DE1614149A1 - Symmetrischer Thyristor - Google Patents

Description

• Symmetrischer Thyristor Die Erfindung bezieht sich auf Halblei.terzeileng insbesondere auf steuerbare symmetrische Siliziu-mventile und kann für statische Stromricht#erg für regelbare elektrische 4utriebeg für umkehrbare Wechselrichter uswo Anwendung fin-. den., Bekannt eind auf einer Grundplaüte mit fünf Schichten aufgebaute symmetrische Thyristorent bei denen die Umitter-Übergänge der oberen und#der unteren Schicht als Tunnelübergänge ausgeführt oder Überbrückt sind. Die Beeinflussung.des negativen und positiven Zweiges der Ste,om#SpannUngs-Kennlinie erfolgt mittels zweier an den äußeren n-leitenden Schichtän (dünnen Baeisschichten) angeschlossenen Steuerelekt;roden bzw. mittels einer an der dicken, Basis-angeschlossenen Steuerelektrodeo Bei Steuerung mit zwei glektroden wird der Steuerstromimpuls zwischen Stauerelektrode und Kathode für jede Stromrichtung getrennt -auf"elagtg so daß insgesamt zwei Steuereinheiten erforderlicheindo Bei Steuerung mit einer Elektrode wird der Steuerstromimpuls zwischen Steuerelektrode und Anode anGelegt. Hier sind ebenfalls zwei Steuereinheiten erforderlich, und zwar für jede Stromrichtung eine* Die Notwendigkeit des Einsatzes zweier Steuereinheiten ist der Hauptnachteil der bekannten symmetrischen Thyristorene Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindungg diesen Nachteil zu beseitigen und ein zuverlässiges Bauelement mit hohem Wirkungsgrad zu entwickelnv das sich außerdem mit verhältnismäßig niedrigem-Aufwand an wertvollem Grundwerkstoff auch für hohe Nennströme herstellen läßt.
• Der Erfindung wurde die Aufgabe zugrun(#egelegt, die Anord-0 nung der gegenüber liegenden überbrückten p- und n-leitenden Schichten eines mehrschichtigen symmetrischen Thyristors und die Gestalt der Steuerelektrode entsprechend zu ändern sowie-diese rationell anzuordnen, Diese Aufgabe wird dadurch gelöst$ daß bei einem-steuerbaren symmetrischen Thyristor mit einer aus mehreren Schichten entgegengesetzter Leitfähigkeit, beispielsweise der Leitb. fähigke-itsfolge npnpn bestehenden Grundplatte die äugeren überbrückten p- und n-leitenden Schichten so anleordnet 13

