DE1935164A1 - Elektronische Halbleitervorrichtung zur Steuerung des Stromdurchgangs zwischen zwei elektrischen Leitern - Google Patents

Elektronische Halbleitervorrichtung zur Steuerung des Stromdurchgangs zwischen zwei elektrischen Leitern

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Description

  • Elektronische Haibleit ervorrichtung zur Steuerung des Stromdurchgangs zwischen zwei elektrischen Leitern Die Erfindung betrifft eine elektronische Steuervorrichtung ftlr den Stromdurchgang zwischen zwei elektrischen Leitern Ihr liegt als Aufgabe die Entwicklung einer elektronischen Halbleitereinheit zugrunde mit Eigenschaften, die sich praktisch mit einem einzigen Thyristor nicht erzielen lassen, und zwar kurze Löschzeit bei schwaohem Einschaltstrom.
  • Hierfür kämen Vorrichtungen mit einem einem Transistor zugeordneten Thyristor in Betracht, die eine Vereinigung dieser Eigenschaften ermöglichen, jedoch lassen sich diese nicht in ein und denselben Stab einbauen.
  • Die den Gegenstand der Erfindung bildende Vorrichtung ermöglicht eine leichte "Integration" , dQho die Herstellung der gesamten Vorrichtung in ein und demselben Siliziumkristall, Sie ermöglicht das Auslösen eines einen hohen Steuerstrom benötigenden Hauptthyristor3 mit Hilfe eines auslöseempfindliohen Thyristors, dessen anode und Kathode an die Anode bzw. den Auslöser des ersten Thyristor angeschlossen sind.
  • Die Vorrichtung nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch mindestens einen ersten Hauptthyristor, dessen Anodenemitter an den ersten der Leiter und dessen Kathode an den zweiten der Leiter angeschlossen istb und durch einen zweiten Steuerthyristor, dessen Anode ebenfalls an den ersten Leiter und dessen Kathode an den Auslöser des ersten Thyristors angeschlossen ist, wobei der Auslöser des zweiten Thyristors beliebig an eine das positive Schliessateuerßignal für den zweiten Thyristor liefernde Spannungsquelle angeschlossen ist. Bei einer solchen Vorrichtung hat der erste Thyristor eine kurze Löschzeit, kann jedoch einen erheblichen Einschaltstrom haben, während der zweite Thyristor, d.h. der Steuerthyrietor, eine lange Löschzeit hat und von geringer Leistung sein kann.
  • Zwischen der Anode des zweiten Thyristors und dem ersten Leiter sowie zwischen der Kathode des zweiten Thyristors und dem Auslöser dea ersten Thyristors kann jeweils mindestens eine Diode eingeschaltet werden.
  • Die Löschung des ersten Thyristors kann, sofern dieser ein Thyristor mit Steuerverstärkung bei Öffnung ist, durcb seinen Auslöser gesteuert werden, der über mindestens eine Diode an den Auslöser des zweiten Thyristors angeschlossen ist, der seinerseits nach Bedarf beliebig an eine das positive SchliessignaL für den ersten Thyristor liefernde erste Spannungsquelle und an eine das negative Öffnungssignal für 1 den gleichen ersten Thyristor liefernde zweite Spannungsquelle angeschlossen ist Wenn die gesamte Vorrichtung in einen Halbleiter-Einkristall integriert ist, kann die Auslöserelektrode des zweiten Thyristore in der Mitte einer Seite des Kristalls angeordnet seinw während die Kathodenelektrode des ersten Thyristors auf der gleichen Seite des Kristalls als Randeinfassung angeordnet ist. Ein auf der gleichen Seite des Kristalls zwischen den Elektroden und ohne unmittelbaren Kontakt mit ihnen angeordneter leitfähiger ringförmiger Streifen schliesst den Auslöser des ersten Thyristors und die Eathode des zweiten Thyristors kurz, während eine für den ersten und den zweiten Thyristor gemeinsame Anodenelektrode auf der anderen Seite des Kristalls angeordnet isto Ein solcher Kristall kann abweohselnd p- und n-leitende Zonen aufweisen, die auf einer Seite eines Einkrlstalls, dessen Masse n-leitend ist, und dessen andere Seite p-leitend ist, eine p-leitende vorzugsweise durchgehende Zone bedecken.
