DE1943193B2 - Steuerbare halbleiteranordnung - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine steuerbare Halbleiteranordnung mit einem aus wenigstens drei Halbleiterschichten bestehenden Haupthalbleiterbauelement, welches eine erste Hauptelektrode an der einen, die Emitterschicht darstellenden Außen- «chicht, eine zweite Hauptelektrode an der anderen der beiden Außenschichten und eine Steuerelektrode an der der Emitterschicht oenachbarten Basisschicht aufweist, und mit einem der Temperaturmessung und -regelung des Haupthalbleiterbauelements dienenden, thermisch und elektrisch mit dem Haupthalbleiterbauelement in Verbindung stehenden Hilfshalbleiterbauelement.

Halbleiterbauelemente — beispielsweise Halbleitergleichrichter — sind bekanntermaßen sehr empfindlich gegenüber thermischen Überbelastungen. Halbleitergleichrichter neigen somit schon bei geringen Überschreitungen der zulässigen Temperatur zum Durchschlag der Sperrschicht, was zu einer Zerstörung derartiger Halbleiterbauelemente führt. Da einerseits die Erwärmungszeitkonstante derartiger Halbleiterbauelemente relativ klein ist, andererseits ein progressives Wechselspiel zwischen Erhöhung des Sperrstroms und weiterer Temperaturerhöhung stattfindet, kann ein derartiges Halbleiterbauelement bereits in kürzester Zeit zerstört werden.

Da es sich aus Kostenerwägungen heraus als zweckmäßig erweist, derartige Halbleiterbauelemente möglichst maximal auszulasten, — d. h. für einen vorgegebenen Anwendungsfall möglichst klein zu dimensionieren —, erweist es sich als zweckmäßig, die Temperatur des Halbleiterbauelements während des Betriebs zu messen. Es ist somit bereits bekannt, an dem Gehäuse des Halbleiterbauelements ein Thermoelement vorzusehen, mit welchem die Temperatur des pn-Übergangs des Halbleiterbauelements in Abhängigkeit des thermischen Widerstands zwischen dem /«-Übergang und dem Meßpunkt geschätzt wird. Da es sich jedoch im allgemeinen schlecht vermeiden läßt, daß der thermische Widerstand zwischen dem/w-Übergang und dem Meßpunkt relativ hoch ist und zusätzlich der Wärmefluß durch äußere Bedingungen leicht gsstört werden kann, erweist es sich als schwierig, die Temperatur des /w-Übergangs auf diese Weise genau festzustellen und das Halbleiterelement auf diese Weise vor Zerstörung zu schützen. Es ist demzufolge bereits bekannt (siehe deutsche Patentschrift 10 73 631) an dem Halbleiterkörper des Halbleiterbauelements unter Bildung einer Sperrschicht eine zusätzliche Elektrode zur Messung und/oder Regelung der Temperatur des Halbleiterbauelements anzuordnen. Auf diese Weise kann die Temperatur des für den Schaltvorgang wichtigen /»«-Übergangs relativ genau festgestellt werden. Es erweist sich jedoch als nachteilig, daß zum Schutz des Halbleiterbauelements ein zusätzlicher Schalt- und möglicherweise ein Verstärkerkreis notwendig ist, welcher bei Überlastung eine Abschaltung des Halbleiterbauelements bewirkt.

Es ist ferner bereits vorgeschlagen worden (siehe deutsche Patentschrift 12 82 193), an einem steuerbaren Halbleitergleichrichter einen nichtlinearen Widerstand als Temperaturfühler auf der Kathode anzubringen, durch weichen der Steuerkreis des steuerbaren Halbleitergleichrichters bei einer unzulässigen Erhitzung kurzgeschlossen wird. Da der Widerstand derartiger nichtlinearer Widerstände mit zunehmender Temperatur nur stetig, — d. h. nicht sprunghaft — zunimmt, ergibt sich nur eine relativ ungenaue bzw. schlecht reproduzierbare Abschalttemperatur, so daß die steuerbaren Halbleitergleichrichter trotz einer derartigen Schutzanordnung aus Sicherheitsgründen nicht bis in ihren Grenzbereich belastet werden können.

Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine steuerbare Halbleiteranordnung zu schaffen, bei der durch direkte Beeinflussung des Steuerkreises des steuerbaren Halbleiterbauelements mit einer einfachen Schaltung, also ohne zusätzliche Schaltelemente, außerhalb der steuerbaren Halbleiteranordnung eine Belastung des steuerbaren Halbleiterbauelements bis zur maximal zulässigen Temperatur möglich ist, ohne daß die Gefahr besteht, daß eine Zerstörung des steuerbaren Halbleiterbauelements durch Überhitzung des für den Schaltvorgang wichtigen /w-Übergangs stattfinden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das Hilfshalbleiterbauelement vier Halbleiterschichten, eine an der einen Außenschicht angebrachte erste

Kontaktelektrode und eine an der anderen Außenjchicht angebrachte zweite Kontaktelektrode aufweist, daß die erste Kontaktelektrode des Hilfshalbleiterbauelements auf der von der Steuerelektrode kontaktierten Basisschicht angeordnet ist, während die zweite Kontaktelektrode, welche mit einem Steueranschluß für die zwischen diesem und der Steuerelektrode für die zwischen diesem und der Steuerelektrode zuzuführende Steuerspannung versehen ist, über ein Impedanzelement mit der auf der Emitterschicht angebrachten ersten Hauptelektrode leitend verbunden ist.

Bei einer derartigen steuerbaren Halbleiteranordnung ist die Impedanz des das steuerbare Halbleiterbauelement gegen Überhitzung schützenden weiteren Halbleiterbauelements, des Hilfshalbieiterbauelements, im angeschalteten Zustand wesentlich größer als im ausgeschalteten Zustand. Auf Grund der sich ergebenden sprunghaften Änderung der Impedanz ist somit eine schnelle und zuverlässige Beeinflussung des Steuerkreises des steuerbaren Halbleiteroauelements bei der maximal zulässigen Temperatur gewährleistet. Auf Grund der Anordnung und Schaltung des Hilfshalbieiterbauelements entfällt ferner die Notwendigkeit, zusätzlich einen Verstärkungs- und/oder Schaltkreis vorzusehen, um den durch das steuerbare Halbleiterbauelement fließenden Betriebsstrom zu unterbrechen.

Um die Abschaltung des Haupthalbleiterbauelements in gewünschter Weise einstellen zu können, erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Impedanzelement (!12) ein veränderbarer Widerstand ist.

Um die thermische Ansprechzeit des Hilishalbleiterbauelements möglichst klein zu halten, erweist es sich als zweckmäßig, wenn das Hilfshalbleiterbauelement in der Nähe der Emitterschicht angebracht ist.

Eine sehr kompakte und zuverlässig arbeitende Bauweise der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung ergibt sich dadurch, daß die Steuerelektrode ringförmig um das Hilfshalbleiterbauelement hinaus angebracht ist.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht — teilweise im Schnitt — der steuerbaren Halbleiteranordnung;

Fig. 2a eine vergrößerte Darstellung des in Fig. 1 dargestellten Hilfshalbieiterbauelements,

Fig. 2b und 2c graphische Darstellung der Stromspannungscharakteristik und der Temperaturabhängigkeit der Durchschlagspannung V_Boo des Hilfshalbieiterbauelements nach Fig. 1.

Fig. 3 einen vereinfachten Schaltkreis für die in Fig. 1 dargestellte steuerbare Halbleiteranordnung,und

Fig. 4 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise der steuerbaren Halbleiteranordnung nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine steuerbare Halbleiteranordnung 100 dargestellt, die aus einem mit wenigstens einem pn-übergang versehenen Haupthalbleiterbauelement 10 — d. h. im vorliegenden Fall einen Thyristor — und einem Hilfshalbleiterbauelement 50 besteht. Das Haupthalbleiterbauelement 10 besteht gemäß Fig. 1 aus einem kreisförmigen Substrat 11 eines geeigneten Halbleitermaterials einer bestimmten Leitungsart — beispielsweise einem n-Typ-Silizium — mit einem hohen spezifischen Widerstand. Auf den gegenüberliegenden Seiten des Substrats 11 sind eine p-Typ-Emitterschicht 12 und eine p-Typ-Basisschicht 13 unter Ausbildung von pn Übergängen 14 und 15 aufgebracht. Ferner ist eine n-Typ-Emitterschicht 16 in Form eines Ringes auf der Basisschicht 13 vorgesehen,, wobei dazwischen ein pn-Übergang .17 gebildet ist. Demzufolge besitzt das Haupthalbleiterbauelement 10 eine pnpn-Typ-Vierschichtstruktur.