  sind, daß beim Aufeinanderlegen der beiu-'J'en Draufs,.,ichten der

  Stirnflächen Schichten

  -'der Grundplatte die mit entgegengesetzter Leitfähig-

  keit zusammenfallengund an einer'der Stirnflächen der Grundplatte auf der Grenzlinie zwischen den Schichten mit entgegengegetzter Leitfähigkei.t eine Steuerelektrode so angeordnet wirdv daß ihre LeitfähiGkeit und die Ioeitfähigkeit der sie umgebenden Schicht entg(a-gen&esetzt sind.
• In Übereinstimmung mit einer Ausführ-Lini gsvariante ist-die Steuerelektrode auf der Grenzlinie zwischen-den überbrä.ckten Schichten entgegengesetzter Leitfäiligkeit-anßeordnett wobei diese Grenzlinie zugleich die Symmetrieachse-der entsprechenden Schichten ist& Nach einer anderen Ausführungsvariante sind die überbrückten n- bzw. p-leitenden Schichten so iedie Steuerälektrode kreis- bzw, ringförmig aus,#-bildet, viobei die p- und die n-leitende überbrdelzte Schicht flücheagleich eintils In diesen Fällen besitzt die Steuerelektrode nur gleichartige Leitfähigkeit.
• Die an der 6beren Stirnseite der Grundplatte angeordnete Steuerelektrode kann aus zweianeinandergren-zenden -fläbä chengleichen n- und p-leitenden Bektorschichten-bestehen, wobei die die untere Stirn:#läche.der--'Grundpl:atte bildenden überbräckten Schichten im Bereich unter der Steuerel-Aktrode ineinander-greifen* Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Steuerelektrode besteht diese aus vie.r aneinandergrenzendEnflächengleichen Sektorschichten verschiedener Leitfähigkeitg die gegenüber den angrenzenden überbrückten-äußeren n- und peleitenden Schichten entweder entg,egangesetzte Leitfähigkeiten haben oder bei gleichen Leitfähigkeiten ihnen gegenüber druch Kranzschichten entgegengesetzter Leitfähigkeit abgeschirmt sind& Irfindungsgemäß ist es vorteilhaftg zur Steuerung des Thyrietors mit Stromimpulsen verschiedener Polarität eineaus zwei aneinanderliegendenSektorschichten bestehende Steuerelektrode zu verwendeng da diese gegenüber der Steuerelektrode mit vier Sektoren geringere Steuerströme erforderte Die vorgeschlagene Schichtenahordnung in einer fünfschichtigen Grundplatte ermöglicht es, eine, bezogen auf den Koordinat-enursprung symmetrische steuerbare Strom-Spannungs-Kennlinie zu erreichen& Der Gege"tand der Erfindung wird im folgenden durch mehrere Ausfüh-run&svarianten anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläuterte Es zeigt Pig. 1 die beim Sc,#nitt I-I gemäß Fig.-2 entstehende Schichtenanordnung des erfindungsgemäßen mit Stromiimpulsen gleicher Polarität gesteuerten symmetri--schen Thyristors;

  Fis. 2 die Draufsicht vonoben auf den symmetrischen T4y.

  ristOr ohne Starkstromelektrode;

  Figo 3 die Deaufsicht von unten auf den.symmetrischen Thy.

  mistor ohne Starkstromelektrode;

  Figd 4 die Draufsicht von oben eines mit Stromimpulsen

  verschiedener Polarität gesteuerten symmetrisc]3#.eiL,

  Thyristors okne, Starkstromelektrodeu

  Fig. die Draufsioht von unten eines mit Strom=Pulsen

  verschiedener Polarität gesteuerten symmetrischen

  Thyristors ohne Starkstromelektrode;

  Fige 6. die Draufsicht von oben.eines mit Stromimpulsen

  verschiedener Polarität gesteuerten symmetrischen

  Thyristors ohne Starkstromelektrode;

  Fig. die Draufsicht von unten.eines mit Stromimpulsen

  verschiedener Polarität gesteuerten symmetrischen

  Thyristors ohne Starkstromelektrode;

  Fig, 8 die beim Schnitt XIII-XIII gemäß Fig" 9 entst-ehende

  Schichtenanordnun ,g eines mit Stromimpulsen ver:sol#ie-

  deuer Polarität gesteuerten symmetrischen Tbyristors

  ohne Starkstrozelektrode;

  Fige 9 die Draufsicht von oben auf dön.Mit Strozimpuleea

  verschiedener Polarität gesteuerten Thyristor ohne

  Otarkstromelektrode-;

  Fig., 10 die beim Schnitt X-X gemäß Nig. 9 entstehende

  Schichtenanordnung des mit Stromimpulsen verschie-

  dener Polarität gesteuerten symmetrischen Thyristors;

  Fig.#ll die Draufsicht von unten des mit Stromimpulsen ver-

  -schiedener Polarität gesteuerten Thyristors ohne

  St-arkstromelek trode;

