DE2146178C3

DE2146178C3 - Thyristor mit Steuerstromverstärkung

Info

Publication number: DE2146178C3
Application number: DE2146178A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Joachim Baab; Elmar Dipl.-Ing. 6508 Alzey Mueller; Juergen Pape; Klaus Dipl.-Ing. 6840 Lampertheim Weimann
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1971-09-15
Filing date: 1971-09-15
Publication date: 1979-09-27
Also published as: FR2155942A1; DE2146178A1; GB1359076A; CH538198A; FR2155942B1; DE2146178B2; US3794890A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit Steuerstromverstärkung mit in einem Halbleiterkörper aus mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps integriertem Haupt- und Hüfsthyristor mit gemeinsamer Anode, wobei die Steuerelektrode auf der Basiszone kleinflächig in einer zentralen Aussparung der Emitterzone kontaktiert ist und innerhalb dieser Aussparung um die kleinflächige Kontaktierung herum eine Ringzone angeordnet ist, welche Ringzone den gleichen Leitungstyp aufweist wie die Emitterzone und welche Ringzone teilweise, unter Bildung eines kurzgeschlossenen Hilfsemitters, von einer Metallelektrode kontaktiert ist.

Bei einem derartigen bekannten Thyristor (US-PS 76 989) mit Steuerstromverstärkung (»amplifying gate«; der Begriff ist in »The Amplifying Gate« SCR Publication 671.95; März 1969 der Fa. General Electric Comp, erläutert) ist die Kathode (Hilfsemitter) des Hilfsthyristors mit der zentralen Steuerelektrode des Hauptthyristors mittelbar verbunden. Der Vorteil dieser Maßnahme liegt weniger in der Erhöhung der Zündausbreitimgsgeschwindigkeit, als vielmehr in der Verringerung des Steuerstrom-Bedarfs.

Es ist allgemein bekannt, daß beim Durchschalten bzw. Zünden eines Thyristors die Stromanstiegsgeschwindigkeiten dadurch begrenzt sind, daß sich die Entladung innerhalb eines Thyristors von der Steuerelektrode aus mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet

ίο Dadurch entstehen Einschaltverluste, die insbesondere bei höheren Frequenzen erhebliche Werte annehmen können. Bei höheren Frequenzen können daher die Thyristoren nicht mehr mit ihrer vollen Nennleistung betrieben werden.

Zur Verbesserung der Einschalteigenschaften von Thyristoren, insbesondere im Hinblick auf eine kürzere Zündausbreitungszeit, hat die im Mittelpunkt der Kathode in einer Aussparung derselben angeordnete Steuerelektrode die günstigste Lage (W. Gerlach u.

A.C. Stumpe, »Das Schalt verhalten von Thyristoren« in Energieelektronik und geregelte elektrische Antriebe, VDE-Buchreihe, Bd. 11, 1966, S. 32 bis 51, insbesondere S. 42). Durch G e r 1 a c h ist auch bekannt, zur Verkürzung der Zündausbreitungszeit mehrere Steuerelektroden anzubringen und parallel zu schalten. Allerdings ist dabei der Steuerleistungsaufwand größer. Der erhöhte Steuer'eistungsbedarf ist unter anderen eine der Ursachen für die Unwirtschaftlichkeit einer ringförmigen Anordnung der Steuerelektrode. Eine

μ Parallelschaltung mehrerer Steuerelektroden führt im allgemeinen nicht zu einer entsprechenden Vervielfachung der zulässigen Durchschaltverlustarbeit Jeweils die Steuerelektrode, die die kürzeste Einschaltverzugszeit ergibt, bestimmt mit ihrem zuerst gezündeten Kanal im wesentlichen das Volumen, in dem die Einschaltverluste auftreten und damit die Höhe der zulässigen Einschaltverlustarbeit. Mit dem Durchschalten der ersten Stelle wird die Anodenspannung stark reduziert, so daß die anderen Stellen fasi vollständig von

Durchschaltarbeit entlastet werden.