Das Haupthalbleiterbauelement 10 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß durch eine erste Diffusion eine Akzeptor-Verunreinigung — beispielsweise Gallium — in die Hauptfläche des n-Typ-Substrats 11 eindiffundiert wird, wodurch p-Typ-Schichten 12 und 13 unter Ausbildung von pn-Ü bei gangen 14 und 15 gebildet werden. Anschließend daran wird eine Donator-Verunreinigung — beispielsweise Phosphor — in Form eines Rings in die äußere Oberfläche derp-Typ-Basisschicht 13 eindiffundiert, wodurch eine ringförmige w-Typ-Emitterschicht 16 unter Ausbildung eines dazwischenliegenden ringförmigen p«-Übergangs 17 gebildet wird.

ao Auf die äußeren Oberflächen der ringförmigen Emitterschicht 16 und den von der Emitterschicht 16 umschlossenen Teil der Basisschicht 13 wird Aluminium aufgebracht, wodurch eine in Berührung mit der Emitterschicht 16 stehende ringförmige erste Haupt-

»5 elektrode 18 und eine elektrisch isoliert und konzentrisch zu der ringförmigen ersten Hauptelektrode 18 angeordnete, in Berührung mit der Basisschicht 13 stehende Steuerelektrode 19 gebildet werden. Auf der außenliegenden Fläche der p-Typ-Emitterschicht 12 ist einer aus Aluminium bestehende zweite Hauptelektrode 20 befestigt, welche an einer Scheibe 21 festgeschweißt ist, die aus einem geeigneten elektrischen, thermisch leitfähigen Material — beispielsweise Molybdän — besteht.

Anschließend daran wird gemäß Fig. 3 ein Hilfshalbleiterbauelement 50 zentral auf der Oberfläche dei p-Typ-Basisschicht 13 aufgebracht, indem zuerst aul dem zentralen Teil der p-Typ-Basisschicht 13, welche von der ringförmigen Steuerlektrode 19 umgeben ist, eine dünne aus Aluminium bestehende Kontaktschichl 22 aufgebracht wird. Dieses Hilfshalbleiterbauelemenl 50 dient als Temperaturmeßeinrichtung von wenigstens einem pn-übergang und als Steuereinrichtung für die Steuerelektrode 19 der Halbleiteranordnung 10 in

♦5 Abhängigkeit der festgestellten Temperatur. Anschließend daran wird die Halbleiteranordnung 100 durcr Druckkontakte oder Festschweißen innerhalb eines nicht dargestellten Gehäuses angeordnet und die Haupt- und Steuerelektroden mit geeigneten, außer-

halb des Gehäuses angeordneten Anschlüssen 101, 102 und 103 verbunden. In gleicher Weise wird das Hilfshalbleiterbauelement 50 elektrisch mit einem außerhalt des Gehäuses angeordneten Hilfsanschluß 104 ver bunden.

Das oben beschriebene Haupthalbleiterbauelemen 10 ist ein Einrichtungs-Thyristor. Bei einem in Bezuj auf den Katodenanschluß 102 negativen Anodenan schluß 101 weist demzufolge das Haupthalbleiterbau element 10 an diesen beiden Klemmen eine hoh( Impedanz auf, bis die Durchschlagspannung des pn Übergangs 14 erreicht ist. Wenn hingegen der Anoden anschluß 101 in Bezug auf den Katodenanschluß 103 positiv ist, oder wenn der Steueranschluß 103 offer oder mit keiner Spannung beaufschlagt wird, dann weist das Haupthalbleiterbauelement 10 ebenfalls eine hohe Impedanz auf, bis die Spannung an den Ausschlüssen 101, 102 der Durchschlagspannung des Haupthalbleiterbauelements 10 entspricht. Wenn unter