  Fige 12.. die beim Schnitt XII-XII gemäß Fige 9 entstehende

  Schichtenanordnung den mit Stromimpulsen verschie-

  -dener Polarität gesteuerten symmetrischen Thyristorso

  Bin mit,Stromiapulsen gleicher Polarität gesteuerter

  mätri»cher Thyristor stellt eine mehrschichtige Grundplatte 1

  (Fig. 1 mit der-Leitfähigkeitsfolge npnpncdju#*

  Das Grundmaterial des Thyristors stellt ei-rf'n-leitende:a

  Silizium-Bink istall dar mit einem spezifischen Widerstand

  von etwa 40/thm/em und einer Diffunionslänge von etwa 0,3 mme

  durch dessen-Dotierung'mit Akzeptoren--und Donatoren wird die

  aus Schiahten verschiedener Leitfähigkeit bestehende Grpnd-

  platte 1 erzeugte Die ursprüngliche, n-leitende Silizium-

  schicht 2 befindet sich in der Mitte der Grundplatt"e 1 und

  bildet mit den p-leitenden Schichten 3s 4 pn4bergänge 5, 6

  mit einer Spexrschichtweite von 70 bis 80,#te Die Schichten

  79 8 haben wiederum n-Leitfähigkeit und bilden zusammen mit

  den Zonen 39 pn-Übergänge 99 1-0 mit einer Sperrschicht-

  weite von etwa 10 bis 15#M* Die Kontakte 119 12 sind an den

  Schichten

  .,p- und n-leitenden #.,%r 39#4p 79 8 angesch198selle

  Beim Aufeinanderlegen-der beiden entgegengesetzten Drauf.

  8"ichten (Fig. 2 bzw. 3) kommen die Schichten entgegen-

  gesetzter Leitfähißkeit..zur Deckun3. So wird beispielsweise-

  die p-leitende Schicht 4- von der n-leitenden Sähitfht 7 und

  die n-leitende Schicht 8 von der p-leitenden-Schicht 3 ab-

  gedeckt# wobei die Symmetrieachse 13 die Grenzlinie zwii-'

  schen den Schichten entgegengesetzter Leitfähigkeit ist*

  Eine Ausnahme bildet das an die Steuierelekt#rode- 14 anschlie-

  ßende Gebiete Hier überdeckt die.in der Draufsicht-von oben

  (Fig, 2> dargestellte n leitende Schicht in eineA-kl:einen

  ebenfalls

  Bereich die in der Draufsichtvvon unten (Fig- 3) dargestell-.

  te n-leitende Schicht 8@-

  Der Mittelpunkt der Stquerelektrode 14/liegt auf der die Grenz-

  linie zwischen-den Schichten 3*

  fähigkeit bildenden Symmetrieachse,13'. An die Kontakte'119.

  12.sind Starkstromelektroden 15-, 16 angeschlossene DieAutg-

  führung 1 7 ist mit der Steuerelektrode 14 durch,efin Nickelmä

  kontaktstück 18 verbundene

  Die Wirkungsweise des symmetrischen mit Strom-impulgen.glei-

  cher Polarität gesteuerten Thyristors ist folgendel*

  Besitzt--die Starkströmelektrodä -15 posit#ives und

  die Star-ko.tromel-ektrode 16,negatives P.otentialg so wirkt

  der pn-Übergang 9 sperrend und der Strom fließt im Durch--

  l#ßzustand des Thyristors über die 'linke (Fig. 1) Hälfte der Grundplatte 1., Ist die Spa=ungs»uelle iui Steuerstromkreis derart eingeschaltet, daß die Steuerelektrode 14 positives und-die Starkstromelektrode 1.5.nagatives Potential besitzen, so wird d er pn-Übergang 9 leitend ünd injiziert Elektronen in die Schicht 2* Diese Ladung,strägerinjektion wirkt so, als ob an die-Schicht 2 eine Steuerelektrode angeschlossen wäre* Bei Umkehräng der Potent-ialverhältnisse an den Starkstromelektroden 15, 16 fließt-der Strom über diebezogen auf die Symmetrieachse 13 (Fig. 1), recht-e Hälfte der Grundplatte 1 und der Steuermechanismus des,eymmetrisuhen Thy" ristors ist der gleiche wie beim üblichen Thyristore Ein mit Stromimpulsen verschiedener Polarität gesteuerter symmetrischer Thyristor stellt eine mehrschichtige Grundplatte 1 mit Leitfähißkeitsfolge npnpn (Fige 89 10,12) dar« In dem der Steuerelektrode ßegenüber liegenden Gebiet der linken Hälfteg bezogen auf die Symmetrieachse-13 (Fige8) besteht die Grundplatte aus den äbereinanderlieuenden Schichten 199 20l 219 22 mit der Leitfähigkeitsfolge npnpa