Eine Möglichkeit, den zuerst zu zündenden Bereich entscheidend zu vergrößern, bietet das ursprünglich von Gerlach (VDE-Buchreihe, BdH, 1966, S.32 bis 51) gefundene Prinzip des »Querfeldemitters«. Dabei wird ein der zentralen, an sich kleinflächigen Steuerelektrode benachbarter Bereich hochohmig mit dem Emitteranschluö (Kathode) verbunden. Mit anderen Worten: ein ringförmiger Emitterbereich wird von der Kathode nicht kontaktiert Dies zeigt auch die Fig. 1 der FR-PS

5ß 20 70 288, wobei die Kathode einen ringförmigen Emitterbereich in der Nähe der Steuerelektrode freiläßt Dieses Prinzip soll auch bei vorliegender Erfindung realisiert, jedoch nicht als solches zum Schutz beansprucht werden.

Verbindet man nach G e r I a c h bei einem Thyristor mit Querfeldemitter weitere Steuerelektroden mit dem Emitterrand des Querfeldemitters, so liefert der Spannungsabfall am Querfeldemitter die Zündspannung für die weiteren Steuerelektroden.

Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß die zusätzlichen Steuerelektrode™ erst nach einer gewissen Verzögerung von einigen Mikrosekunden angesteuert werden, so daß während der ersten Mikrosekunden nach dem Einschalten, in denen die Haupteinschaltver-

^Μ luste entstehen, die Stromdichten bzw. Verlustdichten genau so groß sind wie bei einem normalen Thyristor mit Querfeldemitter. Eine Vergrößerung der Flächen der Steuerelektroden verbietet sich wegen des dann zu

hohen Bedarfs an Steuerstrom.

Der Erfindung liegt, ausgehend vom eingangs beschriebenen Thyristor mit Steuerstromverstärkung, die Aufgabe zugrunde, erstrangig den Zündvorgang an verschiedenen Stellen etwa gleichzeitig einzuleiten und zweitrangig für eine gleichmäßige Verteilung des Zündvorganges zu sorgen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß erfindungsgemäß die Emitterzone mit mindestens einer zusätzlichen Aussparung versehen ist, durch die hindurch die Basiszone des Thyristors zusätzlich kleinflächig kontaktiert ist und daß die an ihrem äußeren Rand von der Metallelektrode kontaktierte Ringzone und die zusätzliche oder die zusätzlichen Kontaktierungen der Basiszone über eine Leitung sperrschichtfrei miteinander verbunden sind.

Bei mehreren solchen zusätzlichen kleinflächigen Kontaktk:rungen der Basiszone sind diese natürlich über die Emitterfläche verteilt, so daß ihnen etwa gleiche zu zündende Emitterzonenbereiche zugeordnet sind wie der Ringzone.

Die Ringzone bildet mit der umgebenden Halbleiter-Struktur einen Hilfsthyristor, der den Steuerstrom an die zusätzlichen kleinflächigen Kontaktierungen (Hilfssteuerelektroden) der Basiszone liefert, so daß das Durchschalten des Thyristors praktisch gleichzeitig an mehreren Stellen eingeleitet wird. Eine erhebliche Steigerung der Zündausbreitungsgeschwindigkeit ist die Folge, so daß die Einschaltverluste stark herabgesetzt werden. Das macht sich besonders bei höheren Frequenzen bemerkbar. Der Steuersatz für den Thyristor braucht nur den Steuerstrom für den kleinen Hilfsthyristor zu liefern, während der Steuerstrom für die zusätzlichen Kontaktierungen der Basiszone aus dem Hauptstromkreis entnommen wird. Die von G e r I a c h angesprochene und vorstehend erwähnte wirtschaftliche Grenze (Steuerleistungsbedarf) ist daher verschoben. Es ist wesentlich, daß durch die Parallelarbeit der Hilfssteuerelektroden und durch ihre Verteilung nicht iur die Zündausbreitungsgeschwindigkeit erhöht ist, sondern daß auch die Zündung, die von jeder Hilfssteuerelektrode ausgeht, in etwa gleicher Zeit beendet ist. Diese simultane Zündung wird erzwungen, weil die Zündenergie vom Hauptstromkreis entnommen wird. Der Spannungsabfall an der Ringzone ist abhängig vom d/7dr im Hauptstromkreis. Wenn diese Stromanstiegswerte hoch sind, werden die Hilfselektroden mit größerer Energie versorgt Wegen dieser Abhängigkeit schützt sich der Thyristor auch bis zu sehr hohen di/dl·Werten selbst

Steigende Steuerströme und d/7d<-Werte verschieben die Steuerrpannungen auf der Zeitachse zu kleineren zeitlichen Werten für die Einleitung und Beendigung des Zündvorganges. Die Spannung bricht beim Zünden also schneller zusammen als bei bekannten Thyristoren, so daß, wie bereits gesagt, die Einschaltverluste herabgesetzt sind.