  • Die durch die Kathodenelektrode des ersten Thyristors bedeokte Zone eines solchen Kristalls kann durch eine n-leitende Oberfläohendiffusionszone mündende p-leitende Diffusionslöcher aufweisen.
  • Die Erfindung betrifft ausserdem als neuartige industrielle Erzeugnisse elektronische Schnellkontaktgeber mit Auslösung durch schwachen Impuls, die mindestens eine Vorrichtung nach der Erfindung enthalten.
  • Die Erfindung betrifft als Variante eine elektronische Vorrichtung mit unmittelbaF nach der Zündung äusserst raschem Stromanstieg, die mindestens einen ersten Hauptthyristor enthält, dessen Auslöser an die Katrode eines auslöseempfindlichen zweiten Thyristors angeschlnssen ist, wobei der erste und der zweite Thyristor in ein und denselben wie vorstehend beschriebenen Halbleiterkristall integriert sind, mit dem besonderen Kennzeichen, dass der emitter des Haupttrsn.istor.
  • Windungen aufweist.
  • Eine Metallauflage an der Oberfläche des Kristalls zwischen den Windungen des Emitters des Hauptthyristors ermdglioht eine Verbesserung der Oberflächenleitfähigkeit einer solchen Vorrichtung0 Die Vorrichtung gemäss dieser Variante ermöglicht unmittelbar nach der Zündung einen äusserst raschen Stromanstieg, d.h. sie verbessert das di -Verhalten solcher Vorrichtunen.
  • Bei den bisher bekannten Thyristoren muss nämlich, sofern ein di -Wert von 400 A/ µs überschritten werden soll, die Länge dt des Kontakt es zwischen dem Emitter und dem Auslöser vermehrt werden. Die gezündete Zone des Thyristors pflanzt sich von diesem Kontakt aus mit einer Geschwindigkeit von etwa lO0m/yis fort. Jedoch ist stets eine zuerst auslösende privilegierte Zone vorhanden, die in dieser Zone einen sehr starken Strom durchfliessen lässt, was zur Zerstörung der Vorrichtung führen kann. Die bisher vorgeschlagenen verschiedenen Verbesserungen bestehen in der Vermehrung der auagelösten Zone durch Schaffung von Emitterlängswiderständen oder durch Vermehrung des Auslöserreihenwiderstandes. Diese beiden Methoden sind um so wirksamer, Je erheblicher der di -Wertes ist ein mehr als 2 A betragender Auslösestrom dt mit einer weniger als 0,1 µs betragenden Anstiegsfront notwendig, was den Auslösestromkreis sehr kompliziert.
  • Bei der Vorrichtung gemäss dieser Erlindungsvariante wird der Steuerstrom durch die Hauptstromversorgung über einen Hilfsthyristor geliefert, der durch einen weniger als 0,5 A betragenden Stromimpuls gesteuert wird. Der in dem Hilfsthyristor zum Zeitpunkt der Zündung fliessende Strom muss zum Verhindern seiner Zerstörung begrenzt werden, und zwar dadurch, dass seine Kathode mit einem Widerstand in der Grössenordnung von 5 Ohm in Reihe geschaltet wird. Der Strom am Auslöser des Hauptthyristors beträgt dann mehr als 10 A, was das gleichmässige Auslösen über die gesamte Länge des Emitter-Auslöser-Eontaktes des Thyristors und somit die Verbesserung seiner dt -Möglichkeiten zur Folge hat.
  • Für Thyristoren mit geringer Leistung oder durchschnittlicher di -Kennlinie kann die Kathode des Hauptthyristors eine eindt fache geometrische Form haben. Jedoch ist es zum Erzielen di sehr hoher -Kraft- bzw. Spannungsleistungen vorzuziehen, dt für die Kathode des Hauptthyristors eine möglichst geschickte geometrische Form zu haben, und zwar in der Weise, dass die Länge des Kontaktes zwischen dem Auslöser des Auslösethyristors und der Kathode des Hauptthyristors vermehrt wird.
