DE1639048A1 - Photothyristor - Google Patents

Photothyristor

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DE1639048A1
DE1639048A1 DE19671639048 DE1639048A DE1639048A1 DE 1639048 A1 DE1639048 A1 DE 1639048A1 DE 19671639048 DE19671639048 DE 19671639048 DE 1639048 A DE1639048 A DE 1639048A DE 1639048 A1 DE1639048 A1 DE 1639048A1
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Description

PhotothyristorPhotothyristor

(Die Priorität der entsprechenden US-Anmeldung Serial No. 585 683 vom 10.10.1966 wird-in Anspruch genommen)(The priority of the corresponding US application Serial No. 585 683 of 10.10.1966 is claimed)

Die Erfindung betrifft einen Photothyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier Schichten von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, dessen äußere Schichten mit fläohenhaften Anschlußkörpern versehen sind.The invention relates to a photothyristor with a semiconductor body with four layers of alternately opposite conduction types, the outer layers of which are fleas-like Connection bodies are provided.

Bekanntlich müssen gesteuerte Halbleiterbauelemente oder Thyristoren durch ein Steuersignal in den leitenden Zustand übergeführt werden. Gewöhnlich besteht das Steuersignal aus einem elektrischenIt is well known that controlled semiconductor components or thyristors must be used can be switched to the conductive state by a control signal. Usually the control signal consists of an electrical one

Unterlagen (ATt-VIt^2UMS-U3O..Anderuno^v-Ä.9. Documents (ATt-VIt ^ 2 UMS-U 3 O..Anderuno ^ v-Ä.9.

00988 4/0S6200988 4 / 0S62

PLA 67/θϊ5υPLA 67 / θϊ5υ

Impuls, der zwischen dem Gitter und dem als Kathode dienenden Emitter des Halbleiterbauelements zur Einwirkung gebracht wird. Dies erfordert &ine unmittelbare elektrische Verbindung mit dem Gitter. Eine derartige Anordnung weist mannigfache Nachtene auf, mag sie auch tür manche Anwendungsfäiie ausreichend sein. Insbesondere weist die herkömmliche Technik, zum Zünden der Thyristoren Steuerleitungen zu verwenden, dann vielfältige Probleme auf, wenn eine Anzahl von Thyristoren in Reihe geschaltet ist, um hohe Wechseispannungen gleichzurichten ocer für andere Zwecke. In Reihe geschaltete Thyristoren dieser Art liegen zwischen Erdpotentiai und einem negativen Hochspannungspotential, während der Steuerkreis für jeden Thyristor sich gewöhnlich zwischem dem Gi lter und der /Cathode oeiindet. Soll beispielsweise eine Säuie νυη Thyristoren ein Potential von 5υ.υυυ Volt zwischen Erde und Hochspannungs pol aufweisen, so liegt das Gitter des Thyristors, der sich in unmittelbarer Nähe des negativen Pols der Säuie befindet, aul einem Potential von ungefähr 5U.UUU Volt gegenüber Erde. Dies bringt schwierige Isoiationsprobieme mit sich, insbesondere bezüglich der kapazitiven Kopplung zwischen dem Steuerkreis und dem Erdpo-L.Impulse that occurs between the grid and the one serving as the cathode Emitter of the semiconductor component is brought to act. This requires an immediate electrical connection to the Grid. Such an arrangement has multiple nights, it may also be sufficient for some applications. In particular the conventional technique of using control lines to fire the thyristors then has various problems when a number of thyristors connected in series to high AC voltages rectify ocer for other purposes. In row switched thyristors of this type are between earth potentials and a negative high voltage potential, while the control circuit for each thyristor it is usually located between the filter and the cathode. Should, for example, a Säuie νυη thyristors a potential of 5υ.υυυ volts between earth and high voltage pol have, so is the grid of the thyristor, which is in the immediate Near the negative pole of the sow, at one Potential of approximately 5U.UUU volts to earth. This brings difficult Isoiationsprobieme with it, especially with regard to the capacitive coupling between the control circuit and the Erdpo-L.

Andere schwierige Probleme bei einer Reihenschaltung von Thyristoren zu einer Säuie liegen m der zusätzlichen Beschallung der Thyristoren, die sich Über die gesamte Säuie erstrecken muu. Em elektrisches Steuersignal, das auf eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Thyristoren eingegeben wird, wird nicht samtliehe Thyristoren zur selben Zeit in den leitenden Zustand versetzen, wegen der Unterschiede der einzelnen Thyristoren und ihrer Beschaitungsglieder. Das bedeutet, dab im .-iereicn von Mikrosekunden ein Thyristor vor den anderen durchzUndet oderOther difficult problems with series thyristors to a Säuie m the additional sound reinforcement Thyristors, which must extend over the entire Säuie. Em electrical control signal which is applied to a plurality of in Series connected thyristors is entered, will not be total Put thyristors in the conductive state at the same time because of the differences between the individual thyristors and their members of staff. That means that im. -Iereicn of Microseconds a thyristor blows before the others or

BAD OFUGlNAL Hi/oaBAD OFUGlNAL Hi / oa

zumindest teilweise durchzündet, so daß ohne besondere Beschältungsmaßnahmen 3ich die volle Spannung über die gesperrten Thyristoren verteilen und damit die Kippspannung eines oder mehrerer der gesperrten Thyristoren überschritten werden könnte, mit der Folge, daß ein Thyristor zerstört wird, was in einer Kettenreaktion zur Zerstörung auch anderer Thyristoren führen kann. Gewöhnlich bestehen die Beschau.tungsglieder aus Sätzen von Widerständen und Kapazitäten, wobei jeder Satz einen der Thyristoren der Säule überbrückt. Die Widerstände dienen dazu, eine Gleichspannung über die gesamte Säule gleichmäßig zu verteilen, während die Kapazitäten dazu benötigt werden, veränderliche Spannungen i gleichmäßig zu verteilen. Sobald ein Thyristor der Säule durchzündet, treibt die Kapazität einen ganz erheblichen Strom in con Gleichrichter, so daß der Stromanstieg in der Größenordnung von 200 A//usek liegt. Ein derartig hoher Stromanstieg (di/dt) kann zur Zerstörung der Thyristoren führen, wenn nicht eine große Induktivität jedem Glied hinzugeschaltet wird, um die Höhe des Stromanstieges zu begrenzen. Dies erhöht, die Kosten für eine derartige Anordnung ganz erheblich.at least partially ignited, so that without special wiring measures 3ich distribute the full voltage over the blocked thyristors and thus the breakover voltage of one or more of the blocked thyristors could be exceeded, with the result that one thyristor is destroyed, which in a chain reaction to the destruction of others Thyristors can lead. Usually the viewing members consist of sets of resistors and capacitors, each set bridging one of the thyristors in the column. The resistors serve to distribute a DC voltage evenly over the entire column, while the capacitances are required to distribute variable voltages i evenly. As soon as a thyristor in the column ignites, the capacitance drives a very considerable current in the rectifier, so that the current rise is in the order of magnitude of 200 A / µsec. Such a high current rise (di / dt) can lead to the destruction of the thyristors if a large inductance is not added to each element in order to limit the level of the current rise. This increases the costs for such an arrangement quite considerably.

Weiterhin sind herkömmliche Thyristoren, die durch elektrische Signale gesteuert werden, insbesondere für solche Anwendungsfülle nicht geeignet, bei denen der Thyristor hohe Spitzenströme in sehr kurzer Zeit schalten muß. Die Thyristorleitfähigkeit wird durch Ladungsträger erzeugt, die das Gebiet zwischen den .Anoden- und Kathodenkontakten überschwemmen. Beim Einschalten des Thyristors wird diese Überschwemmung teilweise durch den ^teucrkontakt an einem der Emitterübergänge angeregt. Das aus positiven und negativen Ladungsträgern bestehende Plasma befindet "'Furthermore, conventional thyristors, which are controlled by electrical signals, are particularly suitable for such a wide range of applications not suitable where the thyristor has to switch high peak currents in a very short time. The thyristor conductivity is generated by charge carriers that flood the area between the anode and cathode contacts. When switching of the thyristor, this flooding is partly due to the ^ Teucrkontakt excited at one of the emitter junctions. The end positive and negative charge carriers existing plasma is "'