diesen Umständen der Steueranschluß 103 mit einer positiven Spannung in Bezug zu dem Katodenanschluß 102 beaufschlagt wird, —wobei von dem Steueranschluß 103 durch die Steuerelektrode 19, der p-Typ-Basisschicht 13, des /»-«-Übergangs 17, der n-Typ-Emitterschicht 16 und die erste Hauptelektrode 18 zu dem Katodenanschluß 102 ein genügend hoher Strom fließt —, dann schaltet das Haupthalbleiterbauelement 10 entsprechend seiner Strom-Spannungscharakteristik von seinem Zustand hoher Impedanz in seinen Zustand niederer Impedanz.

Selbst wenn das Haupthalbleiterbauelement 10 in seinem Zustand hoher Impedanz gehalten wird, indem der Steueranschluß 103 abgetrennt bzw. keiner Spannung ausgesetzt ist, wird derselbe von seinem Zustand hoher Impedanz in seinen Zustand niederer Impedanz mit einer zwischen den Anschlüssen 101, 102 vorhandenen Spannung gelangen, indem die Vorwärtsspannung an diesen beiden Anschlüssen 101, 102 bis zu einer gewissen Größe erhöht wird. Diese Spannung, bei welcher das Haupthalbleiterbauelement 10 von seinem Zustand hoher Impedanz zu seinem Zustand niederer Impedanz schaltet, soll im folgenden als »Durchschlagspannung Vbo« genannt werden. Es ist dabei festgestellt worden, daß sich die Durchschlagspannung Vbo von Thyristoren 10 bei einer Temperatur von ungefähr 125'C oder niedriger sprunghaft erniedrigt. Demzufolge weisen die meisten Thyristoren eine maximal zulässige Temperatur Tj auf, die von den Temperatureigenschaften der Durchschlagspannung Vbo abhängt. In manchen Fällen ist die maximal zulässige Temperatur von der Temperaturabhängigkeit der Schalteigenschaften bestimmt.

Es sei angenommen, daß ein pn-übergang bei einem Thyristor eine maximal zulässige Temperatur von T] aufweist. Der dazugehörige Belastungsstrom sollte dabei niedrig genug gehalten werden, damit der betreffende Thyristor bei einer Temperatur betrieben wird, die nicht höher ist als die Temperatur Tj. Sollte dies nicht der Fall sein, so muß bei den bisher bekannten Betriebsverfahren die Kühlung des Thyristors erhöht werden, damit die Betriebstemperatur unterhalb der maximalen Temperatur Tj gehalten werden kann.

Fig. 2a zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform des Hilfshalbleiterelements 50, das zum Schutz von Halbleiterelementen — beispielsweise des Haupthalbleiterbauelements 10 gemäß Fig. 1 — geeignet ist. Gemäß dieser Figur besitzt dieses Hilfshalbleiterelement 50 eine Vierschichtstruktur, die aus einem Substrat 51 eines geeigneten Halbleitermaterials — beispielsweise einem n-Typ-Silizium — mit einem relativ hohen spezifischen Widerstand besteht. Auf diesem Substrat Sl ist ein p-Typ-Bereich 52 mit ebenfalls relativ hohem spezifischem Widerstand angeordnet, wobei ein pn-Übergang 53 gebildet ist. Auf der außenliegenden Fläche des p-Typ-Bereichs 52 ist unter Ausbildung eines /»«-Übergangs ein n-Typ-Bereich 54 angeordnet, wobei um diesen Bereich 54 ein unbedeckter Teil des p-Typ-Bereichs 52 freigelassen wird. Auf der außenliegenden Fläche des /i-Typ-Substrats 51 ist unter Ausbildung eines /»«-Übergangs 57 ein /»-Typ-Bereich zentral angeordnet, wodurch ebenfalls außen herum ein unbeeinflußter Teil des Substrats 52 gelassen ist. Die Bereiche 54, 56 weisen einen relativ niedrigen spezifischen Widerstand auf und ergeben Emitterbereiche, während die Bereiche 51 und 52 Basisbereiche ergeben. Eine aus Aluminium bestehende erste Kon taktelektrode 60 wird auf dem /τ-Typ-Bereich 56 und dem «-Typ-Bereich 51 aufgebracht. Auf dem H-Typ-Bereich 54 und dem /»-Typ-Bereich 52 wird eine aus Aluminium bestehende zweite Kontaktelektrode 59 aufgebracht. Die beiden Kontaktelektroden 59 und 60 werden dann elektrisch mit Anschlüssen 106, 105 verbunden.

