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Halbleiterbauelement mit drei Zonen abwechselnden Leitfc3higkeitstyes
und Anordnung 7u seiner Ansteuerung Die vorliegende erfindung bezieht sich auf ein
Halbleiterbauelement mit drei Zonen abwechselnden Leitfähigkeitsts, bei dem in einem
Teil der Oberfläche der ersten Zone eine vierte Zone mit zu dieser entgegengesetzten
Leitfähigkeítstyp vorgesehen ist und das Elektroden an der ersten und dritten Zone
aufweist.
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Ein solches Halbleiterbauelement ist bereits beschrieben worden. Danach
ist es bekannt, z.B. am Rand der Kollektor-Zone eines Halbleiterkörpers eines Transistors
eine ringförmige Zone entgegengesetzten ieitfähigkeitstyps vorzusehen. In der Basiszone
auf der anderen Seite des Halbleiterkörpers gegenüber der ringförmigen Zone ist
eine weitere ringförmige Zone angebracht, deren Leitfähigkeitstyp derjenigen der
Emitter-Zone des Transistors entspricht. Die ringförmigen Zonen bilden mit der Kollektor-Zone
und der Basis-one des Transistors eine Vierschichtanordnung, die die Aufgabe hat,
bei einer Spannung durchzuzünden, die niedriger als die höchste Sperrspannung des
Transistors liegt.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement
gemäß der eingangs erwähnten Gattung anzugeben, das gegenüber einem Thyristor Vorteile
bietet.
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Ein Thyristor ist bekanntlich ein nichtstetig steuerbares Halbleiterbauelement,
bei dem der Laststrom durch vier Zonen abwePhselnden Leitfähigkeitstyps und drei
zwischen diesen Zonen liegende pn-Übergänge fließt. In Durchlaßrichtung fällt daher
mindestens die Schwellspannung eines pn-Überganges am Thyristor ab. Diese beträgt
bei Silicium etwa 0,7 und bei Germanium etwa 0,2 V. Hinzu kommt noch der Bahnwiderstand
im Thyristor.
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Von Thyristoren ist bekannt, daß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung
etwa 1,2 bis 1,5 V beträgt.
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Die Erfindung geht nun von dem Gedanken aus, diese Durchlaßspannung
dadurch herabzusetzen, daß der Laststrom nur über zwei gegeneinander geschaltete
pn-Übergänge geführt wird. Dadurch kompensieren sich die Schwellspannungen der pn-Übergänge
annähernd, so daß als Spannungsabfall im wesentlichen nur noch die Bahnwiderstände
in Betracht kommen.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine einfache Schaltungsanordnung
anzugeben,mit der dem Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung bistabiles Verlöten
gegeben werden kann.
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Die Erfindung besteht darin, daß auch die vierte Zone mit einer Elektrode
versehen ist, und daß zwischen den Elektroden der ersten und der viertess Zone ein
Bereich d r erste Zone liegt. Vorsugsweisz kann in uer dritten Zone eine fünfte
Zone mit zu dieser entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp vorgesehen sein, wobei die
fünfte Zone mit einer Elektrode versehen ist und zwischen den Elektroden der dritten
und fünften Zone ein Bereich der dritten Zone liegt. Die vierte und/oder fünfte
Zone kann dabei zentral zur ersten Zone angeordnet sein.
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Die vierte und/oder die fünfte Zone kann jedoch auch ringförmig um
die erste Zon herum angeordnet sein.
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Eine einfache Anordnung zum Ansteuern eines Halbleiterbauelementes
gemäß der Erfindung kann darin bestehen, daß die Elektroden der ersten und dritten
Zone über eine Last mit einer Spannungequelle verbunden sind, daß die vierte und
dritte und/oder die fünfte und erste Zone mit einer Steuerspannungsquelle verbunden
ist, die eine Spannung solcher Höhe und Polarität liefert, daß die aus den Zonen
4, 1, 2, 3 bzw. den Zonen 5, 3, 2, 1 bestehende Vierschichtanordnungen zündet.