009884/0562009884/0562

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

PLA 67/8250PLA 67/8250

sich anfänglich zwischen der Anode und der Kathode lediglich in der Umgebung der Zwischenschicht zwischen dem Gitter und dem Kathodenanschluß. Sobald der Anoden-Kathodenstrom fließt, weitet sich das Plasma aus, bis es das gesamte Volumen zwischen Anode und Kathode erfüllt. Das Plasma benötigt eine Zeitdauer von etwa 4U/usek, bis der Gleichgewichtszustand erreicht ist. Soiien beispielsweise Steuerimpulse von 1 /usek erzeugt werden, so kann die 4uyusek Zeitkonstante des Piasmas nicht mehr vernachlässigt werdeninitially between the anode and the cathode only in the vicinity of the intermediate layer between the grid and the cathode terminal. As soon as the anode-cathode current flows, it expands the plasma spreads out until it fills the entire volume between anode and cathode. The plasma takes about a period of time 4U / usk until equilibrium is reached. Soiien, for example Control pulses of 1 / µsec are generated, the 4uyusek time constant of the piasm can no longer be neglected

Das äußere Anzeichen dieser langsamen Plasmaausbreitung ist ein Spannungsabfall, der beträchtlich höher ist als der eines völlig durchgeziinaeten Thyristors. Während das Plasma sich ausbreitet und aixinählich das gesamte Volumen der Anordnung ausfüllt, geht der Spannungsabfali auf seinen normalen V»'ert zurück. Das Problem dieses Effektes ist ein zweifaches:The outward sign of this slow plasma spread is a voltage drop that is considerably higher than that of a total cut thyristor. As the plasma spreads and almost fills the entire volume of the arrangement the voltage drop back to its normal level. The problem this effect is twofold:

Erstens verringert der große Spannungsabfall den Anteil der nutzbaren Energie im ßeiastungswiderstand und zweitens verursacht die hieraus resultierende große Wärmeerzeugung innerhalb des Thyristors ein örtliches Aufheizen, das den Betrieb des Stromkreises ungünstig beeinflussen oder sogar den Ausfall des Bauelements verursachen kann.First, the large voltage drop reduces the proportion of usable energy in the load resistance and, secondly, causes the resulting large heat generation within the Thyristor a local heating that adversely affects the operation of the circuit or even the failure of the component can cause.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Photo thyristor zu schaffen, der die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten über- windet. Insbesondere soil bei einer Reihenschaltung von Photothyristoren zu einer Säuie eine Ausgieichsbeschaitung der Thyristoren nicht mehr benötigt werden. ' ■ The object of the present invention is to provide a photo thyristor which overcomes the difficulties mentioned above . In particular, when photothyristors are connected in series to form a column, balancing of the thyristors should no longer be required. '■

Hl/CaHl / Ca

0098-84/05620098-84 / 0562

a BAD ORIGINALa BAD ORIGINAL

Diese Aufgabe wird bei einem Photothyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier Schichten von abwechselnd entgegengesetztem Leitung typ, dessen äußere Schichten mit flächenhaften Anschlußkörpern versehen sind, dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung die sum Zünden des Thyristors erforderliche Strahlungsenergie ge^-en die eine Außenschicht gerichtet ist und daß die Strahlungsenergie eine derartige Wellenlänge hat, daß mindestens ein Teil uavcn diese Außenschicht durchdringt und Eiektronen-Löcherpaare in mindestens einer der beiden Innenschichten erzeugt.This task is performed in the case of a photothyristor with a semiconductor body with four layers of alternately opposite Line type, the outer layers of which have flat connection bodies are provided, achieved in that, according to the invention, the sum ignition of the thyristor required radiant energy ge ^ -en the one outer layer is directed and that the radiant energy has such a wavelength that at least a part uavcn penetrates this outer layer and forms electron-hole pairs generated in at least one of the two inner layers.

Lic-htgesteuerte Thyristoren sind an sich bekannt. Es zeigte sich, io.1 ein Photon, wenn e3 auf einen Halbleiterkörper aufgebracht wird, bei der Erzeugung eines Loch-Elektronenpaares absorbiert v/erden kann. Dies hängt von der Wellenlänge des Lichtes ab. Wenn die Löcher-Slektronenpaare durch optische Absorption erzeugt v/erden, so fj-ießt in einem vorwärtsgepolten Thyristor ein Photootros. Sobald dieser Photostrom genügend hoch ist, geht die Anordnung in den leitenden Zustand über.Light-controlled thyristors are known per se. It was found io.1 a photon when it is applied to a semiconductor body e3, absorbed in the generation of hole-electron pair can ground v /. This depends on the wavelength of the light. When the pairs of holes and electrons are grounded by optical absorption, a photootrosis flows in a forward-polarized thyristor. As soon as this photocurrent is sufficiently high, the arrangement goes into the conductive state.

3ei aen älteren Verfahren, Thyristoren optisch zu zünden, wurde Licht auf den Hand des Halbleiterkörpers gestrahlt oder aber auf Gebiete, in denen die pn-Übergänge die Oberfläche der Halbleiteranordnung erreichten. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß die Halbleiterscheibe äußerst dünn ist - ein praktisch ausgeführtes gesteuertes Siliziumbauelement ist beispielsweise etwa hundertmal so breit wie dick. Hieraus folgt, daß "randgesteuerte11 Thyristoren vic-le -er H ach teile beibehalten, die Thyristoren aufweisen, die durch ein elektrisches Signal gesteuert werden. Insbesondere erfordert es beträchtliche Zeit, bis sie durchzünden.In older methods of optically igniting thyristors, light was radiated onto the hand of the semiconductor body or onto areas in which the pn junctions reached the surface of the semiconductor arrangement. It must be taken into account here that the semiconductor wafer is extremely thin - a practically implemented controlled silicon component is, for example, about a hundred times as wide as it is thick. From this it follows that "edge-driven 11 thyristors keep vic-le -er upper parts having thyristors controlled by an electrical signal. In particular, it takes considerable time for them to blow through.

Hi/Ca H i / approx

BAD ORIGINAL 'BATH ORIGINAL '

Im Gegensatz hierzu wird bei der vorliegenden Erfindung die • Strahlung auf die ebene Oberfläche der einen Außenschicht des Photothyristors gerichtet. Diese Strahlung hat eine derartige Wellenlänge und Intensität, daß sie die erste Außenschicht durchdringt, in die benachbarte Innenschicht und zu einem geringeren Teil auch in die folgende Innenschicht eindringt, in denen sie Elekxronen-Löcherpaare erzeugt, wodurch der Photothyristor gekündet wird. Somit wird im Gegensatz zu den älteren Bauele-· menten eine vergleichsweise große Fläche im mittleren Gebiet des Thyristors durch das Licht bestrahlt und·damit in den leitenden Zustand überführt, wodurch die Einschaltzeit verringert ur.d damit auch das di/dt-Verhalten verbessert wird.In contrast to this, in the present invention, the radiation is on the flat surface of the one outer layer of the Directed photothyristor. This radiation has such a wavelength and intensity that it forms the first outer layer penetrates into the adjacent inner layer and to a lesser extent also into the following inner layer, in which it creates electron-hole pairs, thereby creating the photothyristor is terminated. Thus, in contrast to the older components ments a comparatively large area in the central area of the thyristor irradiated by the light and · thus in the conductive State transferred, which reduces the switch-on time and thus also improves the di / dt behavior.

Wie bereits erwähnt, ist die .Wellenlänge der. Strahlung so zu bemessen, daß mindestens ein ausreichender Teil durch die bestrahlte Außenschicht-in die beiden Innenschichten eindringt. Wellenlängen, die kürzer sind als die vorgesehenen, erzeugen nutzlose Slektronen-Löcherpäare in der bestrahlten Außenschicht. Wollenlängen, die langer sind als die vorgesehenen, durchdringen dc-n gesamten Halbleiterkörper. Besteht der Halbleiterkörper aus Silizium und ist die bestrahlte Außenschicht wie üblich etwa 0,01 mm dick, so beträgt die günstigste Wellenlänge ungefähr 93)00 Ä, d.h. sie liegt im Infrarotbereich und damit über dem sichtbaren Bereich. Kürzere Wellenlängen im sichtbaren Bereich wurden für das Durchzünden der .Anordnung in hohem Maße unwirksam sein, so daß der erfindungsgemäße Photothyristor auf Lichtimpulse durch gewöhnliches Tageslicht nicht anspricht· Die Strahlung mit einer Wellenlänge von 93ÜO Sl wird vorzugsweise durch eine Gallium-As already mentioned, the .wavelength is the. Radiation so too dimensioned so that at least a sufficient part penetrates through the irradiated outer layer into the two inner layers. Wavelengths that are shorter than the intended ones generate useless pairs of slectron holes in the irradiated outer layer. Lengths of wool that are longer than the intended penetrate dc-n entire semiconductor body. If the semiconductor body consists of silicon and the irradiated outer layer is about as usual 0.01 mm thick, the best wavelength is about 93) 00 Å, i.e. it is in the infrared range and thus above the visible area. Shorter wavelengths in the visible range were largely ineffective for igniting the arrangement so that the photothyristor according to the invention does not respond to light pulses from ordinary daylight · The radiation with a wavelength of 93ÜO Sl is preferably through a gallium

Arsenid-Lumineszenz-Diode erzeugt, deren Strahlung von der Diode sur Oberfläche der bestrahlten Außenschicht des Photothyriators mittels eines Lichtleiters od.dgl. herangeführt wird. Es können jedoch auch beliebig andere Strahlungsquellen verwendet worden, falls sie die erforderliche Wellenlänge haben.Arsenide luminescent diode generates its radiation from the Diode on the surface of the irradiated outer layer of the photothyriator by means of a light guide or the like. is introduced. However, any other radiation sources can also be used if they have the required wavelength.

