, um so kleiner ist der kritische Steuerstrom, um so größer ist jedoch die erforderliche Steuerspannung zum Erzeugen dieses Steuerstroms. Nach Wahl eines gewünschten Steuerstroms kann die anfängliche, erste Einschaltfläche des Thyristors dadurch vergrößert und können die Zündverzugszeit und die EinsGhaltspannung dadurch verringert werden, daß man die Steuerelektrode übersteuert. Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Steuerelektrode wird außerdem von der Stärke des Ätzens vor dem Anbringen der Steuerelektrode an der frei liegenden Oberfläche des Nebengebiets beeinflußt.

Die Fig. 5 legt die Alternative nahe, eine nicht ohmsche Steuerelektrode an dem N-leitenden Nebengebiet B dadurch herzustellen, daß man zwischen dem Nebengebiet B und der Steuerelektrodenzuleitung 19 eine dünne, P-leitende Zone anbringt. Eine derartige Ausführungsform ist in der F i g. 7 dargestellt, die sich von der Ausführungsform nach der Fig. 1 nur dadurch unterscheidet, daß auf der Oberfläche 18 des Nebengebiets B der Endzone 15 des Halbleiterkörpers 11α eine dünne P-leitende Zone 41 vorgesehen ist. Die Steuerelektrodenzuleitüng 19 ist mit der mit ihr in Reihe liegenden zusätzlichen Zone 41 verbunden. Der Einschaltvorgang dieser abgeänderten Ausführungsform ist ähnlich wie bei der oben beschriebenen Ausführungsförm. ^{; y}" ■

Die zusätzliche Zone 41 gemäß'der Fig. 7 kann auf bekannte Weise epitaktisch 'niedergeschlagen werden, wobei zwischen ihr und der benachbarten Zone ein PN-Übergang gebildet wird. ''- ^:; ■'■■■ -^: - ■

Wenn ein komplementärer Thyristor erwünscht ist, in der die metallische Steuerelektrode mit demNeberigebiet einer P-leitenden Endzone verbünden ist, dann sollte derjenige Teil der Steuerelektrode, der mit der frei liegenden Oberfläche¹ des Nebengebiets in Kontakt ist,: vorzugsweise ein Donatormetall," wie Phosphor, ^;;Arsen,' Antimon, Wolfram ^l oder Nickel, sein!'- ^;;:^; · ■■■'■{'-■' ■■·■■ -'-.^-'^ :■ ^-^^v- ,-■■..-::_r:_:y..·

Zwischen der zusätzlichen Zone 41 und dem Rand des dickeren Hauptgebiets A der Endzone 15 ist ein Spalt vorgesehen, so daß der Querwiderstand des Nebengebiets zwischen der Steuerelektrode und dem Hauptgebiet relativ hoch bleibt. Im Bedarfsfall können das Nebengebiet B und die auf ihr angeordnete dünne, schmale Zone 41 längs des Randes des Hauptgebiets über ein größeres Stück verlängert werden. Viele verschiedene Aüsfuhrungsformen sind möglich.

Beispielsweise könnte ein ringförmiges Nebengebiet vorgesehen sein, das das Hauptgebiet ringförmig umgibt, wobei die zusätzliche Zone 41 als schmales, ringförmiges Band ausgebildet sein kann, das konzentrisch auf dem Nebengebiet liegt.

ίο Eine weitere Ausführungsform des Thyristors nach der Erfindung ist in den F i g. 8 und 9 dargestellt. Der in diesen beiden Figuren gezeigte Thyristor 11 b unterscheidet sich von dem Thyristor 11 nach den F i g. 1 und 2 dadurch, daß das Nebengebiet B der Endzone 15 kreisförmig ausgebildet und innerhalb des Umfangs der Katode 17 und dem benachbarten Hauptgebiet A angeordnet ist. Hierzu ist in die ursprüngliche Katode 17 eine Öffnung geätzt. Das Nebengebiet B liegt durch diese Öffnung hindurch frei, und seine Oberfläche 18 ist sowohl von dem Hauptgebiet A als auch von der Katode 17 vollständig umgeben. In der Mitte der Oberfläche dieses Nebengebiets B ist die Steuerelektrodenzuleitung 19 mit einer nicht ohmschen Steuerelektrode angebracht.