  • Einige Ausführungsbeispiele der Vorrichtung nach der ErSindung gind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 ein symbolisches Schaltschema einer Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 eine perspektivisohe Ansicht eines Diametralschnittes durch eine ebene Ausführung einer solchen Vorrichtung, in schematischer Darstellung, Fig. 3, 4, 5 und 6 Schaltbilder verschiedener Schaltungen der gleichen Vorrichtung, Fig. 7 ein Schaltbild einer mit Hilfe einer aRorrichtung nach der Erfindung hergestellten Stromversorgung mit veränderbarer Leistung Fig> 8 einen Diametralschnitt entsprechend Fig. 2, in schematischer Darstellung, Fig. 9 eine Draufsicht auf eine andere elektronische Vorrichtung nach der Erfindung, in schematischer Darstellung, Fig. 10 einen Schnitt durch die Vorrichtung nach der Linie X-X in Fig. 9, Fig. 11 ein vereinfachtes Schaltbild einer mit elektronischen Vorrichtungen gemäss Fig> 4 und 5 versehenen Generatorspeisung für "Sonar"-Ausrüstung, Fig> 12 ein vereinfachtes Schaltbild einer mit Thyristoren gemäss Fig. 9 und 10 versehenen Wechselrichterspeisung.
  • In den verschiedenen Figuren sind die gleichen Teile und Bauelemente jeweils mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Eine in Figo 1 schematisch dargestellte Äusführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung besteht aus einem ersten Hauptthyristor Th1 mit hohem Steuerstrom und einem zweiten Steuerthyristor Th2 von geringer Leistung, Die beiden Anoden der Thyristoren Th1 und Th2 sind an die Plusklemme +V einer Stromquelle angeschlossen. Die Kathode des Thyristors Th1 ist an die Minusklemme -V der gleichen Stromquelle angeschlossen. Der Auslöser des Thyristors Th1 ist an die Kathode des Thyristors Th2 angeschlossen, dessen Auslöser an eine positive Spannungsquelle +G von geringer Leistung angeschlossen ist.
  • Sofern dem Auslöser des Thyristors Th2 bei +G ein positive. Signal zugeführt wird, schliesst sieh der Thyristor Th2 und die Spannung +T wird an den Auslöser des Hauptthyristors Th1 angelegt, worauf sich dieser schliesst. Die Lösohzeit des Hauptthyristors Th1 wird durch die Abzweigung, die der geschlossene Thyristor Th2 bildet, nicht beeinträchtigt.
  • Die Einheit kann, wie in Fig. 2 veranschaulicht, in ebener Ausführung an einem Einkristall nach den üblichen Diffusions- und Elektrodenbildungsverfahren hergestellt werden.
  • Eine Seite des n-leitenden Siliziumkristalls n2 weist eine Diffusionszone p2 auf, die mit einer durchgehenden Elektrode 1 bedeckt ist, die die gemeinsame Anode für die beiden Thyristoren bildet. Die entgegengesetzte Seite des Kristalls ist durch eine Diffusionszone P1 bedeckt, die in zwei zueinander koaxialen Ringen verteilte Diffusionszonen n1, n3 aufweist. Auf der Zone n3 ist eine die Kathode des Hauptthyristors bildende erste Ringelektrode 2 angeordnet. Eine zur ersten Elektrode in einem Abstand koaxial angeordnete zweite Ringelektrode 3 ist teils auf der Zone p1 und teils auf der Zone n1 angeordnet, die sie somit kurzschliesst.
  • Eine auf der gleichen Seite angeordnete zentrale Elektrode 4 bildet den Auslöser des zweiten Thyristors Th2. Der erste Thyristor wird also aus den iiffusionszonen p2, n21 P1, n3 und der zweite Thyristor aus den Diffusionszonen p2, n2, Pl, n1 gebildet.
  • Eine solche Vorrichtung sieht von aussen ivie ein normaler Thyristor aus.