V/eitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert.Further details and advantages of the invention are illustrated in exemplary embodiments explained in more detail with reference to the drawing.

Pig. 1 zeigt im Querschnitt einen bekannten Photothyristor, der mittels Strahlung gesteuert wird, die auf den Rand des Photothyristors einwirkt.Pig. 1 shows in cross section a known photothyristor, the is controlled by means of radiation acting on the edge of the photothyristor.

F-g. 2 zeigt einen Querschnitt durch einen Photothyristor gemäß der Erfindung.F-g. 2 shows a cross section through a photothyristor according to FIG the invention.

Pig. 3 zeigt ein Diagramm des Umwandiungswirkungsgrades in Abhängigkeit von"der Wellenlänge der einfallenden Strahlung.Pig. 3 shows a diagram of the conversion efficiency as a function of "the wavelength of the incident radiation.

Lie Pig. 4A und 4B zeigen den Verlauf dss Einschaltstromes des Photothyristors gemäß der Erfindung unter verschiedenen Bedingungen. .Lie Pig. 4A and 4B show the course of the inrush current of the Photothyristor according to the invention among various Conditions. .

Pig. 5 zeigt eine Anordnung, die Strahlung zu einer Vielfalt von in Reihe geschalteten Photothyristoren zu leiten und diese gemeinsam durchzuzünden.Pig. Figure 5 shows an arrangement for directing radiation to a variety of photothyristors connected in series and ignite them together.

Pig. 6 zeigt Einzelheiten des Lichtleiters nach Pig. 5, welcher ermöglicht, daß ein Strahlungsimpuls von einer gemeinsamen Quelle aus gleichzeitig und gleichförmig auf eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Photothyristoren einwirkt.Pig. Figure 6 shows details of the Pig light guide. 5, which allows a pulse of radiation from a common Source of acting simultaneously and uniformly on a plurality of photothyristors connected in series.

009ÖÖ4/0S62 Hi/ca009ÖÖ4 / 0S62 Hi / approx

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

In Pig. 1 ist ein bekannter Photothyristor dargestellt mit einer Scheibe aus Halbleitermaterial 10, die sich aus p- bzw. n-Ieitonden Außenschichten 12 und 18 sowie n- bzw. p-ieitenden Innenschichten, 14 und 16 zusammensetzt. Die Scheibe 10 ist vergleichsweise dünn, d.h. ihre Dicke beträgt etwa 2 mm. Elektrische Kontakte 20 und 22 bedecken im wesentlichen die gesamte ebene Oberfläche der beiden Außenschichten. Bei dem bekannten in Pig. 1 dargestellten Photothyristor ist ein Lichtstrahl 24 vorgesehen, der gegen die Schmalseite der Halbleiterscheibe 10 gerichtet ist. Wie bereits erwähnt, kann ein Photon, wenn es gegen den Halbleiterkörper gerichtet ist, diesen durchdringen ocor von diesem absorbiert warden, wobei ein Loch-Elektronenpaar erzeugt wird. Die Wahrscheinlichkeit der Absorption hängt stark von der Wellenlänge der Strahlung ab. Werden Löcher-S^ektronenpaare durch optische Absorption erzeugt, so fließt ein Photostrom in dem in Vorwärtsrichtung gepoiten Photothyristor. Ist dieser Pr.oxcstrom genügend hoch, so wird die Anordnung in den leitenden Zustand übergeführt. Sichtbare Strahlung, die gewöhnlich für die Erzeugung der Löcher-Elektronenpaare verwendet wird, wird diese Paare in unmittelbarer Nähe der Oberfläche des Photo thyristors erzeugen. Im allgemeinen sind Elektronen-Löcherpaare, die in der irjLhe der Oberfläche des Photo thyristors erzeugt werden, nutzlos, \.oil an der Oberfläche Rekombinationen stattfinden, und die pn-Übergänge an der Oberfläche ungünstige Eigenschaften haben. Hieraus ergibt sich, daß ein "randgesteuerter" Photothyristor, wie er in Pig. 1 dargestellt ist, einen schlechten Wirkungsgrad hct, weil er betrachtliche Strahlungsenergie zum Durchzünden erfordert. Da außerdem anfangs nur geringe Flachen zur Strom- In Pig. 1 shows a known photothyristor with a disk made of semiconductor material 10, which is composed of p- or n-conductive outer layers 12 and 18 and n- or p-conductive inner layers 14 and 16. The disk 10 is comparatively thin, ie its thickness is approximately 2 mm. Electrical contacts 20 and 22 cover essentially the entire flat surface of the two outer layers. The one known in Pig. 1, a light beam 24 is provided which is directed against the narrow side of the semiconductor wafer 10. As already mentioned, if a photon is directed towards the semiconductor body, it can penetrate it or be absorbed by it, with a hole-electron pair being generated. The probability of absorption strongly depends on the wavelength of the radiation. If pairs of holes and electrons are generated by optical absorption, a photocurrent flows in the photothyristor, which is poised in the forward direction. If this pr.oxc current is sufficiently high, the arrangement is switched to the conductive state. Visible radiation, which is usually used to create the hole-electron pairs, will create these pairs in close proximity to the surface of the photo thyristor. In general, electron-hole pairs that are generated in the vicinity of the surface of the photo thyristor are useless, recombinations take place on the surface, and the pn junctions on the surface have unfavorable properties. It follows that an "edge gated" photothyristor such as that described in Pig. 1 shows a poor efficiency hct because it requires considerable radiant energy to ignite. Since initially only small areas for electricity

Hl/CaHl / Ca

009884/0662009884/0662

^ : BAD ORIGINAL^ : BAD ORIGINAL

fuhrung vorhanden sind, ist seine Strom-Aufnahmefähigkeit begrenzt. Die anfangs gewünschte Fläche ist größenordnungsjnaßig gleich dem Produkt aus Durchmesser des Lichtpunktes und Eindringtiefe des Lichtes.leadership are available, its current capacity is limited. The initially desired area is of the order of magnitude equal to the product of the diameter of the light point and the penetration depth of light.

Sogar für die günstigsten Wellenlängen sichtbaren Lichtes liegt aie Einaringtiefe in der Größenordnung von nur etwa Ü,Ü1 mm. Folglich ergibt ein Lichtfleck von u,2 cm Durchmesser eine anlänglich leitende Fläche in der Größenordnung von 2 . 10 cm Diese anfangs leitende Fläche ist in Fig. 1 schraffiert dargestellt, und mit der Ziffer 26 bezeichnet. Die Fläche 26 stellt einen sehr schmalen Teil aer gesamten Scheibe 10 dar. Vorausge-3etzt, daß günstige Bedingungen vorliegen und daß die anfänglich leitende Fläche sich in der Größenordnung von 2 . 1ü cm befindet, so benötigt ein Photothyristor, der einen Strom von *0 A führen son, eine anfängliche Stromdichte von 5 · 10 A/cm L)^eS ist ein Grenzwert, bei dessen Überschreitung die Anordnung üurch Überhitzung zerstört wira.. Der Grenzwert eines "ranagesteuerten" Photothyristors, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, liegt somit bei etwa Iu A.Even for the most favorable wavelengths of visible light, the depth of the ringing is in the order of magnitude of only about 1, 1 mm. Consequently, a light spot with a diameter of .2 cm results in an elongated conductive surface on the order of 2. 10 cm This initially conductive surface is shown hatched in FIG. 1 and is designated by the number 26. The surface 26 represents a very narrow part of the entire disk 10. Assuming that favorable conditions exist and that the initially conductive surface is in the order of magnitude of 2. 1ü cm, a photothyristor that carries a current of * 0 A needs an initial current density of 5 · 10 A / cm L) ^ eS is a limit value which, if exceeded, destroys the arrangement due to overheating. The limit value a "range-controlled" photothyristor, as shown in Fig. 1, is thus about Iu A.