Wie in den obigen Ausführungsbeispielen erstreckt sich die die Oberfläche 18 des Nebengebiets, B in seitlicher Richtung über den Rand der Steuerelektrode 20 hinaus und der unterhalb dieser Oberfläche liegende Teil der Endzone 15 ist merklich dünner als alle anderen angrenzenden Teile des Hauptgebiets A. Im Bedarfsfall kann das Nebengebiet B, das in den Fig. 8 und 9 dargestellt ist, konzentrisch auf der Achse des scheibenförmigen Halbleiterkörpers lib angeordnet sein.

Die in der Fig. 10 dargestellte Ausführungsform des Nebengebiets B wird bevorzugt verwendet, da für diese die geringsten Änderungen der vorhandenen Produktionseinrichtungen und -verfahren notwendig sind. Bei dem in der Fig. 10 dargestellten Halbleiterkörper lic ist ein Randsegment der Katode 17 weggeätzt. Außerdem ist ein entsprechendes Segment der Endzone 15 des Halbleiterkörpers weggeätzt,; wodurch das Nebengebiet B entsteht. Dieses Neberigebiet hat querdurch eine Länge von 0,25 mm. Ein mittlerer Teil seiner frei liegenden Oberfläche 18 ist durch eine nicht ohmsche Steuerelektrode an einer oder mehreren Stellen mit der Steuerelektrodenzuleitung 19 verbunden. ■; ^:: :";;?;,'; : ;;:=-·:, Bei dem Thyristor Huf nach der F i g. 11 wird ein hoher Querwiderstand zwischen dem Hauptgebiet A der Endzone 15 und dem mit der Steuerelektrodenzuleitüng 19 im kontaktierten Teil des N-leitenden Nebengebiets B dadurch erhalten, daß das Nebengebiet durch einen Spalt 42, in dem sich keinerlei HaIbleitermaterial von der Endzone 15 mehr befindet, von dem Hauptgebiet A getrennt ist. ^ ' ; ; ;;:i ;;:! :

In der Fig: 12 ist ein Thyristor lie dargestellt, der zwei diametral einander gegenüberliegende Nebengebiete ßl' und B2 aufweist^ die äm-Rand der

oberen Endzone ausgebildet sind. Die Steuerelektrodenzuleiturig'i9^; dieses'Thyristors enthält fzweis Zu- ■ Ieitungszweigel43 umd 44. Die frei liegende Oberfläche des Nebengebiets B1 ist mit dem Zuleitungszweig 43 und die frei liegende Oberfläche des Neben- gebiets Bl mit dem elektrisch parallelen Zuleitungszweig 44 durch je eine nicht ohmsche Steuerelektrode verbunden. Beide Nebengebiete und die zugehörigen Steuerelektrbden sind in der gleichen Weise ausge-