  • Unter bestimmten Umständen kann die Löschung von Th2 die Löschung von Th1 stören, und zwar auf Grund des Unterschiedes ihrer Merkmale. Dieser Mangel lässt sich beheben durch Einschalten einer in den Schaltbildern nach Figo 3 und 4 mit D1 bezeichneten Diode in den Stromkreis des zweiten Thyristors Th2. Solche Dioden lassen einen ausreichenden Spannungs abfall und eine Gegenspannung entstehen die der Vorrichtung jegliche Betriebssicherheit verleihen Sofern der Hauptthyristor Th1 ein Thyristor mit Stromverstärkung bei öffnung istt lässt sich eeine Löschung mit Hilfe eines Impulses inverser Spannung an seinem Auslöser steuern.
  • Dazu wird eine Diode D2 wie in den Figuren 5 und 6 veranschaulicht angeordnet, was es ermöglicht, bei G ein positives Signal zum Schliessen des Thyristors Th2 und folglich zum Schliessen des Thyristors Th1 anzulegen, aber ausserdem an den Auslöser des Hauptthyristors Th1 ein aus der Abzweigung D2 stammendes negatives Signal zu seinem Öffnen anzulegen. Bei der Variante nach Fig. 6 hat die Diode D1 den gleichen Zweck wie bei den Schaltungen nach Fig. 3 und 4.
  • Das Schaltbild nach Fig. 7 veranschaulicht die Anwendung einer Vorrichtung nach der Erfindung auf die in ihrer Bei stung veränderbare Stromversorgung für einen Verbrauchter.
  • Gemäss dieaem Schaltbild ist ein Impulsgenerator I mit Schalttransistor TUJ, wie er beispielsweise unter der Handelsbezeichnung "2 N 26-46" auf den Markt gebracht wird, einerseits an eine positive Spannungsquelle V1 und andererseits an einen der Pole V2 einer Wechselstromversorgung. quelle angeschlossen. Dieser Impulsgenerator I führt den Auslöser des Thyristors Th2 einer Vorrichtung nach der Erfindung Steuerimpulse zu. Die Kathode des Thyristors h1 ist an einen Pol der Stromquelle v2 angeschlossen, während die Anoden der Thyristoren Th1 und Th2 an eine der Anschlussklemmen eines Verbrauchers U angeschlossen sind, der ausserdem an die andere Anschlussklemme V2 der Wechselstromquelle angeschlossen ist.
  • Duroh Einwirken auf den regelbaren Widerstand R des Generators I regelt man die dem Verbraucher U gelieferte Spannung.
  • Der dem Verbraucher U gelieferte Strom hat die bei Z veranschaulichte Form0 Zum Erzielen eines Hochleistungsthyristors mit äusserst raschem Stromanstieg unmittelbar nach der Züudung nimmt man gemäss einer Variante der vorstehend beschriebenen Vorrichtung eine geschickte Ausgestaltung mit Windungen zu Hilfe, die den Kontakt zwischen dem Auslöser des Thyristors Th2 und der Kathode C des Hauptthyristors weitmöglichst verLängern.
  • So kann man Ausgestaltungen in Zickzack-, in Spiralform oder in der in Fig. 8 bzw. 3 9 und 10 durch eine die Kathode C des Hauptthyristors bildende, aus mittels eines radialen Steges 4 elektrisch angeschlossenen, zueinander koiizentrischen Kreisen 1 und 2 und einem Kreissegment 3 bestehende Metallauflage dargesteLLten Form zu HilSe nehmen Eine aus zwei Kreissegmenten 5 und 6 sowie einem radialen Steg 7 bestehende weitere Metallauflage erhöht die Oberflachenleitfähigkeit der Vorrichtung. Der Steuerstrom der Vorrichtung wird dem axialen Auslöser g des Steuerthyristors Th2 zugeführt@ wobei der Hauptstrom den Thyristor Th1 von der Kathode C zur Anode Q durchfliesst (Figo 9)0 Um die t}berlagerungszeiten im umgekehrter Richtung zu verringern, kann man zweckmässigerweise gemäss der französischen Patentschrift 1 513 238 Emitterkurzschlüsse und eine die Lebensdauer in der Zone N2 verringernde Verunreinigungsdiffusion einrichten.