Der lichtgesteuerte Photothyristor gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 2 dargestellt. Er setat.sich ebenfalls aus einer p-leitenden Außenschioht 12, einer η-leitenden Innenschicht 14, einer p-leitenden Innenschicht 16 una einer η-leitenden Außenscnicht 18 zusammen. Die Anordnung nach Fig. 2 weist außerdem zwei Anachlußkörper 28 und 23 auf, die an eine zeichnerisch nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen sind. In der speziellenThe light controlled photothyristor according to the present invention is shown in FIG. He also set himself from one p-conductive outer layer 12, an η-conductive inner layer 14, a p-type inner layer 16 and an η-type outer layer 18 together. The arrangement according to FIG. 2 also has two connection bodies 28 and 23, which are not graphically connected to one power source shown are connected. In the special

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Ausführung nach Fig. 2 ist der untere Anschlußkörper 28, der vorzugsweise aus Kupfer oder einem anderen Material hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht, als ebene Scheibe 50 ausgebildet, mit der-die eine Auiienschicht 12 des Halbleiterkörper 10 ver-Dundc.i ist. Die ebene Scheibe 50 setzt sich nach unten in einem Gev/inaestutzen 52 fort, an den ein Wärmeabi ei tkörper od.agl. Gefestigt werden kann.Embodiment according to Fig. 2 is the lower connection body 28, which is preferably made of copper or another material of high electrical Conductivity exists, designed as a flat disk 50, with the one outer layer 12 of the semiconductor body 10 ver-Dundc.i is. The flat disk 50 continues downward in a joint 52, to which a heat dissipation body or agl. Can be consolidated.

Der obere Anschlußkörper 35 stellt einen langgestreckten Schaft car, der ebenfalls aus Kupfer oder einem anderen Material hoher elektrischer Leitfähigkeit besteht. Der Schaft erweitert sich unten zu einem Flanschten 34, weiches auf der oberen Fiachseite aor Scheibe 10 aufliegt und mit der Außenschicht 18 dieser Scheibe 10 verbunden ist. Ein tassenförmiger,Isolator 36 aus Keramik schließt gemeinsam mit den Anschlußkörpern 28 und 33 die Scheibe 10 hermetisch ab.The upper connector body 35 is an elongated shaft car, which is also made of copper or another material of high electrical conductivity. The shaft expands down to a flange 34, soft on the upper flat side aor disc 10 rests and with the outer layer 18 of this Disc 10 is connected. A cup-shaped, insulator 36 from Ceramic closes together with the connecting bodies 28 and 33 Washer 10 hermetically.

Die bisher beschriebene Anordnung ist in ihrem Aufbau einem herkömmlichen Thyristor sehr ähnlich, wenn man davon absieht, daß aie Leitung für die Steuerelektrode fehlt. In Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist in dem oberen Anschlußkörper ^3 eine Bohrung 38 vorgesehen. Durch das obere Ende der Bohrung ;>8 ist em Lichtleiter 40 hindurchgeführt, dessen eines Ende vorzugsweise an der Oberfläche der Außenschicht 18 aufliegt. In der Nähe des anderen Endes des Lichtxeiters 40 ist eine Strahlungsquelle, i.:i vorliegenden Falle eine Gallium-Arsenid-Lumineszenz-Diode oder eine Lumineszenz-Dioüensäule 42 angebracht. Das von der Lumineezenz-Diode 42 erzeugte Licht wird durch den Lichtleiter The arrangement described so far is very similar in structure to a conventional thyristor, if one disregards the fact that there is no line for the control electrode. In a further development of the present invention, a bore 38 is provided in the upper connection body ^ 3. A light guide 40 is passed through the upper end of the bore 8, one end of which preferably rests on the surface of the outer layer 18. In the vicinity of the other end of the light conductor 40, a radiation source, i.e. in the present case a gallium arsenide luminescence diode or a luminescence diode column 42, is attached. The light generated by the luminescent diode 42 is transmitted through the light guide

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009884/0662 Hi/Ca 009884/0662 Hi / Ca

BAOORlGiNALBAOORlGiNAL

unmittelbar an eine nichtmetaliisierte Stelle an der Oberfläche der /uüens'chicht 1S herangeführt. Damit v/ird eine vergleichsweise große Fläche durcn aie Strahlung beaufschlagt und damit der Photothyristor gezündet. Dies ist schematisch mit den Pfeilen 44 dargestellt. Die Strahlung durchdringt die Außenschicht 18 und gelangt in die p-leixende Innenscnicht 16 und in einem gewissen U;..fänge auch in die η-leitende Innenschicht 14· Die in der ni.itcTiden AuLsenschicht 18 erzeugten Eiektronen-LÖcherpaare weraen ■χ::, wesentlichen aurch Rekombination vernichtet. Andererseits cient der größte Teil der Elektronen-Löcherpaare, der in den ε-hichten 14 und 16 erzeugt wird, zum Zünden des Photothyristors " mit Hilfe eines Photostromes. In einer Mehrschicht-Struktur wird aber außerdem der Photostrom noch verstärkt. Der wirklich fließende Strom ist gleich dem Produkt aus dem Photostrom, der bei · Anwesenheit nur eines pn-Überganges fließen würde, mit dem Stromverstärkungsfaktor der ganzen pnpn-Anordnung, der analog dem Emitterschaltungs-StroKiverstärkungsfaktor von Transistoren berechnet wird.brought directly to a non-metalized point on the surface of the / uüens'chicht 1S. A comparatively large area is thus acted upon by all radiation and the photothyristor is thus ignited. This is shown schematically by the arrows 44. The radiation penetrates the outer layer 18 and reaches the p-leixende Innenscnicht 16 and in a certain U; .. catches in the η-conductive inner layer 14 · The produced in the ni.itcTiden AuLsenschicht 18 Eiektronen-hole pairs weraen ■ χ :: , essentially destroyed by recombination. On the other hand, most of the electron-hole pairs that are generated in the ε-layers 14 and 16 serve to ignite the photothyristor "with the help of a photocurrent. In a multilayer structure, however, the photocurrent is also increased equal to the product of the photocurrent, which would flow in the presence of only one pn junction, with the current amplification factor of the entire pnpn arrangement, which is calculated analogously to the emitter circuit current amplification factor of transistors.

In Pig. 3 ist in graphischer Darstellung der "Dioden"-Wirkungs- * grau E einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit von der Weilenlänge bzw. der Photonenenergie dargestellt. Dabei ist ersichtlich, daß der Wirkungsgrad am höchsten ist, wenn die Weilenlänge der einfallenden Strahlung sich im Bereich von etwa 8uüu - lUüüO $. befindet. Unter 800υ k, d.h. im Bereich des sichtbaren Lichtes, nimmt der Wirkungsgrad 3ehr ~tark ab. Der in der Anordnung fließende Photostrom ergibt sich aus dem Wirkungsgrad E χ dem Stromverstärkungsfaktor ρ χ demIn Pig. 3 is a graphical representation of the "diode" effect * gray E of an arrangement according to the present invention as a function of the wavelength or the photon energy. It can be seen that the efficiency is highest when the length of the incident radiation is in the range of about 8uüu - lUüüO $. is located. Below 800υ k, ie in the range of visible light, the degree of efficiency decreases very sharply. The photocurrent flowing in the arrangement results from the efficiency E χ the current amplification factor ρ χ dem

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00S884/0562 H1/Ca 00S884 / 0562 H1 / Approx

8AO ORIGINAL8AO ORIGINAL

"Lichi^-Strom. Unter dem Begriff "Lichf-Strom ist die Anzahl der Photonen zu verstehen, aie pro Sekunde auf die Anordnung einfällt, vervielfacht mit der Ladung eines Elektrons."Lichi ^ -Strom. Under the term" Lichf-Strom is the number of photons to understand, aie per second on the arrangement occurs, multiplied by the charge of an electron.