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bildet und angeordnet, wie es in Verbindung mit den sind, die beide gleichzeitig als Wärmesenken dienen F i g. 1 bis 5 beschrieben ist. Mit dem Thyristor nach können. Die Anodenleitung 45 ist mit dem einen Pol der Fig. 12 soll die anfängliche Einschaltfläche des 47 einer Spannungsquelle verbunden, während die Thyristors verdoppelt und daher die Anstiegsge- Katodenleitung 46 über einen Starkstromverbraucher schwindigkeit di/dt weiter verbessert werden. In glei- 5 48 mit dem anderen Pol 49 der Spannungsquelle vercher Weise wie bei dem Thyristor nach Fig. 12 bunden ist. Die Steuerelektrodenzuleitung 19 jedes könnten im Bedarfsfall noch weitere Nebengebiete Thyristors 21 ist über je einen Widerstand SO mit vorgesehen sein, von denen mindestens eines inner- einer gemeinsamen Spannungsquelle für einen posihalb der Endzone liegen könnte. tiven Steuerstrom verbunden, die der Fig. 15 ent-Zur Verminderung der Steuerspannung, die zum io sprechend aus einem meist offenen Schalter Sl und Erzeugen des zum Einschalten des Thyristors er- einer Batterie 52 bestehen kann, deren negativer Pol wünschten positiven Steuerstroms erforderlich ist, ist mit den Katoden der Thyristoren verbunden ist. An es manchmal von Vorteil, eine Anordnung mit meh- Stelle dieser Spannungsquelle kann jede andere gereren Steuerelektroden zu verwenden, wie es in den eignete Spannungsquelle verwendet werden, beispiels-F ig. 13 und 14 angedeutet ist. In beiden Figuren 15 weise die mit einer Diode in Reihe liegende Sekundärsind Thyristoren gezeigt, bei denen das Nebengebiet wicklung eines Transformators. Wenn mittels der und die Steuerelektrodenzuleitung durch mindestens Leitungen 47 und 49 eine Spannung in Vorwärtszwei einen Abstand voneinander aufweisende Steuer- richtung an den Thyristoren angelegt ist, dann kann elektroden verbunden sind. Beim Ausführungsbeispiel der Anodenstrom durch Schließen des Schalters 51 nach der Fig. 13 ist die frei liegende Oberfläche des 20 und das dadurch bedingte Einschalten der drei Thy-Nebengebiets B des Thyristors 11/ mit den Steuer- ristoren 21 eingeschaltet werden. Parallel zu den elektroden von zwei verschiedenen Zuleitungszweigen Thyristoren 21 können nicht gezeigte Dämpfungs-43 und 44 der Steuerelektrodenzuleitung 19 nicht glieder liegen, und eine¹ die Anstiegsgeschwindigkeit ohmsch kontaktiert. Der Thyristor 11g nach der di/dt begrenzende Induktivität kann in Reihe zu den Fig. 14 ist dagegen mit einem Nebengebiet B ver- 25 Thyristoren geschaltet sein.

sehen, dessen frei liegende Oberfläche an drei Stellen Die in der Fig. 15 gezeigten Thyristoren 21 stam-20 a, 20 b und 20 c mit drei getrennten Teilen eines men von gleichen Herstellungsreihen, damit keine Steuerelektrodendrahtes der Steuerelektrodenzuleitung Anpassungsschwierigkeiten bestehen. Die relativen 19 nicht ohmsch kontaktiert ist. Im Bedarfsfall könnte Werte der ohmschen Widerstände 50 sind derart gedas Nebengebiet B das Hauptgebiet A vollständig 30 wählt, daß ein gleichzeitiges Einschalten der drei umgeben und auf seiner ringförmigen Oberfläche Thyristoren erleichtert wird. Wenn die Widerstandskönnten weitere Steuerelektroden der Steuerelektro- werte alle gleich wären, dann könnten diese drei denzuleitung 19 vorgesehen sein. Die Steuerelektro- Impedanzen zu einer einzigen äquivalenten Einheit den sind im Verhältnis zur Grenzfläche zwischen dem zusammengefaßt oder gemeinsam weggelassen wer-Hauptgebiet und dem Nebengebiet vorzugsweise der- 35 den. Da die Zündverzugszeiten der Thyristoren sehr art angeordnet, daß ein größerer Teil der Grenzfläche gut übereinstimmen und sehr kurz sind, kann angevon ihnen einen nahezu gleichen Abstand hat. Hier- nommen werden, daß sie gleichzeitig in den eingedurch wird die Verteilung des Steuerstroms, der zwi- schalteten Zustand gebracht werden. Dadurch wird sehen der Katode 17 und der Steuerelektrodenzulei- der beim Einschaltvorgang durch die Anodenleitung tung 19 fließt, verbessert und das Beginnen des An- 40 fließende Gesamtstrom zu gleichen Teilen unter sie odenstroms in einem breitflächigen Querschnittsteil aufgeteilt. Wenn einer der Thyristoren beim gemeindes Halbleiterkörpers unterhalb eines relativ breiten samen Einschaltvorgang mehr als seinen Anteil des Teils der Katode 17 sichergestellt. Um eine gleich- ansteigenden Anodenstroms übernimmt, dann können mäßige Aufteilung des Steuerstroms zu erreichen, sich alle anderen Thyristoren, da sie sehr geringe können in die Zuleitungszweige 43 und 44 der in der 45 Einschaltspannungen besitzen, trotzdem schnell dem Fig. 13 gezeigten Steuerelektrodenzuleitung Aus- voll eingeschalteten Zustand annähern, selbst wenn gleichsimpedanzen eingeschaltet werden. Durch eine ihre Vorwärtsspannung bis auf den Wert des Spanderartige Anordnung mit mehreren Steuerelektroden nungsabfalls an dem einen eingeschalteten Thyristor wird jedoch das Schaltverhalten auch ohne gleichför- abfällt. Auf diese Weise ist ein erfolgreicher Parallelmige Stromaufteilung verbessert, was wahrscheinlich 50 betrieb sichergestellt. ;■■;; _; ; ~_; . :_{: !;}
darauf zurückzuführen ist, daß die * anfänglich , den Ein letztes Ausführungsbeispiei ist in der Fig. 6 geringsten Strom führenden Steuerelektroden trotz- dargestellt. Dieser PNPN^Thyristor 11 h ist im wedem eine beträchtliche Anzahl von Minoritätsladungs- sentlichen den oben beschriebenen Thyristoren gleich, trägern in das N-leitende Nebengebiet B liefern, wo- Eine Endzone 15 aus Halbleitermaterial ist in mindurch zusätzliche Flächenbereiche für eine nahezu 55 destens zwei benachbarteGebieteA und B untersofortige Ausbreitung des Anodenstroms zu Beginn schiedlicher Dicke geteilt. Ein größerer, Teil des des Leitungszustands des Thyristors genutzt werden. Hauptgebiets A ist in breitflächigem ohmschem Kon- : Nach einer, weiteren Ausführungsform des Thyri- ..takt mit der Katode 17, während das dünnere Nebenstors nach der Erfindung könnten die in der Fig. 14 gebiet B eine Heinere frei liegende Oberfläche 18 gezeigten Steuerelektroden 20 α und 20 c durch einen 60 aufweist, die nicht nut; derKatode verbunden ist. Draht oder einen schmalen Metallstreifen verbunden Zum Einschalten dieses Thyristors ist die frei liegende sein, der mit der frei liegenden Oberfläche des Neben- Oberfläche 18 des Nebengebiets in nicht ohmschem gebiets B kontinuierlich in Kontakt ist. I _: Γ: Kontakt mit einer Steuerelektrodenzuleitung 19, die