Das oben beschriebene Hilfshalbleiterbauelement 50 kann mit sehr geringen Abmessungen hergestellt werden, indem bekannte Diffusions- und epitaxiale

ίο Wachstumsverfahren verwendet werden. DasinFig.2a dargestellte Hilfshalbleiterbauelement 50 weist die in Fig. 2b und cdargestellten elektrischen Eigenschaften auf. Gemäß F i g. 2 b stellt die Ordinatenachse den durch das Hilfshalbleiterbauelement 50 zwischen den An-

IS Schlüssen 105 und 106 fließenden Strom / und die Abszissenachse die auftretende Spannung V dar. Wenn der erste Anschluß 105 mit einer derartigen Spannung beaufschlagt wird, daß er in Bezug auf den zweiten Anschluß 106 negativ wird, dann erhält der /»«-Über-

ao gang 53 eine positive Vorspannung, so daß von dem Anschluß 106 durch die zweite Kontaktelektrode 59, den p-Typ-Bereich 52, den /»«-Übergang 53, den n-Typ-Bereich 51, die erste Kontaktelektrode 60 zu dem Anschluß 105 ein Strom fließen kann. Unter diesen

»5 Bedingungen weist das Hilfshalbleiterbauelement 50 eine Strom-Spannungscharakteristik auf, wie sie im dritten Quadranten von Fig. 2b dargestellt ist. Diese Eigenschaft erinnert an die Vorwärtseigenschaften einer Halbleiterdiode.

Wenn die an dem Hilfshalbleiterbauelement 50 anstehende Spannung invertiert wird, weist der /»«-Übergang 53 eine negative Vorspannung auf. Das Hilfshalbleiterbauelement 50 ergibt demzufolge an den Anschlüssen 105, 106 eine hohe Impedanz. Die pn-

Übergänge 55 und 57 weisen gegenüber dem pn-über gang 13 noch eine stärkere positive Vorspannung auf, weil der seitliche Spannungsabfall innerhalb der Bereiche 51 und 52 auf Grund der Zunahme der entsprechenden Leckströme ebenfalls zunimmt. Dadurch werden Minoritätsträger injiziert, indem Elektronen von dem w-Typ-Bereich 54 in den p-Typ-Bereich 52 strömen, während Löcher von dem /»-Typ-Bereich 56 in den M-Typ-Bereich 51 gelangen. Demzufolge schaltet das Hilfshalbleiterbauelement 50 zwischen seinen An-Schlüssen 105 und 106 in seinen Zustand niedriger Impedanz. Das Hilfshalbleiterbauelement 50 weist somit eine Strom-Spannungs-Charakteristik auf, wie sie im ersten Quadranten von Fig. 2b dargestellt ist. Entsprechend Fig. 2b ist die maximale Spannung innerhalb des ersten Quadranten mit der Durchschlagsspannung Vboo bezeichnet. Die Durchschlagspannung entspricht der maximalen Spannung, die notwendig ist, um das Hilfshalbleiterbauelement 50 innerhalb des ersten Quadranten von Fig. 2b in seinen Zustand hoher Impedanz zu schalten. Das Hilfshalbleiterbauelement 50 kann derart ausgebildet sein, daß sich seine Durchschlagsspannung Vboo in Abhängigkeit der Temperatur verändert, wie dies in Fig. 2c dargestellt ist.