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Vorteilhafterweise wird dazu die Elektrode der vierten und/oder fünften
Zone über einen Widerstand und die Last mit der ersten bzw. zweiten Klemme der Spannungsquelle
verbunden, wobei die Elektrode der vierten und/ oder fünften Zone mit einer Klemme
einer weiteren Spannunngsquelle verbunden ist, die einen zum Zünden der Diode ausreichenden
Spannungsimpuls liefert und wobei der Widerstand so bemessen ist, daß der Spannungsabfall
die Dioden leitend hält. Der Widerstand kann vorteilhafterweise auch durch eine
Drossel oder durch einen Transformator ersetzt werden. Im letzteren Fall liegt dann
die Primärwicklung des Transformators im Laststromkreis und die Sekundärwicklung
oder die Sekundärwicklungen sind mit der Elektrode der vierten bzw. fünften Zone
verbunden.
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Der Transformator ist herbei so bemessen, daß die an seiner Sekundärwicklung
abfallende Spannung die Diode leitend hält. Die weitere Spannungsquelle kann gemäß
einer vorteilhaften Weiterbildung fortfallen, wenn der Transformator so bemessen
wird, daß schon die an der Sekundärwicklung bzw. den Skundärwicklungen abfallende
Spannung die Diode sowohl zündet als auch leitend hält.
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Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele
in
Verbindung mit den Figuren 1 bis 12 naher erläutert.
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Es zeigen: Die Figuren 1 bis 4 Querschnitte durch einen Halbleiterkörper
für ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung und die Figuren 5 bis 12 Anordnungen
zur Ansteuerung eines solchen Halbleiterbauelementes.
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In Figur 1 ist ein Halbleiterkörner gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung gezeiz,t. er halbleiterkörper weist drei Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps
1, 2 und 3 auf. Dabei ist die Zonenfolge beispielweise npn+. In der ersten Zone
1 ist eine vierte Zone 4 vorgesehen, die p+ -dotiert ist. Die Zone 1 weist eine
Elektrode 8, die Zone 3 eine Elektrode 6 lind die Zone 4 eine Elektrode 7 auf. Die
verschiedenen Zonen sind durch pn-8bergänge 9, 10 und 11 getrennt.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise sei angenommen, daß an der Elektrode
8 positives und an der Elektrode 6 negatives Potential liege. Damit ist der pn-Übergang
10 in Sperrichtung und der pn-Übergang 11 in Durchlaßrichtung vorgespannt. Das Halbleiterbauelement
sperrt also. Wird an die Elektrode 7 positives Potential gelegt, wird der pn-2bergang
9 in Durchlaßrichtung vorgespannt und in die Zone 1 werden positive Ladungsträger
injiziert. Die positiven Ladungsträger diffundieren zum pn-Übergang 10, driften
über diesen und erhöhen das Potential der Zone 2.
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Dadurch werden aus der Zone 3 negative Ladungsträger in die Zone 2
injiziert, die ebenfalls zum pn-0bergang 10 diffundieren und dann über die Zone
1 abfließen. Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis der Dn-Übergang 1(4 ebenfalls
in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Damit
schaltet die aus den
Zonen 4, 1, 2, 3 bestehende Anordnung durch und die Mittel zone 2 ist nunmehr von
Ladungsträgern beiderlei Polarität überschwemmt. Das Halbleiterbauelement ist damit
leitend. Es kann damit ein Laststrom von der Elektrode 8 über die Zonen 1, 2 und
3 zur Elektrode 6 fließen.