  Schichten,

  Die rechte Hälfte enthält die %r 2-09 219 229 23 mit

  der leitfähigkeitsfolge pnpn* Die in der Draufsicht von oben (Fig.9) dargestellten Kreissegmente der Schichten 229 23 sind flächengleich und in Bezug'auf die Symmetrieachse 130 symmetrisch. Auf der Symmetrieachse 131 9 die die Grenzlinie zwischen den Schichten-22, 23 bildett ist die Steuerel-ek,trode#24 angeordnet. Sie hat einen kreisrunden Querschnitt, der in vier gleiche Sekto-ren 25, 269 279 28 -eit der Leitfähigkeitsfolge npnp unterteilt.ist, Jeder #Sektor wird.von Schichten umgeben, die ihm gegenüber entgegengesetzte lieitfähigkeit besitzen* So grenzen beispielsweise ,an den p-leitenden Sektor-26-die neleitenden Sektor an 2,5 27 der Steuerelektrode und die n-leitende Schicht 23-an. Die in der Draufsicht von'unten (Fig, l1).darges.tellten' Kreiesegmente der n-leitenden Schicht 19 und der p-leitenden Schicht 20 sind flächengle'ich und,-in Bezug,auf die Sym,--metrieachse 131 symmetrische Die Wirkungsweise des mit Stromimpulsen verschiedener-Polarität gesteuerten symmetrischen Thyristors-ist folgendet Besitzt die Starkstromelektrode 15 (Fige 12) negativen

  Stfkstrom-

  und ie Elektrode 14 positives Potential, so wirkt, der np-

  Übergang 29 sperrend, und der Strom fließt im Durchlaß3u. stand-des Thyristors über die rechte Hälfte der Grundplat,-te 1 (Nig. 8)o Dabei liegt die p-leitende Schicht 3b (Fig,9) am negativen Potential. Ist die Spannungsquelleim Steuerstromkreie derart eingeschaltet, daß die Ausführung 17 (Fig. 12) negatives und die Starkstromelektrode 15 positives Potential habeng so injiziert der S*ekto-r 25 (Fig. 9) der Steuepolektrode 24 mit dem rechten Rand,deß#pzi-?Über. ganges 31 (Pig. 12) bei; einem bestimmten Steuerigt-rom Elektronen in die Basiaschlcht-21, in diesem Falle erfolgt die Umschaltung des Thyristors in den Durchlaßzust,-)nd zu» nächst über die Steuerelektrode 24 (Fige 9) und pflanzt sich dann auf den Hauptemitter forte Bei Umkehrung der Potentialverhältnisse im Steuerstromkreis werden die Elektronen von dem linken Rand des pn-Überganges 32 (Fige 10) injiziert« Der Steuermochanismus ist der gleiehe wie beim üblichen Thyristore Liegt die Starkstromelektrode-14 an negativem und die Starkstromelektrode 15 an positivem Potential, so wirkt der pn-Übergang 32 sperrend und der Strom fließt im Durchlaßzustand des Thyristors über die linke Hälfte der Grundplatte le Wird die Spannungsquelle im Steuerstromkreis so angeschlossen# daß die Ausführung 17 der Steuerelektro-de 24 an negativem und die Starkstromelektrode 15 an- positivem Potential liegt# so injiziert der nleitende Sektor 27 (Fige 9) mit dem linken Rand den pn- . Überganges 31 (Fig. 12) die Elektronen in die Basisschicht 2le Diese Blektroneninjektion wirkt so# als ob an dieser Schicht 21 eine Steuerelektrode angeschlossen wäre. Bei Ukkehrung der Potentialvirhältnisse in Steuerstrojekreis wird die.so Aufgabe von dern-leitenden-Schicht-33 (Fige 9) übernommen$ dahe der pn-übergang 34 (Fige 10) injizie'rt mit seineiR rochten Rand die Blektronen in die Banisschicht 21*-ln diesen Falle muß unter der Schicht 33 eine Fünfachichtenstruktur realisiert wegden*