In derFig. 15 ist schematisch eine Schaltung mit beispielsweise aus einem Aluminiumdraht besteht,
einer parallelen Reihe von Thyristoren 21 nach der 65, Das Nebengebiet B der N-leitenden Endzone 15

Erfindung gezeigt. Die Schaltung enthält drei Thyri- des Thyristors HA ist in konstruktiver Hinsicht im

stören, die durch eine gemeinsame Anodenleitung 45 wesentlichen gleich dem des in der Fig. 1 gezeigten

und eine gemeinsame Katodenleitung 46 verbunden Thyristors 11. Zur Verringerung der Dicke der End-

zone 15 in dem Teil, der den mit der Steuerelektrode versehenen Teil der Oberfläche 18 umgibt, wird wiederum ein Ätzschritt durchgeführt, so daß der Querwiderstand des'Nebengebiets vergrößert ist. Wie jedoch in der Fig. 16 gezeigt ist, ist die Steuerelektrode 20 auf einem mesaförmigen Teil der frei liegenden Oberfläche 18 vorgesehen, dessen Dicke im Verhältnis zum benachbarten Hauptgebiet nicht verringert ist. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß man die Steuerelektrodenzuleitung 19 vor dem Ätzen mit dem Nebengebiet B verbindet. Durch das Entfernen von Halbleitermaterial auf der rechten Seite der Steuerelektrode 20 bei Blickrichtung auf die Fig. 16 werden unerwünschte Leck-Steuerströme verringert, die über den relativ niederohmigen Oberflächenteil der angrenzenden P-leitenden Zone 14 fließen können.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 16 sind die Anode 16 und die Katode 17 des Thyristors lift an eine Schaltung angeschlossen, die Klemmen 53 und 54 zum Zuführen der elektrischen Leistung und einen Verbraucher 55 enthält. Zum Einschalten des Thyristors wird an der frei liegenden Oberfläche 18 des Nebengebiets B mittels einer geeigneten Spannungsquelle ein Einschaltsignal gelegt. Die Spannungsquelle kann beispielsweise eine Batterie 56, einen meist offenen Schalter 57 und einen zwischen der Katode 17 und der Steuerelektrodenzuleitung 19 in Reihe liegenden Widerstand 58 enthalten. Dieses Ausführungsbeispiel des Thyristors nach der Erfindung kann jedo_%ch mit negativen Steuerströmen eingeschaltet werden und ist daher gemäß der Fig. 16 der positive Pol der Batterie 56 mit der Katode 17 verbunden.