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Um einen möglichst hohen Stromverstärkungsfaktor des Halbleiterbauelementes
zu erreichen, ist der Abstand des pn-Überganges 9 vom pn-Übergang 10 sehr viel kleiner
als eine Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Zone 1. Der Abstand
zwischen pn-Übergang 1t! und 11, d.h. die Dicke der Mittelzone 2 kann bei großen
Sperrapannungen in der Größenordnung der Diffusionslänge liegen, da der größte Teil
der Sperrspannung an dieser Zone abfällt. Hält man diese Bedingungen ein und dotiert
man die Zone 1 z.B. mit iO17cm 3, die Zone 2 z.B. mit 2 x 1015cm die Zone 3 z.B.
mit 1021cm3 und die Zone 4 mit 1020cm-3, so erhält man einen Spannungsabfall am
Halbleiterbauelement von etwa 0,2 V bei einer Sperrspannung von etwa 100 V.
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In Figur 2 ist eine Weiterbildung des Halbleiterbauelementes nach
Figur 1 gezeigt. Gleiche Teile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen wie in Figur
1 versehen. Die Anordnung nach Figur 2 unterscheidet sich hauptsächlich durchdie
Ausgestaltung der Zone 4 von der Anordnung nach Figur 1. Die Zone 4 und die Elektrode
7 ist in Figur 2 ringförmig ausgebildet. Dadurch wird eine gute Ausnutzung des Querschnittes
des Halbleiterbauelementen erzielt. Die Zone 4 und.
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die Elektrode 7 kann jedoch auch zentral zur Elektrode 8 liegen, wie
in Figur 3 gezeigt ist. Auch bei den Ausftihrungsbeispielen nach Figur 2 und 3 gilt
bezüglich der Abstände der pn-8bergenge das gleiche wie für Figur 1.
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Im Äusführungsbeispie nach Figur 2 ist außerdem unter der Elektrode
8 eine Zone 12 vorgesehen, die z.B. stark n-dotiert ist, wenn die Zone 1 n-dotiert
ist. Das hewirkt, daß die aus der Zone 4 in die Zone 1 injizierten positiven Ladungsträger
bevorzugt in Richtung auf den pn-Übergang 10 zu diffundieren, da in Richtung auf
die stark n-dotierte Zone 12 die zu überwindende Diffusionsspannung größer ist.
Außerdem wird der Bahnwiderstand fUr die aus der Elektrode 8 austretenden Ladungsträger
verringert. Zwischen der Zone 4 und der Elektrode 8 liegt auch hier ein Bereich
der Zone 1, der sicherstellt, daß die Steurung de Halbleiterbauelementes nur mittels
der Steuerelektrode 7 erfolgt.
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In Figur 4 ist eine weitere AusfUhrungsform der Erfindung dargestellt.
Diese unterscheidet sich von der AusfUhrungsform nach Figur 3 im wesentlichen dadurch,
daß in der Zone 3 eine Zone 5 Dit zu dieser entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp
vorgesehen ist. Ist die Leitfähigkeitsfolge der Zonen 1 bis 3 npn, dann ist die
Zone 5 p-dotiert. Die Zone 5 weist eine Elektrode 13 auf. Der pn-Übergang zwischen
der Zone 5 und der Zone 3 ist nit 14 bezeichnet.
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Liegt an der Elektrode 8 positives Potential und an der Elektrode
6 negatives Potential, so wird das Halbleiterbauelement durch ein an die Elektrode
7 gelegte positives Potential leitend gesteuert, wie im Zusain.nhang mit Figur 1
beschrieben. Liegt dagegen an der Elektrode 6 positives und an der Elektrode 8 negatives
Potential, so ist der pn-Übergang 11 in Sperrichtung vorgespannt. Um du Halbleiterbauelement
in dieser Richtung durchsteuern zu können, wird an die Elektrode 13 positives Potential
gelegt. Die Zone 5 injiziert dann in die Zone 3 positive Ladungstr4er, die zum pn-Übergang
11 diffundieren.
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Aus der Zone 1 diffundieren negative Ladungsträger ebenfalls in Richtung
des pn-U'berganges 11.