Dcrauj ergibt sich:Dcrauj results in:

P'.jtCotrom = E χ (i χ "Lichf'-Strom. Betrachtet man diese Paktoren insgesamt, einschließlich der Reflexion an aer Oberfläche aer Außenschicht 18, so fo-Lgt hieraus, daß eine angenäherte Gleichheit zwischen "Lichf'-Stroa und dem in der Anordnung erzeugten Photostrom besteht. Da man zur zuverlässigen Zündung eines Thyristors etwa 1UU mA benötigt, ist also ein "Licht"-Strom von etwa 1ÜU niA erforderlich.P'.jtCotrom = E χ (i χ "Lichf'-current. If one considers these factors as a whole, including the reflection on the surface of the outer layer 18, it follows from this that an approximate equality between"Lichf'-Stroa and the Since one needs about 1UU mA for the reliable ignition of a thyristor, a "light" current of about 1UU niA is required.

Da die bestrahlte Außenschicht 18 etwa U,u1 mm dick ist, beträgt die günstigste wellenlänge etwa 9iüO S. 24it sichtbarem Licht würde die Anordnung einen sehr schlechten Wirkungsgrad haben, was sich eindeutig aus dem Verxauf der Kurve in Pig. t> ergibt, aie zeigt, wie der Wirkungsgrad sehr stark im Gebiet aes sichtbaren Lichtes abfällt. Kürzere Wellenlängen würden lediglich nutzlose Elektronen-Löcherpaare in aer bestrahlten Außensohioht 13 erzeugen. Da die vorgesehene Galiium-Arsenia-Lumineszenz-Dioce 42 ihre gesamte Strahlungsenergie in einer engen Bandoreite in der Nähe von 85U0 S. aussendet, ist sie eine vorzüg-" liehe Strahlungsquelle, um den Photothyristor zu zünden.Since the irradiated outer layer 18 is about 1/2 mm thick, the most favorable wavelength is about 90 ° p. 24 With visible light the arrangement would have a very poor efficiency, which can be clearly seen from the graph on the curve in Pig. t> results, aie shows how the efficiency drops very sharply in the area of visible light. Shorter wavelengths would only produce useless electron-hole pairs in the irradiated outer surface 13. As the time allotted Galiium-Arsenia luminescence dioce 42 sends its entire radiant energy in a narrow Bandoreite near 85U0 S., she is a vorzüg- "Liehe radiation source to ignite the photothyristor.

2c wurden Versuche an Photothyristoren gemäü der Erfindung mit einer Gallium-Arsenid-Diode als Impuls-Strahlungsquelle durchgeführt. Die Strahlung wurde hierbei mit einem Paserbündel- 2c, tests were carried out on photothyristors according to the invention with a gallium arsenide diode as the pulse radiation source. The radiation was

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Hl/Ca 009884/0 56 2Hl / Ca 009 884/0 56 2

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Lichtleiter, wie er in Pig. 2 mit 40 bezeichnet ist, au ι' die Oberfläche der Siiisiumscheibe 10 gebracht. Die resultierende Wellenform des Anodenstrons für aen Fall, daß der Photothyristor öaau verwendet wurde, eine Kapazität iicc-r einen 10.-..- großen Widerstand zu entladen, ist in den Pig. 4A und 4B dargestellt. Hierbei ist der Verlauf des Anoaenstroms in Abhängigkeit von der Zv.it dargestellt. Die Welienformen 44 und 46 in Pig. 4A erhält E1L..1 rr.it einer vergleichsweise geringen Strahlungsintensität in cer Größenordnung von 50 mA "Licht"-Strom.Light guide like he did in Pig. 2 is denoted by 40, au ι 'die Surface of the Siiisiumscheibe 10 brought. The resulting Waveform of the anode current in the event that the photothyristor öaau was used, a capacity iicc-r a 10.-..- large Discharge resistance is in the pig. 4A and 4B. The course of the anaenous current is dependent on the Zv.it shown. The waveforms 44 and 46 in Pig. 4A receives E1L..1 rr.with a comparatively low radiation intensity in The order of magnitude of 50 mA "light" current.

1. bemerken ist, daß der Aiiodenstrom, der aus dem Strah-ungs- _..pu..3 auf die bestrahlte Außenschicht resultiert, zwei klar voneinander au unterscheidende Bereiche aufweist. Zuerst ist der Strom nur klein, in der Größenordnung von 60 mA. Die Stromspitzen von etwa 60 mA erhält man nach etwa 0,5/usek, gerechnet von eier Einwirkung des Strahiungsimpulses auf die bestrahlte Außenschicht. Hierbei handelt es sich im wesentlichen einfach L..U die verstärkten Photoströme. Die untere Kurve 46 in Pig. 4A, b-'i der der Strom auf den Wert ..Hull absinkt, ist dadurch bedingt, w. j. 2 aie Strahlungsintensität zu niedrig war, um den Photo thyristor einzuschalten. Die obere Kurve andererseits erhält man unter der Bedingung, üaß der Photothyristor aufgrund des Strahiungsimpuises durchgezünaet wird. Während der ersten 2,5 /usek !at der durch die Wellenform 44 dargestellte Anodenstrom etwa vx^rselbe wie der durch die Wellenform 46 dargestellte, wobei der Photothyristor nicht zündete. Von einem Zeitpunkt von etwa ;yusek ab sind die Bedingungen für die Zündung des Thyristors hergestellt, und der Anodenstrom steigt scharf an. 1. It should be noted that the diode current resulting from the radiation _ .. pu..3 on the irradiated outer layer has two areas that are clearly distinguishable from one another. At first the current is only small, on the order of 60 mA. The current peaks of about 60 mA are obtained after about 0.5 / µsec, calculated from the effect of the radiation pulse on the irradiated outer layer. This is essentially simply L..U the amplified photocurrents. The lower curve 46 in Pig. 4A, b-'i the current drops to the value ..Hull, is due to the fact that the radiation intensity was too low to turn on the photo thyristor. The upper curve, on the other hand, is obtained under the condition that the photothyristor is ignited due to the radiation pulse. During the first 2.5 / µsec, the anode current represented by waveform 44 is about the same as that represented by waveform 46, with the photothyristor not firing. From a point in time about; yusek onwards, the conditions for the ignition of the thyristor are established and the anode current rises sharply.

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Hl/CaHl / Ca

009884/0612 bao 0R1GINAL 009884/0612 bao 0R1GINAL

Die Zeit zwischen der Einwirkung des Kathodenimpulses (Zeit "KuIl" in den Pig. 4A und 4B) und aem Zeitpunkt, in dem die Einschaltbedingungen erfüllt sind und der Strom stark ansteigt, wird als Einsohaltverzögerungszeit bezeichnet. Im Falle der ■ Wellenform 44 in Pig. 4A beispielsweise beträgt die Sinschaltverzögerungszeit ungefähr 3 /usek, was ziemlich lang ist.The time between the effect of the cathode pulse (time "KuIl" in Pig. 4A and 4B) and a time at which the Switch-on conditions are met and the current increases sharply, is called the hold-on delay time. In the case of the ■ Waveform 44 in Pig. For example, in Fig. 4A, the turn-on delay time is approximately 3 / µsec, which is quite long.

Dio in Pig. 4B dargestellte Wellenform zeigt das Verhalten bei schon groß gewordenem Strom des Thyristors gemäß der Erfindung. Hiorbei wurde eine höhere Strahlungsintensität in der Größenordnung von etwa 5 A "Lichf'-Strom verwendet. Die resultierende Einschaltverzögerungszeit. in Fig. 4B beträgt etwa 0,7/usek, verglichen mit den 2/usek für die Wellenform 44 in Fig. 4A. In Pig. 4B zündet der Thyristor innerhalb von Ü,8 /usek völlig durch. Zu diesem Zeitpunkt ist der Strom kaum noch durch den Thyristor selbst, sondern durch die äußeren Kreisbedingungen bestimmt. In diesem Falle beträgt der Spitzenstrom etwa 25 A und die Anstiegszeit des Stromes ist weniger als 0,1 /usek. Diese Einschaltzeit von 0,1 /usek ist, wie erwähnt, viel kürzer, als sie bei herkömmlichen Thyristoren erreicht werden kann. Dies läßt sich folgendermaßen erklären:Dio in Pig. The waveform shown in FIG. 4B shows the behavior at already large current of the thyristor according to the invention. This resulted in a higher radiation intensity in the order of magnitude of about 5 A "Lichf 'current is used. The resulting Switch-on delay time. in Figure 4B is about 0.7 / µsec when compared with the 2 / µsec for waveform 44 in Figure 4A. In Pig. 4B the thyristor ignites completely within Ü.8 / usec. At this point the current is hardly through the thyristor itself, but determined by the external conditions of the circle. In this case the peak current is about 25 A and the rise time of the current is less than 0.1 / µsec. This switch-on time of 0.1 / µsec is, as mentioned, much shorter than it is with conventional ones Thyristors can be achieved. This can be explained as follows:

Beim Einschalten ist die Anstiegszeit des Stromes im allgemeinen durch das Verhältnis L/R in der leiterschleife einschließlich ^ cos Thyristors bestimmt. Wenn die äußere Schleifeninduktivität L im Vergleich zum Widerstand R gering gehalten wird, so wird die Anstiegszeit immer noch durch die Induktivität des Schalters oogrenzt. Der Strom in herkömmlichen Thyristoren wird anfänglich When switching on, the rise time of the current is generally determined by the ratio L / R in the conductor loop including the ^ cos thyristor. If the external loop inductance L is kept low compared to the resistance R, the rise time is still limited by the inductance of the switch. The current in conventional thyristors is initially

-H--H-

Hl/GaHl / Ga

in dünnen Stroiafäden geführt, die wegen ihrer geringen Dicke.eine wirksame Induktivität darstellen. Beim Photothyristor gemäß der vorliegenden Erfindung wird von Anfang an eine große Fläche durch gezündet, das ergibt eine niedrige effektive Selbstinduktivität. Im durchgezündeten Zustand fällt der Strom exponentiell ab mit einer Zeitkonstante, die durch den Wert der als Energiequelle wirkenden Kapazität und dem Ladungswiderstand bestimmt ist.guided in thin stroia threads, which because of their small thickness represent effective inductance. In the photothyristor according to the present invention, a large area is covered from the start ignited, which results in a low effective self-inductance. In the fully ignited state, the current drops exponentially a time constant which is determined by the value of the capacitance acting as an energy source and the charge resistance.

Die Werte für den ütromanstieg (di/dt) können aus der Pig. 4-B abgelesen werden. Der Höchstwert des Stromanstiegs unter diesen Bedingungen wurde auf etwa 400 A//usek geschätzt. Vergleichende Analysen zwischen einem herkömmlichen Thyristor und dem Thyristor gemäß der Erfindung zeigen, daß bei der vorliegenden Erfindung das di/dt-Verhalten des Thyristors um mindestens eine Größenordnung verbessert: ist.The values for the rise in electricity (di / dt) can be taken from the Pig. 4-B can be read. The maximum value of the current rise under these conditions was estimated to be about 400 A / usec. Comparative Analyzes between a conventional thyristor and the thyristor according to the invention show that in the present invention the di / dt behavior of the thyristor by at least an order of magnitude improved: is.

?ig. 5 zeigt eine Anordnung zum Durchzünden von in Reihe geschalteten Thyristoren. Die Thyristor©;?. siM mit ä@n Bezugszeichen T1, T2, Τ-, usw. bezeichnet. Die Thyristoren sind mit einer Belastung in Reihe geschaltet. Die Belastung ist ein schematisch dargestellter Widerstand 48, der sich zwischen dem * · Srdpotentiai und dem Punkt 50 mit hohen negativem Potential befindet. Zu bemerken ist, daß keinerlei Ausgleichsbeschaltung parallel zu den Thyristoren vorgesehen ist, weil die Einschaltzeit aller Thyristoren äußerst kurz ist' und die Thyristoren praktisch alle gleichzeitig eingeschaltet werden.? ig. 5 shows an arrangement for igniting series-connected thyristors. The thyristor ©;?. siM denoted by ä @ n reference symbols T 1 , T 2 , Τ-, etc. The thyristors are connected in series with a load. The load is a schematically shown resistor 48 which is located between the * · Srdpotentiai and the point 50 with a high negative potential. It should be noted that no compensation circuit is provided parallel to the thyristors, because the switch-on time of all thyristors is extremely short and the thyristors are practically all switched on at the same time.

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Hl/OaHl / Oa

009804/0512009804/0512

. , ;;..■·. BAD ORIGINAL. , ;; .. ■ ·. BATH ORIGINAL

Eine Gallium-Arseniü-Lummeszens-Diodenanoranung 52 ist in eine Kühlflüssigkeit getaucht, beispielsweise flüssigen .Stickstoff, in einem Behälter 54· In manchen Fällen, kann auf ein Kühlmedium überhaupt verzichtet werden. Die Diodenanordnung 52 kann beispielsweise eine Vielfalt von einzelnen Dioaenscheioen enthalten, die unmittelbar mit Hilfe einer dünnen Lotschicht in einer pn-A gallium arsenic Lummeszens diode array 52 is in one Cooling liquid submerged, for example liquid nitrogen, in a container 54 · In some cases, a cooling medium be waived at all. For example, the diode array 52 may contain a variety of individual diaphragm layers, which is directly applied with the help of a thin layer of solder in a pn-

pr. pn-Serie mit schweren Kolybdängegeneiekxroden an den Endenpr. pn series with heavy Kolybdenum electrodes at the ends

verbunden sind und die in einer gemeinsamen Kammer für alle Ι-οαοΛ der Säuie untergebracht sind. Impulse elektrischer Energie von 'etwa 1Ou bis 2OU A für aie Diodenanordnung 52 erhält man von einem Impulse erzeugenden Netzwerk 56, das mit der Anordnung 52 über eine Zuleitung 58 verbunden ist. Die Gallium-Arsenid-Lumineszenz-Diodenanordnung 52 ist unmittelbar an ein Lichtleitersystem angeschlossen, das aus einem Hauptlichtleiter 60 von groüem Durchmesser besteht, welcher an einem Ende m eine Vielfalt von Lichtleitern 62, 64 und 66 mit kleinerem Durchmesser aufgeteilt ist, die ihrerseits durch die Bohrungen 58 (Pig. 2) su je einem der Thyristoren T- bis T-* geführt sind. Da die Strahlung von einer gemeinsamen Quelle aus gesendet wird, nämlich der G-allium-Arsenid-Lumineszenz-Diodenanordnung 52, treffen die Lichtimpulse gleichzeitig auf die Thyristoren T.. bis T, auf.connected and in a common chamber for all Ι-οαοΛ the sows are housed. Pulses of electrical energy from about 10U to 20U A for aie diode array 52 is obtained from a pulse generating network 56 associated with assembly 52 is connected via a supply line 58. The gallium arsenide luminescent diode array 52 is directly connected to a light guide system, which consists of a main light guide 60 of large diameter, which at one end m a Variety of light guides 62, 64 and 66 with smaller diameter is divided, which in turn through the bores 58 (Pig. 2) su each one of the thyristors T- to T- * are performed. Since the Radiation is sent from a common source, viz the allium arsenide luminescent diode assembly 52 the light pulses simultaneously on the thyristors T .. to T on.

"Ja jedoch völlig identische Einschaltcharakteristiken der in Reihe geschalteten Thyristoren zu erhalten, muß die Amplitude der Lichtimpulse, die zu den einzelnen Thyristoren geführt werden, jeweils die gleiche sein. Ein System, um den Lichtimpuls gleichmäßig unter die Thyristoren aufzuteilen, ist m Fig. 6 cargestellt. Der Lichtleiter 60 mit großem Durchmesser ist in"Yes, but completely identical switch-on characteristics of the in To obtain series connected thyristors, the amplitude must be achieved of the light pulses that are fed to the individual thyristors must be the same. A system to the pulse of light to be divided evenly among the thyristors, m Fig. 6 car posed. The large diameter light guide 60 is shown in FIG

ICIC

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Hl/CaHl / Ca

009884/0S62 ■·''■"-·■■" BAD ORIGINAL009884 / 0S62 ■ · '' ■ "- · ■■" BAD ORIGINAL

die Teile A und B aufgeteilt. Der Teil A besteht aus statistisch verteilten Faserleitungen 68, die am Eingang gemeinsam und am Ausgang getrennt enden und somit Lichtleiter 62, 64 und 66 mit kleinem Durchmesser ergeben, die zu den entsprechenden Thyristoren T- bis T5 geführt werden. Der Eingang oder die Oberfläche 70 des Teils A ist eben poliert. Der Teil B umfaßt einen kurzen Stummei oiaes massiven Lichtleiters. Seine Enden sind poliert und besitzen eoene und parallele Oberflächen, von denen eine mit der Oberfläche 70 des Teiles A mit einem optisch passenden Klebemittel verbunden ic"c. Die G-allium-Arsenid-Lumineszenzquelle 52 wird anschließend mit der eigenen Oberfläche 72 des Teiles B verbunden, wobei die strahlende polierte Oberfläche der Lumineszenzdiode gegen die polierte Fläche 72 des Teiles B gerichtet ist. Obwohl in Fig. nur eine einzelne Diode dargestellt ist, können auch mehrere Dioden 52 mit der Oberfläche 72 verbunden sein. In diesem Falle senden alle Dioden gleichzeitig ihre Strahlung aus.parts A and B divided. Part A consists of random fiber lines 68, arising at the input together and separated at the output end and thus light guides 62, 64 and 66 with a small diameter, which are guided to the corresponding thyristors T to T. 5 The entrance or surface 70 of part A is polished flat. Part B comprises a short stump of solid light guide. Its ends are polished and have smooth and parallel surfaces, one of which is bonded to surface 70 of part A with an optically matching adhesive The radiant, polished surface of the light-emitting diode is directed towards the polished surface 72 of part B. Although only a single diode is shown in Figure, several diodes 52 can also be connected to the surface 72. In this case, all diodes transmit simultaneously their radiation off.