Wenn die Anode 16 des Thyristors 11Λ in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, dann kann der Verbraucherstrom durch Schließen des Schalters 57 eingeschaltet werden, da hierdurch der Thyristor vom ausgeschalteten Zustand abrupt in den eingeschalteten Zustand übergeht. Die Einschaltcharakteristik dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von denen der bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele dadurch, daß erstens die Zündverzugszeit nicht so kurz ist, zweitens die Einschaltspannung niedriger ist und drittens die zum Einschalten des Thyristors mindestens benötigte negative Stromstärke kleiner ist.

Der Einschaltvorgang des in der Fig. 16 dargestellten Ausführungsbeispiels kann auch in folgender Weise beschrieben werden. Die Steuerelektrode 20 zwischen der Steuerelektrodenzuleitung 19 und der kleinen Oberfläche 18 des Nebengebiets B bildet einen nicht ohmschen Kontakt. Die Existenz dieses nicht ohmschen Kontaktes kann durch Messen einer Strom-Spannungs-Kennlinie 59 festgestellt werden, deren typischer Verlauf in der Fig. 6b dargestellt ist. Diese Kennlinie unterscheidet, sich von der Kennlinie 34 in der Fig. 6a deswegen, weil von der ursprünglichen Oberfläche des Nebengebiets B vor dem Anbringen der Steuerelektrode weniger Halbleitermaterial entfernt worden ist. Der hier mit ursprüngliche Oberfläche bezeichnete Oberflächenteil besitzt einen geringeren spezifischen Widerstand als der innere Teil der Endzone 15 und infolgedessen hat bei dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 16 die mit der Steuerelektrodenzuleitung 19 in Berührung stehende Oberfläche des Nebengebiets B eine relativ geringe Sperrschichtpotentialhöhe. ^!

Beim Anlegen eines negativen. Signals an die Steuerelektrodenzuleitung 19 wird der nicht ohmsche Metall-Halbleiter-Kontakt mit dem Nebengebiet B in Rückwärtsrichtung vorgespannt, wodurch eine ausreichende Anzahl freier Elektronen in das N-leitende Nebengebiet injiziert wird. Der hohe Querwiderstand dieses Gebiets zwischen der Steuerelektrode 20 und

ίο der Katode 17 stellt sicher, daß die meisten dieser Elektronen sofort durch den in Vorwärtsrichtung vorgespannten PN-Übergang unterhalb des Nebengebiets B in die angrenzende P-leitende Zone 14 gelangen. Viele der in die Zone 14 injizierten Elektronen diffundieren schnell zur Raumladungszone des sperrenden PN-Übergangs 72 zwischen dieser Zone 14 und der inneren N-leitenden Zone 13, worauf sie durch diesen PN-Übergang /2 geschwemmt und in die Zone 13 injiziert werden. Durch die an die Steuerelektrode 20 gelegte negative Steuerspannung wird die Raumladungszone des sperrenden PN-Übergangs 72 in der Nähe der Steuerelektrode 20 erhöht, wodurch jede beliebige Spannung an der Anode des Thyristors vergrößert wird, so daß die oben beschriebenen Vorgänge eine geringere Vorwärtsspannung zur Folge haben, als es auf andere Weise möglich wäre. Die folgende Überflutung des sperrenden PN-Ubergangs J 2 mit Ladungsträgern leitet das Fließen des Anodenstroms in demjenigen Bereich des HaIbleiterkörpers ein, welcher unterhalb der Steuerelektrode liegt. Um die Katode 17 zu erreichen, muß der Strom notwendigerweise in Querrichtung durch das Nebengebiet B fließen, was einen beträchtlichen Spannungsabfall daran zwischen der Steuerelektrode 20 und der Katode 17 zur Folge hat. Durch den hohen Querwiderständ des Nebengebiets B wird ein beträchtlicher Teil des anfänglich durch dieses Gebiet fließenden Stroms sofort auf einen parallelen Strompfad umgelenkt, der die angrenzende P-leitende Zone 14 und den PN-Übergang /3 zwischen dieser und dem Hauptgebiet A der N-leitenden Endzone 15 des Thyristors 11/z enthält. Dieser umgelenkte Strom stellt ein relativ großes Zündsignal auf einer breiten Fläche unterhalb der Katode 17 dar. Der Anodenstrom wird dann abrupt von dem zuerst eingeschalteten Bereich auf einen breiten Bereich nahe einem Randabschnitt des Hauptgebiets A umgelenkt. Da dieser Strom immer mehr anwächst, wird er schnell in seitlicher Richtung über die gesamte Breite des Thyristors ausgebreitet.