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Dieser Vorgang setzt sich solange fort, bis der pn-Übergang 11 in
Durchlaßrichtung vorgespannt ist.
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Damit wird die aus den Zonen 5, 3, 2, 1 bestehende Vierschichtanordnung
leitend und die Mittelzone 2 ist vollständig mit Ladungsträgern überschwemmt. Die
Durch laß- und Sperrspannung beträgt auch in diesen Fall, legt man die oben angegebenen
Werte für die Abstände der pn-Übergänge und die Dotierung zugrunde, etwa 0,2 V.
Die Anordnung nach Figur 4 kann, wie in Verbindung mit Figur 2 erläutert, ebenso
eine hochdotierte Zone unter der Elektrode 8 und/oder der Elektrode 6 aufweisen.
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Die Elektroden 7 und/oder 13 können dabei auch ringförmig ausgebildet
sein und die Elektroden 8 bzw. 6 umgeben.
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Bin solches bilaterales Bauelement hat z.B. gegenüber einem bilateralen
Thyristor (Triac) den Vorteil, daß der größte Teil der Fläche des Halbleiterkörpers
ausgenutzt wird. Bei einem Triac wird dagegen für jede Richtung des Stroms nur die
Hälfte der Fläche ausgenützt.
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Statt der beschriebenen ringförmigen Struktur können auch fingerförmige
Strukturen'der Zonen 4 und/oder 13 vorgesehen sein.
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In Figur 5 ist schematisch eine Anordnung zum Ansteuern eines Halbleiterbauelementes
gemäß der Erfindung gezeigt.
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Das Halbleiterbauelement hat hierbei einen Aufbau wie in Figur 4 gezeigt.
Die Zonen, die hier vereinfacht dargestellt sind, haben die gleichen Bezeichnungen
wie in Figur 4. Die Zone 1 ist über einen Lastwiderstand 20 mit einer Klemme einer
Spannungsquelle 21 verbunden, während die Zone 3 direkt mit der anderen Klemme der
Spannungsquelle
21 verbunden ist. Die Zone 4 ist über einen Widerstand 22 mit derJenigen Klemme
der Spannungsquelle 21 verbunden, an der eine Klemme des Lastwiderstandes 20 liegt.
Die Wirkungsweise der Schaltngsanordnung wird zunächst anhand des Anstenervorganges
erläutert, der sich in den Zonen 4, 1, 2 und 3 abspielt.
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Der Widerstand 22 ist derart bemessen, daß bei an der Reihenschaltung
aus Lastwiderstand 20, Zone 1, 2 und 3 liegenden Spannung die aus den Zonen 4, 1,
2, 3 bestehende Viershichtanordnung noch nicht durchschaltet.
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Die Durchschaltung der Vierschichtanordnung erfolgt mittels eines
aus der weiteren Spannungsquelle 24 abgegebenen Impulses. Dann kann ein Laststrom
von der Spannungsquelle 21 über den Lastwiederstand 20, die Zonen 1, 2, 3 zurück
zur Spannungsquelle 21 fließen. Die am Lastwiderstand 20 abfallende Spannung und
der Strom durch den Widerstand 22 ist so aufeinander abgestimmt, daß der pn-Übergang
zwischen den Zonen 4 und 1 in Vorwärtsrichtung vorgespannt bleibt. Das Halbleiterbauelement
bleibt damit leitend.
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Der Widerstand 22 im Steuerkreis muß nicht ein separates Bauelement
sein. Er kann z.B. durch hochohmige Ausbildung der Elektrode verwirklicht werden.
Wegen des Leistungsverlustes im Widerstand 22, arbeitet die Anordnung nach Figur
5 nur dann wirtschaftlich, wenn der Steuerstrom klein gegenüber dem Laststrom ist.