Der Teil A weist statistisch verteilte Fasern auf, aie trotz ungleichmäßiger Bestrahlung am Eingang gleichmäßiges Licht zum Ausgang aussenden. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, daß für den Fall, daß die Bestrahlung nicht gleichmäßig ist, wegen der begrenzten Auflösung der Faserbündel, nämlich dem endlichenPart A has randomly distributed fibers, despite uneven irradiation at the entrance uniform light to the Send out exit. The problem, however, is that in the event that the irradiation is not uniform, because of the limited resolution of the fiber bundles, namely the finite one

Faserdurchmesser, nur wenige Fasern, die in die Ausgangsoündel 62 bis 66 münden, wirklich emittieren. Dies ist natürlich eine unerwünschte Situation und würde zu ungleichmäßiger Lichtaus-&outG für die einzelnen Thyristoren führen· Obwohl der zusammen gefaßte Ertrag der Lichtleiter oder Bündel 62 bis 66 gleich sein mag, *o wird der Thyristor doch eher in Flecken von der GrößeFiber diameter, only a few fibers that open into the exit bundles 62 to 66 really emit. This is of course an undesirable situation and would lead to uneven light output & outG for the individual thyristors · Although the combined output of the light guides or bundles 62 to 66 may be the same , * o the thyristor is more likely in patches of the size

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Hl/CaHl / Ca

009184/0611009184/0611

,^y,; BAD ORIGINAL, ^ y ,; BATH ORIGINAL

der einzelnen Fasern in jedem Bündel als gleichförmig Über seine Steuerfläche beleuchtet. Ais Steuerfläche ist die Fläche der bestrahlten Auflenschicht zu verstehen, die unter der Bohrung 38 in Fig. 2 durch eine Mehrzahl von kleinen Lichtflecken anstelle eines einzigen großen Lichtflecke beleuchtet wird. Es ist möglich, daß diese fleckenhafte Beleuchtung der Steuerfläche einige Vorteile bezüglich der Geschwindigkeit und des di/dt-Verhaltens aufheben könnte* Bas Licht emittierende Gebiet der Diode ist ein Strich von ungefähr 0,05 cm Länge und weniger als ϋ,υΟΙ cm Weite. In der Ebene senkrecht zu dieser Linienquelle streut die Strahlung entsprechend den Brechungsgesetzen. Der Gesamtwinkel dieser Streuung liegt in der Größenordnung von etwa 10°. Der Stummelteii B in Fig. 6 nützt diese Ausbreitung durch Brechung auf zweierlei Weise:of the individual fibers in each bundle as being uniform across its Illuminated control surface. Ais control surface is the area of the irradiated Auflenschicht to understand the under the bore 38 in Fig. 2 by a plurality of small light spots instead a single large light spot is illuminated. It is possible that this patchy lighting of the control surface some Advantages in terms of speed and di / dt behavior could cancel * Bas is the light emitting area of the diode a line about 0.05 cm long and less than ϋ, υΟΙ cm Expanse. In the plane perpendicular to this line source, the radiation scatters according to the laws of refraction. The total angle this spread is on the order of about 10 °. The stub II B in Fig. 6 makes use of this diffraction by refraction in two ways:

Erstens wird die Strahlungsquelle von der Oberfläche des eigentlichen Eingangs 70 zurückversetzt, um eine relativ gleichmäßige Ausleuchtung des Eingangs zu erzielen. Man wird den Stummel B so gestalten, daß der durch seinen Querschnitt und seine Länge definierte Raumwinkel etwa dem Raumwinkel der Strahlung aus der Linienquelle gleich wird. Der zweite Zweck des Stummeis B ist, als Lichtleiter zu dienen, indem er zum Teil auch das unter besonders großen Winkeln abgestrahlte Licht einfängt.First, the radiation source is set back from the surface of the actual entrance 70 to be relatively uniform To achieve illumination of the entrance. You will make the stub B so that by its cross-section and its length defined solid angle is approximately equal to the solid angle of the radiation from the line source. The second purpose of Mute B is to serve as a light guide by partially capturing the light emitted at particularly large angles.

Das Eingangsende des Lichtleiters ist mechanisch an der elektrischen Impulaübertragungeleitung befestigt und in die Kühlflüssigkeit eingetaucht.The input end of the light guide is mechanically attached to the electrical pulse transmission line and immersed in the cooling liquid.

Fall« die Zahl der In Beine geschalteten Thyristoren wächst, muß auch die Zahl der Gallium-Arsenid-Dioden, die an dtr Fläche 72If the number of thyristors connected in legs grows, must also the number of gallium arsenide diodes, which are 72

" 18 e " 18 e

009804/0112009804/0112

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

-'"iMr.-.ΐΛ-- '"iMr .-. ΐΛ-

in Pig. 6 befestigt sind, erhöht werden. Die gebräuchliche Gallium-Arsenid-Lumineszenz-Diode arbeitet bei 77° K und emittiert Spitzen-."Licht"-Impulsetröme von 10 A bei einer Frequenz von 2UO Impuisen/sek. Die einzelnen Galiium-Arsenid-Lumineszenz-Dioden 52 haben eine derartige Größe, daß etwa 10 von ihnen an der P.atte 72 in Pig. 6 befestigt werden können. Damit erhält man einen gesamten "Licht"-Strom von 100 A. Unter Berücksichtigung der Absorption und Reflexionen in den Lichtleitern kann rr.cn davon ausgehen, daß etwa 30 ^ der emittierten Strahlung zu den thyristoren gelangt. Das ergibt einen "Licht"-Strom von ungefähr 30 L·. Da man, wie oben erwähnt, ungefähr 100 mA an λ "Licht"-Strom benötigt, um einen Thyristor zu zünden, können mehr als 100 Thyristoren bei den angegebenen Umständen in Reihe geschaltet werden.in Pig. 6 are attached, can be increased. The common gallium arsenide luminescent diode works at 77 ° K and emits peak "light" pulse currents of 10 A at a frequency of 2UO pulses / sec. The individual gallium arsenide luminescent diodes 52 are of such a size that about 10 of them are attached to the plate 72 in Pig. 6 can be attached. This gives a total "light" current of 100 A. Taking into account the absorption and reflections in the light guides, rr.cn can assume that about 30 ^ of the emitted radiation reaches the thyristors. This gives a "light" flow of approximately 30 L ·. Since, as mentioned above, about 100 mA of λ "light" current is required to ignite a thyristor, more than 100 thyristors can be connected in series under the specified circumstances.

Kit der vorliegenden Erfindung wird ein Starkstrom- und Hochspannungs-Silizium-Photothyristor mit zwei elektrischen Anschlüssen geschaffen, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, daß das di/dt-Verhaiten um eine Größenordnung besser isx als bei den herkömmlichen Thyristoren. Außerdem kann er schneller geschaltet werden, als die bekannten Thyristoren. Überdies vereinfacht die Zündung durch Strahlung die elekxrische Isolierung dos Gittere von der Steuerquelle. Hinzu kommt, daß ein'-unerwünschtes Durchzünden des Thyristors durch streuende elektrische Signale oder Lichteignale, beispielsweise durch mittleres Licht, verhindert wird.The kit of the present invention becomes a high current and high voltage silicon photothyristor created with two electrical connections, which is characterized in particular by that the di / dt ratio is an order of magnitude better than at the conventional thyristors. In addition, it can be switched faster than the known thyristors. Moreover, simplified the ignition by radiation the electrical isolation of the grids from the control source. In addition, a'-undesirable Ignition of the thyristor by scattering electrical signals or light signals, for example by medium light, is prevented.

c Figurenc figures

12 Patentansprüche12 claims

-.19--.19-

Hl/CaHl / Ca

008884/061^008884/061 ^

BADBATH

Claims (1)