Gemäß Fig. 2c entspricht die Abzissenachse dei Temperatur in ⁰C und die Ordinatenachse der Durchschlagspannung Vboo bei Raumtemperatur. Die Durchschlagspannung Vboo des Hilfshalbleiterbauelements 50 variiert derart, daß bei Temperaturzunähme der Leckstrom und damit einerseits der Strom verstärkungsfaktor on des npn- Γνρ-Transistorteil· — d. h. des /i-Bereichs 54, des p-Bereichs 52 und dei n-Bereichs 51 — andererseits der Stromverstärkungs

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faktor des ap des pnp-Typ-Transistorteils — d. h. des über den Basisbereich 13, den pn-Übergang 17 und die

/7-Bereichs 56, des «-Bereichs 51 und des p-Bereichs Emitterschicht 16 zu dem Hilfskatodenanschluß 113

52 — lawinenartig ansteigen, bis das Hilfshalbleiter- ein Steuerstrom fließt. Auf diese Weise wird das

bauelement 50 von seinem Zustand hoher Impedanz Haupthalbleiterbauelement 10 in bekannter Weise

in seinen Zustand niederer Impedanz umschaltet. 5 gezündet. Wenn jedcoh die Temperatur des /w-Über-

Entsprechend obigen Ausführungen ergibt sich ein gangs sehr nahe der maximal zulässigen Temperatur Hilfshalbleiterbauelement 50, das bei der maximal Tj ist, — was durch Zunahme des Belastungsstroms zulässigen Übergangstemperatur Tj des Haupthalb- oder irgendwelchen anderen Gründen hervorgerufen leiterbauelements 10 eine Durchschlagspannung V_Boo sein kann — dann nimmt die Durchschlagspannung von 0 bzw. vernachlässigbar kleinen Werten ergibt, 10 V boo des Hilfshalbleiterbauelelments 50 ab, so daß was durch die Temperaturabhängigkeit der Stromver- dasselbe eine niedrige Impedanz gegenüber der Spanstärkungsfaktoren a.v, ap und des Leckstroms erreicht nung des Steuersignals aufweist. Demzufolge fließt werden kann. Zur Beeinflussung der Temperatur- der Steuerstrom von dem Steueranschluß 103 über die abhängigkeit können die Halbleiterbereiche des Hilfs- danebenliegende Basisschicht 13, das Hilfshalbleiterhalbleiterbauelements 50 bezüglich ihrer Störstellen- 15 bauelement 50 und den Hilfskatodenanschluß 113 zu konzentration ihres spezifischen Widerstands oder dem Hilfsanschluß 104, wodurch der pn-übergang 17 ihres äußeren Aufbaus in geeigneter Weise eingestellt des Haupthalbleiterbauelements 10 am Zünden gehinwerden. Das Hilfshalbleiterbauelement 50 muß bei dert. Dadurch nimmt der Belastungsstrom ab und die einer niedrigeren Temperatur als der maximal zuläs- Temperatur des pn-Übergangs des Hilfshalbleiterbausigen Temperatur des Haupthalbleiterbauelements 10 ao elements 10 verringert sich. In Folge dieser Entwickln den durchgeschalteten Zustand gebracht werden. lung erreicht dann das Hilfshalbleiterbauelement 50

Das Hilfshalbleiterbauelement 50 ist mit dem Haupt- erneut seine ursprüngliche Durchschlagspannung

halbleiterbauelement 10 verbunden, indem seine erste Vboo-, so dalJ eine positive Spannung des Steuersignals

Kontaktelektrode 50 gemäß Fig. 2a an dem äußeren erneut durch den p/i-Übergang 17 fließt, so daß das

mittleren Teilbereich der p-Typ-Basisschicht 13 des »5 Haupthalbleiterbauelement 10 erneut gezündet wird.