An Stelle der Steuerelektrode können andere Mittel zum Einschalten des Thyristors verwendet werden. Beispielsweise kann ein Lichtstrahl auf die frei liegende Oberfläche 18 des Nebengebiets B fokussiert werden, wodurch das Nebengebiet B des Thyristors der Fig. 16 angeregt wird. Wie in Verbindung mit den Fig. 13 und 14 beschrieben ist, kann sich in manchen Fällen eine Anordnung mit mehreren Steuerelektroden als vorteilhaft erweisen. Wenn zwisehen der Steuerelektrodenzuleitung 19 und der frei liegenden Oberfläche 18 des Nebengebiets B mehr als eine Steuerelektrode vorgesehen ist, dann ist die Fläche des zuerst eingeschalteten Bereiches des Thyristors und daher auch die Anstiegsgeschwindigkeit dildt größer.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

409582/167

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper rriit vier aufeinanderfolgenden Zonen von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, mit zwei an den einander gegenüberliegenden Endzonen angebrachten Hauptelektroden und mit einer Steuerelektrode an dem Halbleiterkörper, bei dem die eine seiner beiden Endzonen ein Hauptgebiet und ein daran angrenzendes Nebengebiet aufweist, das Hauptgebiet von der Hauptelektrode großflächig und ohmsch kontaktiert ist und das Nebengebiet von der Hauptelektrode nicht kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerelektrodenzuleitung (19) mit dem . Nebengebiet (B) über eine nicht ohmsche Steuerelektrode (20) verbunden ist und daß der elektrische Widerstand des Nebengebiets (B) zwischen der Steuerelektrode (20) und dem Hauptgebiet (A) größer als der von jedem an das Nebengebiet (B) angrenzenden Bereich des Hauptgebiets (A) ist, dessen Breite gleich dem kürzesten Abstand zwischen der Steuerelektrode . (20) und dem Hauptgebiet (A) ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand der Kontaktfläche der Steuerelektrode (20) vom Rand der Oberfläche (18) des Nebengebiets (B) einen Abstand aufweist.

3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebengebiet (B) dünner als jeder an es angrenzende Bereich des Hauptgebiets (A) ist.

4. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf dem Nebengebiet (B) eine dünne zusätzliche Schicht (41) vo'n dem zur Endzone (15) entgegengesetztem Leitungstyps befindet, an der die Steuerelektrodenzuleitung (19) angebracht ist, wobei der PN-Übergang zwischen der dünnen zusätzlichen Schicht (41) und dem Nebengebiet (B) den PN-Übergang zwischen der nicht ohmschen Steuerelektrode (20) und dem Nebengebiet (B) ersetzt.

5. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebengebiet (B) und das Hauptgebiet (A) aufgrund eines Spaltes (42) in der Endzone (15) einen Abstand voneinander aufweisen. '■"■':

6. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endzone (15) zwei Nebengebiete (51, Bl) in einem Abstand voneinander aufweist, die mit mindestens je einer nicht ohmschen Steuerelektrode einer gemeinsamen Steuerelektrodenzuleitung (19) versehen sind.

7. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebengebiet (5) einen größeren spezifischen Widerstand als das Hauptgebiet (A) aufweist.