  • Die vorstehend beschriebenen Vorrichtungen mit hoher di -Möglichkeit sind besonders geeignet zur Verwendung für bei Frequenzen über 20 kHz arbeitende, in Fig, 11 bei ihrer Anwendung auf einen Generator für "Sonart' schematisch dargestellte Hochleistungsumformer. Sie lassen sich auch vorteilhaft verwenden zum Umformen von Gleichstrom in Wechselstrom, und zwar insbesondere bei Bordwechselrichtern für Marine und Luftfahrt gemäss fig 12.
  • Die Erfindung ist selbstverständlich nich-t auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt. Man kann daran zahlreiche, dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen vornehmen, ohne dass man dadurch den Bereich der Erfindung verlässt.

Claims (13)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e : Elektronische Vorrichtung zur Steuerung des Stromdurchgangs zwischen zwei Leitern mit Hilfe von Halbleitern, gekennzeichnet durch mindestens einen ersten Hauptthyristor (Th1), dessen Anodenemitter an den ersten der Leiter (+V) und dessen Kathode an den zweiten der Leiter (-V) angesohlossen ist, und durch einen zweiten Steuerthyristor (Th2), dessen Anode ebenfalls an den ersten Leiter (+V) und dessen Kathode an den Auslöser des ersten Thyristors (Th1) angeschlossen ist, wobei der Auslöser des zweiten Thyristors beliebig an eine das positive Schliesssteuersignal für den zweiten Thyristor liefernde Spannungequelle (+G) angeschlossen istc
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Thyristor (Th1) eine kurze Löschzeit und der zweite Thyristor eine lange Löschzeit haben.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 ndcr 2, dadurch gekennzeich»-net, dass der erste Thyristor (!h1) einen erheblichen Einschaltstrom und der zweite Thyristor (Th2) einen geringen Einschaltstrom haben.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anode des zweiten Thyristors (Th2) und dem ersten Leiter (+V) mindestens eine Diode (D1) eingeschaltet ist (Pig. 3).
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kathode des zweiten Thyristors (Th2) und dem Auslöser des ersten Thyristors (Th1) mindestens eine Diode (D1) eingeschaltet ist (Fig. 4).
  6. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5s dadurch gekennzeichnet, dass der erste Thyristor (Th1)- ein Thyristor mit durch seinen Auslöser gesteuerter Löschung ist, wobei der Auslöser über mindestens eine Diode (D2) an den Auslöser des zweiten Thyristors angeschlossen ist, der seinerseits nach Bedarf beliebig an eine aae positive Schliesssignal für den ersten Thyristor liefernde erste Spannungequelle und an eine das negative Öffnungssignal für den ersten Thyristor liefernde zweite Spannungsquelle angeschlossen ist.
  7. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Thyristoren in einen Halbleiter-Einkristall eingebaut sind.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine kuslöseelektrode (4) des zweiten Thyristors (Th2) in der Mitte einer Seite eines Halbleiterkristalis (n2), eine Kathodenelektrode (2) den ersten Thyristors (Th1) auf der gleichen Seite des Kristalls ale Randeinfassung, ein den Auslöser des ersten Thyristors (Th1) und die Kathode (n1) des zweiten Thyristors (Th2) kurzschliessender leitfähiger ringförmiger Streifen (5) auf der gleichen Seite des Kristalls zwischen den Elektroden (4, 2) und ohne unmittelbaren Kontakt mit ihnen und eine für den ersten und zweiten Thyristor (Th1,Th2) gemeinsame Anodenelektrode (1) auf der anderen Seite des Kristalls angeordnet ist.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekemizeichnet, dass die Vorrichtung abwechselnd p- und n-leitende Zonen aufweist, die a7uf einer Seite eines Einkristalls, dessen Masse n-leitend ist und dessen andere Seite pleitend ist, eine p-leitende durchgehende Zone bedecken.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Kathodenelektrode des eraten Thyristors bedeckte Zone des Kristalls durch eine n-leitende Oberflächendiffusionszone mündende p-leitende Diffusionslöcher aufweist.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9 mit unmittelbar nach der Zündung äusserst rascher Stromzunahme, dadurch gekennzeichnet, dass der Emitter des Hauptthyristors Windungen aufweist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallauflage an der Oberfläche des Kristalls zwischen den Windungen des Emitters des Hauptthyristors zur Verbesserung der Oberflächenleitfähigkeit vorgesehen ist.
  13. 13.
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