Auf die Geometrie der zusätzlichen, als Hilfselektroden wirkenden Kontaktierungen kommt es nicht an. Man kann also solche Geometrien wählen, die bisher wegen des zu hohen Steuerstrombedarfs nicht angewendet wurden. Günstig ist es, die Aussparung für die zusätzlichen Kontaktierungen ringförmig auszubilden oder mehrere kleinflächige kreisförmige Aussparungen für die Kontaktierungen vorzusehen.

Zweckmäßig ist die Emitterzone unterhalb der Hauptelektrode (Kathode) mit Durchbrüchen versehen, durch die hindurch die darunterliegende Basiszone bis zur Hauptelektrode reicht, so daß sich ein »kurzgeschlossener Emitter« ergibt Durch diese an sich bekannte Maßnahme wird die kritische Spannungssteilheit(d;7d<) erhöht

Vorzugsweise erfolgen die Kontaktierungen der Leitungen in den zusätzlichen Aussparungen jeweils auf

einem p+-Gebiet der p-leitenden Basiszone, was den

Zünd Vorgang verbessert Zweckmäßig ist die Leitung von der Ringzone zu den

ίο kleinflächigen zusätzlichen Kontaktierungen zusätzlich nach außen an einen besonderen Anschluß des Thyristors geführt Damit läßt sich vorteilhaft ein Informationssignal über den Zündvorgang gewinnen und weiterverarbeiten oder eine Ansteuerung über diese Leitung bewirken, falls man ohne innere Zündstromverstärkung, aber mit extrem kleiner Zündverzugszeit arbeiten wilL

Im folgenden soll ein Ausführungsheispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben werden, die einen Schnitt durch einen Thyristor darstellt

Der als Ausführungsbeispiel dargestttlte Thyristor weist eine npnp-Struktur auf. Die obere η-dotierte Zone 1 dient als Emitter. Sie ist auf bekannte Weise mit Durchbrüchen 2 versehen, durch die die darunterliegende p-dotierte Basiszone 3 bis zur metallischen Hauptelektrode 4 (Kathode) hindurchragt so daß sich der bekannte »kurzgeschlossene Emitter« ergibt
Die Emitterzone 1 und die Kathode 4 weisen in der Mitte eine Aussparung auf, in der die Basiszone 3 mit einer kleinflächig ausgebildeten, ρ+-dotierten Kontaktierung 5 nebst Metallelektrode 6 versehen ist Dieses ist die Steuerelektrode. Um diese kleinflächig ausgebildete Kontaktierung 5 herum ist innerhalb der Aussparung eine Ringzone 7 angeordnet die genauso wie die Emitterzone 1 η-dotiert ist und als Emitter des Hilfsthyristors wirkt Ein Teil der Ringzone 7 ist mit dem danebenliegenden Gebiet der Basiszone 3 innerhalb der Aussparung mittels einer Metallelektrode 8 verbunden, so daß auch hier ein kurzgeschlossener Emitterübergang gebildet ist Die Metallelektrode 8 ist über Leitungen 9 und 10 p+-dotierten Gebieten 11 bzw. 12 der Basiszone 3 verbunden, die sich in zusätzlichen Aussparungen 17 der Emitterzone 1 befinden und zum Anschluß der Leitungen 9, 10 mi* zusätzlichen Kontaktierungen 18 (Hilfselektroden) versehen sind.