  Bei einem 'it Stromim er

  m pulsen v- schiedener Polarität -"estau-

  erten symmetrischen Thyristor k die Steuerelektrode

  .auch in Form von konzentrischen Ringen ausgebildet-werden*

  In diesem Falle sind dieUie obere Stirnfläche der Grund-

  platte bildenden überbrückten p- und n-leitenden Schichten

  als n-leitende Schicht 35 (Fige 4) und p-leitende SahIcht

  36 mit flächenßleichem kreisrunden bzw, ringförmigem Quer.-#

  schnitt ausgebildet. Zwischen diesen Schichten befindet

  sich die Steuerelektrede in Form n-18.it9nder.379 39 und

  P»Jeitender Ringschichten 39a Die unteke --Stirnflädlie wird

  durch eine p-leitende Schicht 4,0 (Fig. 5)* und durch eine

  n-leitende Soliicht 41 gebildete- Diese Schichten sind,-über-

  brickt und flächengleich. Beim-Aufeinanderlegen der die

  Stirnflächen abbilcendenbeiden Draufsichten (Fig. 4, 5)

  kommen die Schichten entgegen.gesetzter Leitfähigkeit zur

  Deckunge

  Die Steuerelektrode des mit Stromiapulsen vera-chieaener

  Polarität gesteuerten symmetrischen Thyristor-a kann wei ter

  aus z ei bestehen"

  w i Hälften die entgegengesetzteIeitfähig

  keit besitzen. Dabei besteht die obere der überbrückten

  Schichten aus einer p-leitenden-22 -(Pig. 6) und-einer

  n-leit.enden Schicht 23, deren Begrenzungslinie 131 mit

  der Symmetrieachse 13 1) der Grundplatte 1-zusammen.

  fällt und die ßleiche:-Fläche aufweisen, Der Mittelpunkt der

  Steuerelektrode.24 befindet sIch auf-der Grenzlinie 131-

  zwischen den beiden Schichten* gie setzt sich aus zwei

  aneinanderliegenden flächengleichen Sektorechichte-n 429 43

  mit entgegengesetzter.Leitfähigkeit zusammen# die gegenüber

  überbrückten Schichten, 229 23.Jeweils entgegengesetzte.- Leit-

  fähigkeit aufweisene

  Die unteren überbi#äckten Schichten des'symmetrischen Thyw

  ristors mit der in zwei Hälften.ßeteilten Steuerelektrode-

  besteben aus zwei Schiohten-verschiedener Leitfähigkeitg und

  zwar aus der p-leitenden 20 und der n-leitenden ScIdcht 19*

  Die einzelnen Schichten sind so angeordnetg daß beim Aufein-

  anderleßen der die beiden Stirnflächen des Thyristors abbil-

  denden Draufsichten die Schichten mit elitgegengesetzter Leit-

  fähigkeit zur Deckung kommen, Die p-leit.ende Hälfte 42 (Fige,6)