Als Grenze der Wirtschaftlichkeit dürfte dabei ein Steuerstrom sein, der etwa gleich
1/100 des Laststromes ist. Für größere Leistungen verwendet man zweckmäßigerweise
Blindwiderstände im Steuerkreis.
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In Figur 6 ist eine solche Anordnung gezeigt, bei der der Widerstand
22 durch eine Drossel 26 ersetzt ist.
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Die übrigen Teile gleichen denen in Figur 5 und sind auch mit gleichen
Bezugszeichen bezeichnet. Die Drossel 26 ist so bemessen, daß sie bei der Betriebsfrequenz
des Wechselstromes eine Spannung liefert, die den pn-Übergang zwischen den Zonen
4 und 1 in Durchlaßrichtung vorspannt, solange ein Laststrom durch die Zonen 1,
2 und 3 fließt.
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Eine Weiterbildung erhält man dadurch, daß statt des Bauelementes
mit 4 Zonen ein solches mit 5 Zonen verwendet wird, das in Verbindung mit Figur
4 beschrieben wurde. Die fünfte Zone hat die Bezugsziffer 5 und ist mit einer Spannungsquelle
24 verbunden. Im Laststrom kreis ist eine weitere Drossel 27 vorgesehen, die den
Spannungsabfall für das Ansteuern der aus den Zdnen 1, 2, 3, 5 bestehenden Vierschichtanorndung
liefert, wenn die untere Klemme der Spannungsquelle 21 positiv gegen die obere ist.
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Eine Abwandlung der Anordnung nach Figur 6 ist in Figur 7 gezeigt.
Hierbei sind die weiteren Spannungsquellen 24 und 25 der Einfachheit halber nicht
gezeichnet. In Reihe mit dem Lastwiderstand 20 und den Zonen 1, 2 und 3 liegt hier
die Primärwicklung 28 eines Transformators. Der Transformator weist Sekundärwicklungen
29 und 30 auf, die einerseits mit den Zonen 4 bzw. 5 und anderseits mit den Zonen
1 bzw. 7 verbunden sind. Der Transformator ist bei diesem Ausführungsbeispiel so
bemessen, daß die an den Sekundärwicklungen 29, 30 abfallende Spannung ausreicht,
die aus den Zonen 4, 1, 2, 7 bzw. 5, 3, 2, 1 bestehende Anordnung im leitenden Zustand
zu halten. Zum Ansteuern genügt auch hier n Impuls, der während jeder Halbwelle
der Wechselspannung an die Zone 4 bzw. 5 abgegeben wird, je nach dem, welche gerade
positiv gegenüber der anderen
vorgespannt ist. Die Primärwicklung
28 kann auch parallel zum Lastwiderstand 20 liegen.
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sinne weitere Ausführungsform ist in Figur 8 gezeigt, jedoch mit dem
Unterschied, daß das hier verwendete Halb-Jeiterbauelement nur vier Zonen 1, 2,
3, 4 aufweist. In Reihe mit dem Lastwiderstand 20 und en Zonen 2, 3 und 4 liegt
wieder die Primärwicklung 28 eines Transformators.
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Der Transformator weis, eine xittelan,9ezaplte Sekundärwicklung 31
auf, deren Endelz uber zuei Dioden )2 bzw. 33 mit der Zone 4 beruden sind. Die Primärwicklung
28 ist mit der Zone 1 verbunden. Die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 31 ist
ebenfalls mit der Zone 1 verbunden.
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Das Halbleiterbauelement wird in der einen Richtung auf aie schon
zuvor beschriebenen Art und Weise leitend gesteuert In der anderen Richtung ist
jedoch ein höherer Steuerstrom notwendig, um den sperrenden pn-Übergang in Durchlaßrichtung
vorzuspannen. Auch hier kann die Primärwicklung parallel zum Lastwiderstand 20 liegen.
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In Figur 9 ist ein AusfUhrungsbeispie] gezeigt, das sich von den vorhergehenden
dadurch llnterseheidet, daß keine zusätzliche Steuerstannungsciuelle benötigt wird.