Haupthalbleiterbauelements 10 befestigt wird, wobei Auf diese Weise spricht das Hilfshalbleiterbauele-

der Anschluß 105 und die entsprechende Leitung ent- ment 50 auf die Temperatur des /w-Übergangs 17 des

fernt wird. Der Anschluß 106 wird gemäß Fig. 2a in Haupthalbleiterbauelements 10 an, wobei es einen

geeigneter Weise außen an dem nicht dargestellten Schaltvorgang durchführt, durch welchen die mittlere

bereits erwähnten Gehäuse befestigt, wodurch sich der 30 Größe des Belastungsstroms im wesentlichen konstant

in Fig. 1 dargestellte Hilfsanschluß 104 ergibt. gehalten ist. Demzufolge ist es möglich, nicht nur

Die Funktionsweise des Ausführungsbeispiels nach einen thermischen Durchbruch zu verhindern, sondern Fig. 1 und 2 soll nun in Verbindung mit Fig. 3 be- auch das Hilfshalbleiterbauelement 10 als Quelle konschrieben werden, in welcher ein vereinfachter elek- stanten Stroms zu verwenden.

trischer Stromkreis für die in Fig. 1 dargestellte Halb- 35 Bei einer negativen Polarität der Spannung des leiteranordnung 100 dargestellt ist. Gemäß dieser Steuersignals erhält der pw-Übergang 17 des Haupt-Figur ist eine Stromquelle 110 und eine Belastung 111 halbleiterelements 10 eine negative Vorspannung, in Serie an den Anoden und Katodenanschlüssen 101 während das Hilfshalbleiterbauelement 50 eine Strombzw. 102 des Haupthalbleiterbauelements 10 unter Spannungscharakteristik aufweist, wie sie in Fig. 2b Ausbildung eines Hauptkreises angeschlossen. Die 40 im dritten Quadranten dargestellt ist. Dies ermöglicht, erste Hauptelektrode 18 ist über ein Impedanzelemenl daß der negative Steuerstrom zuerst durch das Hilfs-

— vorzugsweise einen veränderlichen Widerstand 112 halbleiterelement 50 und dann durch die daneben-

— mit einem Hilfskatodenanschluß 113 und dem Hilfs- liegenden Teile der Basisschicht 13 und des Steueranschluß 104 des Hilfshalbleiterbauelements 50 ver- anschlusseü 103 fließt. Demzufolge überbrückt der bunden. 45 Steuerstrom den pn-übergang 17 des Haupthalbleiter-

Ein durch die Wellenform gemäß Fig. 3 ausgebil- elements 10, sodaß dieselbe daran gehindert werden detes Steuersignal wird an dem Steuer- und Hilfs- kann, durch eine entgegengesetzte dielektrische Feldkatodenanschluß 103 und 113 angelegt, wodurch der stärke sich zu verstärken.

durch die Belastung 111 fließende Strom gesteuert Es sei hier bemerkt, daß in Fig. 4 die Temperaturwird, indem der Phasenwinkel des Steuersignals in 5° abhängigkeit der Durchschlagspannung Vbo des Bezug auf den Phasenwinkel des von der Stromquelle Haupthalbleiterbauelements 10 und die der Durch-110 gezogenen Stroms beeinflußt wird. Aus demselben schlagspannung Vboo des Hilfshalbleiterbauelements Grund kann ein Steuersignal an den Steuer- und 50 dargestellt ist. In Fig. 4 bedeutet die Ordinatenachse Katodenanschlüssen 103 und 102 angelegt werden. den Prozentsatz der Durchschlagspannung Vbo bzw. Wenn das Impedanzelement 112 ein veränderlicher 55 der Durchschlagspannung V_Boo bei einem vorgege-Widerstand ist, dann kann die Temperatur, bei welcher benen Temperaturwert in Bezug auf die Raumtempedas Hilfshalbleiterbauelement 50 anspricht, gering- ratur und die Abszissenachse die entsprechende Tem· fügig verändert werden. Es ist somit eine Feineinstel- peratur. Die Kurve 10a entspricht der Temperatur· lung möglich, um die Eigenschaften der Halbleiter- abhängigkeit der Vorwärtsblockierspannung Vbo füi elemente im Rahmen des Herstellungsvorgangs im ^6o das Haupihalbleiterbauelement 10, während die Kurve wesentlichen gleichmäßig einstellen zu können. 50a die Durchschlagspannung Vboo des Hilfshalb-