  der Steuerelektrode 24 wird mit dir n-leitenden Zone 19-

  -(Fij, 7) und die n-leitende Hälfte 43 (7-ig, 6) der-Steuer-

  elektrode mit der p-leitenden- 20 Überdeckte Das wird

  Schichten

  dadurch erreicht, daß die .#r - 199 20 in Bereich unter der

  Steuerelektrode 24 ineinander greifen*

  Die Brfindung ermöglicht die Herstellung von, Hochleistungsow

  th.vristoren fü,r Nennsträme bis 5W A und darilberg bei denen

  der negative und positive Zweig der Strox-Spannungs-Kenn-

  linie durch Stromiapulea-gleicher-oder verschiedener 13101a,-

  rität beeinflußt werden kann-* Bei Anwendung von Stromiapül-

  sen verschiedener Polarität-:erfolgt die Steuerung bei den

  beiden Stromrichtungen durch Ströme gleicher Größenordnung*

  Ein welterer,Vbrteil der Irfindung, liegt In einer beträcht-

  lichen Senkung.d.Or# Reestellungskosten-von Thyristoren in-.

  folge Einsparung von kostspieligem Grundwerkst.off.,

Claims (2)

1. Patentansprüche -1. Steuerbarer symmetrischer Thyristor mit einer aus mehreren Schichten entgegeng esetzter Leitfähigkeit, beispielsweise der Leitfähigkeitsfolge npnpn bestehenden Grundplatte und überbrückten Emitterübergängen der äußeren Schichtent d a d u r c#h g e k e n n z e- i c h n a t 9 daß beim Aufeinanderlegen der die beiden Stirnflächen der aus einem Einkristall bestehenden Grundplatte (1) abbildenden Draufsichten die Schichten (31794) entgegengesetzter Leitfähigkeit zur Deckung kommen und an einer der Stirnflächen der Grundplatte (1) auf der Grenzlinie M') zwischen den Schicht6n (3., 7) mit entgegengesetzter Leitfähigkeit eine Steuerelektrode (14) so angeordnet Ist, daß ihre Leitfähigkeit und die Leitfähigkeit der sie umgebenden Behicht (7) entgegengesetzt sind.
2. 2. Steuerbarer symmetrischer Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzlinie (13') Zwisehen den überbrückten Schichten (3,7) entgegengesetzter Leitfählgkeit auf der die E3teuerelolktio-d0,' m4e0Z4net ist,q zugleich i3.vi-ametrie#achse -(13) der überbt(lökten p- und u-leitenden Schichten ist. symmetrischer Myzist;or, nach Anspruch it dadurch ge- künn eichnet, daß die Überbrückten n- und p-leitend-en, schichten (35v36) sowie die soblohten (379 38 *v 39) der Steuerelektrode kreis- bzw. wingförmig ausgebildet sind wobei die n- und die P-leitende Blehicht (359 36) Iläe- chemgleich sird. 4. OymnietrischerMVristor nä'oh Anspruch -1 Ünd Z- -dadurch .-Sekemmele,hnet, daß die Steuerelektröde (14)-gleichar- tige leittähigkeit besitzt. 5.-emmetrischer 'Thyristor nach Anspruch 1 4M4- -2t dadurch gekenn eichaetl daß-die an der oberen Stirnseite der Grundplatte angeordnete Steuerelektrode, -(24) zwei an- einandergrenzende flächensleiche- Sektoräthichten (42#4-3)- .mit n- und p-Leitfähigkelt. besitzt. uM die 'die untere Stirnfläche-cler Gz=dplatte bildend-en überbräckten -Schichten (10, 20) im,#Bereich unter der ßteuerelekt:rade (24) inei-aandersreiten.- 6. Symetrischer Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnetl daß die Steuerelektrode (24) aus vier aneinandergrenzenden flächengleichen Sektorschichten (25926t27928)-mit abwechselnder n- und- p-leitfähigkeit bestehtg die gegenüber den angrensenden überbrückten äußeren n- und pleitenden Bebtehten-(221,23) entweder entgegengesetzte Leitfähigkeiten haben oder bei gleichen Leitfähigkeiten ihnen gegenüber durch Kranzschichten (30.33)-entgegengesetzter-Leitfähigkeit abgeschirat eind.