Gleiche Teile sind auch hier mit gleichen Beziigszeichen wie in den vorhergehenden
Figuren versehen. Die Spannungsquelle 21 ist mit einer Primärwicklung 34 eines Transformators
35 verbunden. Der Transformator weist eine Sekundärwicklung 36 auf, deren eines
Ende über den Lastwiderstand 20 mit der Zone 3 verbunden ist. Die Zone 1 ist mit
einem Abgriff der Sekundärwicklung 36 verbunden. Die Sekundärwicklung 36 weist zwei
weitere Abgriffe auf, die über die Dioden 32 und 33 und einen Schalter 37 mit der
Zone 4 verbunden sind. Bei dieser Schaltung wird nach Schließen des Schalters 37
der Zone 4 ein Strom aufgezwungen, ganz unabhängig davon, ob das Halbleiterbauelement
bereits
gezündet hat oder nicht. Der Stromfluß kann durch Oeffnen des Schalters 77 unterbrahen
werden. Damit sperrt das Halbleiterbauelement.
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In Figur 10 ist als Ausführungsbespiel ein Gleichrichter gezeigt,
der ebeiifalls zeine ne Steuersp.'-nnuiigsqul.e benotigt. Die 3Undsp=mung ft.r das
Halbleiterbzuelement wird durch die an der Drossel abfallende Spannung,verursacht
durch den Strom durch die Diode 39,geliefert.
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Wach dem Zünden des Halbleiterbauelementes reicht die an der Drossel
38 abfallende Spannung zum Aufrechterhalten des leitenden Zustandes aus. Die Diode
39 wird nach dem Leitendwerden stromlos, da ihr Spannungsabfall mit etwa 0,7 V höher
ist als die zwischen den Zonen 1,2 und 3 abfallende Spannung mit etwa 0,2 V. Der
Kondensator 40 dient der Glättung.
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In Figur 11 ist eine Anordnung dargestellt, die als Sender oder als
Ablenkeinheit für Fernsehgerate Verwendung finden kann. Der Lastwiderstand ist dort
durch die Induktivität 41 und den Parallelkondensator 42 gebildet. Die Zone 4 ist
mit einer Anzapfung der Induktivität 41 verbunden. Der Laststrom fließt hier über
den Schwingkreis 41, 42 und die Zonen 1, 2 und 3 des Halbleiterbauelementes.
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Diese Anordnung bedarf wieder eines zusätzlichen Zündimpulses, der
der Zone 4 zugeführt wird.
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Zwischen den Anschlul3 der Zone 4 und die Anzapfung der Induktivität
41 wird zweckmäßigerweise ein Widerstand 43 oder eine weitere Induktivität eingeschaltet.
Dies hat den Zweck, daß ein negativer Löschimpuls nicht über die Induktivität 41
kurzgeschlossen wird.
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In Figur 12 ist eine weitere Anordnung zum Ansteuern des Halbleiterbauelementes
gezeigt. Sie besteht aus einem
kapazitiven Spannungsteiler mit
den Kondensatoren 46, 47, die einen Lastwiderstand 45 überbrücken. Die Diode 48
ersetzt in der negativen Halbwelle der Wechselspannung die in der positiven Halbwelle
über die Schicht 4 abgeflossene Ladung. Die Ansteuerschaltung arbeitet wie ein Spitzengleichrichter.
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Die Halbleiterbauelemente gemäß der erfindung haben gegenüber Thyristoren
den Vorteil, daß sie einfach durch Unterbrechen des Steuerstromes gesperrt werden
können, während beim Thyristor entweder aufwendige Kommutierungsschaltungen notwendig
sind oder eine Sperrung erst in der Nähe des Nulldurchganges der Speisewechselspannung
möglich ist.
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11 Patentansprüche 12 Figuren