Solange die Temperatur eines bestimmten pn-Über- leiterbauelements 50 angibt. Wie dies in Fig. 4 dar

gangs des Haupthalbleiterbauelements 10 während gestellt ist, ist die Vorwärtsblockierspannung Vbo dei

des Betriebs auf einer Temperatur gehalten ist, die Haupthalbleiterbauelements 10 im wesentlichen bi:

einige ⁰C niedriger als die maximal zulässige Tempe- ⁶5 zu einer bestimmten Temperatur — beispielsweisi

ratur T) ist, weist das Hilfshalbleiterbauelement 50 eine 125°C — unverändert, was der maximal zulässige!

hohe Impedanz gegenüber der Spannung des Steuer- Temperatur T_f des/wi-Übergangs entspricht, und nimm

signals auf, wodurch von dem Steueranschluß 103 dann abrupt oberhalb dieser Temperatur ab. Auf de

anderen Seite ist die Durchschlagspannung Vnoo des Hilfshalbleiterbauelements 50 im wesentlichen unverändert bis zu einer geringfügig oberhalb der Raumtemperatur liegenden Temperatur, worauf sie anschließend graduell abnimmt. Bei Annäherung an die maximal zulässige Temperatur Tj nimmt dann die Durchschlagspannung Vuoo abrupt auf Null ab.

Die vorliegende Erfindung wurde an Hand einer steuerbaren Halbleiteranordnung beschrieben, die einen Einrichtungs-Thyristor aufweist, der durch ein Hilfshalbleiterbauelement derart gesteuert ist, daß Überbelastungen des Haupthalbleiterbauelements automatisch vermieden werden, so daß derselbe weder durch thermischen Durchbruch noch durch das An-

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legen negativer Spannungen an die Steuerelektrode beschädigt werden kann. Das Haupthalbleiterbauelement kann dabei ebenfalls als Quelle · konstanten Stroms verwendet sein.

Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß auch andere Haupthalbleiterbauelemente — beispielsweise Zweirichtungs-Thyristoren, Zweirichtungs-Halbleiterschalter, Transistoren — verwendet werden können. Es sei ferner bemerkt, daß das Hilfshalbieiterbauele- >o ment, abgesehen von einem oben beschriebenen pnpn-Typ-Vierschichthalbleiterelement, ebenfalls ein Zweirichtungshalbleiterschalter — beispielsweise ein Fünfschichthalbleiterbauelement, ein Thyristor, ein Transistor — sein kann.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

1. Patentansprüche:

   i. Steuerbare Halbleiteranordnung mit einem aus wenigstens drei Halbleiterschichten bestehenden Haupthalbleiterbauelement, welches eine erste Hauptelektrode an der einen, die Emitterschicht darstellenden Außenschicht, eine zweite Hauptelektrode an der anderen der beiden Außenschichten und eine Steuerelektrode an der der Emitterschicht benachbarten Basisschicht aufweist, und mit einem der Temperaturmessung und -regelung des Haupthalbleiterbauelements dienenden, thermisch und elektrisich mit dem Haupthalbleiterbauelement in Verbindung stehenden Hilfshalbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß das HilfshaJbleiterbauelement (50) vier Halbleiterschichlen (56, 51, 52, 54), eine an der einen Außenschicht (56) angebrachten ersten Kontaktelektrode (60) und eine an der anderen Außenschicht (54) ange- »0 brachten zweiten Kontaktelektrode (59) aufweist, daß die erste Kontaktelektrode (60) des Hilfshalbleiterbauelements (50) auf der von der Steuerelektrode (19) kontaktierten Basisschicht (13) angeordnet ist, während die zweite Kontaktelektrode (59), weiche mit einem Steueranschluß (113) für die zwischen diesem und der Steuerelektrode (19) zuzuführende Steuerspannung versehen ist, über ein Impendanzelement (112) mit der auf der Emitterschicht (16) angebrachten ersten Hauptelektrode 3<> (18) leitend verbunden ist.
2. 2. Steuerbare Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Impedanzelement (112) ein veränderbarer Widerstand ist.
3. 3. Steuerbare, Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch pekennzeichnet, daß das Hilfshalbleiterbauelement (50) in der Nähe der Emitterschicht (16) angebracht ist.
4. 4. Steuerbare Halbleiteranordnung nach An- 4» spruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (19) ringförmig um das Hilfshalbleiterbauelement (50) hinaus angebracht ist.