PLA 67/8250PLA 67/8250 ίοίο PatentansprücheClaims . 1. Photothyristor mit einem Halbleiterkörper mit vier Schichten vcfl. abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, dessen äußere Schichten mit flächenhaften Anschlußkörpern versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Zünden des Thyristors erforderliche Strahlungsenergie gegen die eine Außenschiciit (1S) gerichtet ist und daß die Strahlungsenergie eine derartige Wellenlänge hat, daß mindestens ein Teil davon diese Außenschicht (18) durchdringt und Elektronen-Löcherpaare in mindestens einer der beiden Innenschichten (14·, 16) erzeugt.. 1. Photothyristor with a semiconductor body with four layers vcfl. alternately opposite conduction type, its outer Layers are provided with planar connection bodies, characterized in that the one required for triggering the thyristor Radiant energy against the one outer layer (1S) is directed and that the radiant energy has such a wavelength that at least a part of it this outer layer (18) penetrates and electron-hole pairs generated in at least one of the two inner layers (14 ·, 16). 2. Photothyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß'der Halbleiterkörper (10) aus Silizium besteht und die Wellenlänge der Strahlungsenergie* etwa 7000 - 10 000 £ beträgt.2. Photothyristor according to claim 1, characterized in that the Semiconductor body (10) consists of silicon and the wavelength of the radiant energy * is about 7,000-10,000 pounds. 3. Photothyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bestrahlte Außenschicht (18) eine Dicke von etwa 0,01 mm hat und die Wellenlänge der Strahlungsenergie 8500 - 9300 1 beträgt.3. Photothyristor according to claim 1 or 2, characterized in that the irradiated outer layer (18) has a thickness of about 0.01 mm and the wavelength of the radiant energy is 8500-9300 1 . 4. Photothyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsenergie an die bestrahlte Außenschicht (18) mittels eines Lichtleiters (40) herangeführt ist, dessen eines Snde an die bestrahlte Außenschicht (18) angrenzt und auf dessen anderes Ende eine Strahlungsquelle (42) mit einer Wellenlänge von etwa 7000 - 10 000 & einwirkt.4. Photothyristor according to claim 1, characterized in that the radiant energy is brought to the irradiated outer layer (18) by means of a light guide (40), one of which is adjacent to the irradiated outer layer (18) and on the other end of which a radiation source (42) with a wavelength of about 7000 - 10 000 & acts. Ntut UnttrttetnNtut inferior - 20 - - 20 - 00 988 A/OS 6 2 H1/Ca 00 988 A / OS 6 2 H1 / Approx £ Λ PLA 67/8250£ Λ PLA 67/8250 5. Photothyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlungsquelle (42) eine. Gallium-Arsenid-Lumineszenz-Mode vorgesehen ist.5. photothyristor according to claim 4, characterized in that as Radiation source (42) a. Gallium arsenide luminescence mode is provided. 6. Photothyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster flächenhafter Anschlußkörper (30) an der nicht bestrahlten Außenschicht (12) und ein zweiter flächenhafter Anschlußkörper (33) an dor bestrahlten Außenschicht (18) befestigt ist, daß der zweite Anschlußkörper (33) im wesentlichen die Form eines Zylinders hat und daß die Strahlungsenergie durch eine Bohrung f (38) des Zylinders an die bestrahlte Außenschicht (18) herangeführt ist.6. photothyristor according to claim 1, characterized in that a first planar connection body (30) on the non-irradiated Outer layer (12) and a second planar connection body (33) is attached to the irradiated outer layer (18) that the second connection body (33) essentially has the shape of a Has cylinder and that the radiant energy is brought to the irradiated outer layer (18) through a bore f (38) of the cylinder is. 7. Photοthyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Bohrung (38) des zweiten Anschlußkörpers (33) längs der Zylinderachse erstreckt.7. photothyristor according to claim 6, characterized in that the bore (38) of the second connection body (33) along the Cylinder axis extends. 8. Photothyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensität der Strahlungsenergie so groß ist, daß die Zahl der λ pro Sekunde emittierten Photonen mal der Ladung eines Elektrons mindestens 10 mA beträgt.8. Photothyristor according to claim 1, characterized in that the intensity of the radiant energy is so great that the number of λ emitted photons per second times the charge of an electron is at least 10 mA. 9. Anordnung zum Heranführen von Strahlungsimpulsen gleicher Intensität an verschiedene Stellen, vorzugsweise an verschiedene Photothyristoren, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil (A) eines Lichtleiters (60) mit " großem Durchmesser au3 statistisch verteilten faserförmigen9. Arrangement for introducing radiation pulses of the same intensity at different locations, preferably at different photothyristors, in particular according to claim 1, characterized in that that a first part (A) of a light guide (60) with "large diameter au3 randomly distributed fibrous - 21 -- 21 - Hl/CaHl / Ca 00988^/056200988 ^ / 0562 BAD ORIGINALBATH ORIGINAL « j PLA 67/8250« J PLA 67/8250 Lichtleitern (68), die am- Eingang der Strahlungsimpulse gemeinsam und am Ausgang der Strahlungsimpulse in Einzelbündeln enden, sich zusammensetzt, daß die gebündelten Lichtleiterfa3ern mehrere Lichtleiter (62·, 64, 66) mit kleineren: Durchmesser bilden, die zu den einzelnen zu bestrahlenden Stellen führen, daß ein vergleichsweise kurzer zweiter Teil (B) eines Lichtleiters (60)' mit großem Durchmesser parallele und ebene Oberflächen hat, von denen die eine an den Eingang des ersten Lichtleiterteils (A) angrenzt und daß Strahlungsimpuise an die andere ebene Oberfläche (72) des zweiten Lichtleiterteils (B) eingespeist werden, so daß die Strahlungsimpulse die beiden Teile (A, B) des Lichtleiters (60) durchwandern und schließlich auf die Vielfalt der Lichtleiter (62, 64, 66) mit kleinerem Durchmesser verteilt werden.Light guides (68), which are common at the input of the radiation pulses and at the exit of the radiation pulses end in individual bundles, composed so that the bundled light guide fibers several light guides (62 ·, 64, 66) with smaller: form the diameter, which leads to the individual points to be irradiated lead that a comparatively short second part (B) of a light guide (60) 'with a large diameter parallel and flat Has surfaces, one of which is adjacent to the entrance of the first light guide part (A) and that radiation pulses the other flat surface (72) of the second light guide part (B) are fed, so that the radiation pulses the two Hike through parts (A, B) of the light guide (60) and finally to the variety of light guides (62, 64, 66) with smaller ones Diameter can be distributed. fO. Anordnung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die emittierte Strahlung vom Ausgang der vielen Lichtleiter (62, 64, 66) mit kleinerem Durchmesser je gegen eine der zu bestrahlenden Außenschichten (18) von in Reihe geschalteten Photothyristoren (T1, T2, T5) gerichtet ist.fO. Arrangement according to Claim 9 »characterized in that the radiation emitted from the exit of the many light guides (62, 64, 66) with a smaller diameter each against one of the outer layers (18) to be irradiated by series-connected photothyristors (T 1 , T 2 , T 5 ) is directed. 11. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die auf die andere ebene Oberfläche des zweiten Teils (B) des Lichtleiters (60) mit großem Durchmesser gerichteten Strahlungsimpulse von einer Gallium-Arsenid-Lumineszenz-Diode ausgesandt sind.11. The arrangement according to claim 9, characterized in that the on the other flat surface of the second part (B) of the light guide (60) with large diameter directed radiation pulses emitted by a gallium arsenide luminescent diode. - 22 - " · Hl/Ga 009884/OS 6 J BAD - 22 - "· Hl / Ga 009884 / OS 6 J BAD τ * PLA 67/8250τ * PLA 67/8250 12. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsseite des ersten Teils (A) des Lichtleiters (60) mit großem Durchmesser eine polierte und ebene Oberfläche hat, die mit der einen ebenen Oberfläche des zweiten Seils (B) des Lichtleiters (60) mit großem Durchmesser mit einem optisch angepaßten Klebemittel verbunden ist.12. The arrangement according to claim 9, characterized in that the The entrance side of the first part (A) of the large diameter light guide (60) has a polished and flat surface, the one with a flat surface of the second rope (B) of the light guide (60) with a large diameter with an optical adapted adhesive is connected. - 23 -- 23 - Hl/CaHl / Ca 00988A/0E6200988A / 0E62 '■·'·' ( - '■ ·' · ' ( - BAD ORIGINALBATH ORIGINAL 2/2 / LeerseiteBlank page
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