Der übrige Aufbau des Thyristors ist üblich. Auf die Basiszone 3 folgt eine η-dotierte Schicht 13, an die sich wieder eine p-dotierte Schicht 14 anschließt. Über eine ρ+-dotierte Schicht 15 ist die zweite Hauptelektrode 16 (Anode) am Thyristor angebracht

Zur Ansteuerung wird der Thyristor in an sich bekannter Weise mit sei.ier Steuerelektrode 6 und der Hilfskathode 8 oder der Kathode 4 an einem Steuersatz (nicht dargestellt) angeschlossen. Wird über die Steuerelektrode 6 der Kontaktierung 5 ein Steuerimpuls zugeführt, so bildet sich zuerst ein stromführender Kanal aus, der von der Ringzone 7 ausgeht Es stellt sich dabei zwischen der Ringzone 7 and der Kathode 4 ein

w> Spannungsabfall ein, der bekanntlich vom d/7df-Wert im Hauptstromkreis derart abhängig ist, daß bei steigenden di/dt-Werten den zusätzlichen Kontaktierungen 18 und den ρ+-Gebieten 11 und 12 höhere Zündleistungen angeboten werden können. Hierdurch kann die

h^r· Zündung überall gleichzeitig und schnell erfolgen, so daß sich der Thyristor bis zu sehr hohen d;7dr-Werten selbst vor Durchschlagen schützt.
Durch die besonders hohen Zündgeschwindigkeiten,

die man mit diesem Thyristor erzielen kann, werden auch seine Einschaltverluste kleiner als bei Thyristoren bekannter Bauart, so daß er besonders gut als Frequenzthyristor brauchbar ist

Häufig kann es vorteilhaft sein, die Zündleistung, die an der Ringzone 7 abgenommen werden kann, nicht nur den zusätzlichen ρ+-Gebieten 11 und 12 zuzuführen, sondern sie auch an anderer Stelle zu verwenden. Dann wird man zweckmäßigerweise die Elektrode 8 beziehungsweise die Leitungen 9 und 10 mit einem besonderen Anschluß des kompletten Thyristors verbinden. Das ist der Übersichtlichkeit wegen nicht, dargestellt worden. Das ist immer dann von Vorteil, wenn irgendwelche Steuerungen vorgenommen werden sollen, die vom d//df-Wert im Hauptstromkreis abhängig sind. Durch eine Verstärkung des ursprünglich der Steuerelektrode 6 zugeführten Steuerimpulses durch einen gesonderten Thyristor läßt sich dies nicht

erreichen.

Der Thyristor kann nach bekannten Verfahren hergestellt werden. Die verschiedenen Zonen können unter Verwendung von Maskentechniken diffundiert werden, und die Leitungen 9 und 10 kann man auf

κ Schutzstreifen aus Siliziumdioxid aufdampfen. Hierzu kann man beispielsweise Aluminium oder ein anderes Metall verwenden. Auch das Siliziumdioxid kann aufgedampft werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor mit Steuerstromverstärkung mit in einem Halbleiterkörper aus mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyp.s integriertem Haupt- und Hüfsthyristor mit gemeinsamer Anode, wobei die Steuerelektrode auf der Basiszone kleinflächig in einer zentralen Aussparung der Emitterzone kontaktiert ist und innerhalb dieser Aussparung um die kleinflächige Kontaktierung herum eine Ringzone angeordnet ist, welche Ringzone den gleichen Leitungstyp aufweist wie die Emitterzone und weiche Ringzone teilweise, unter Bildung eines kurzgeschlossenen Hilfsemitters, von einer Metallelektrode kontaktiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (1) mit mindestens einer zusätzlichen Aussparung (17) versehen ist, durch die hindurch die Basiszone (3) des Thyristors zusätzlich kleinflächig kontaktiert ist und daß die an ihrem äußeren Rand von der Metallelektrode (8) kontaktiertt Ringzone (7) und die zusätzliche oder die zusätzlichen Kontaktierungen (18) der Basiszone (3) über eine Leitung (9 bzw. 10) sperrschichtfrei miteinander verbunden sind.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Aussparung (17) ringförmig ausgebildet ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere zusätzliche Aussparungen

(17) kreisförmig ausgebildet sind.

4. Thyristor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone (1) unterhalb der Hauptelektrode (Kathode -4) mit Durchbrüchen (2) versehen ist, durch die hindurch die darunterliegende Basiszone (3) bis zur Haup elektrode reicht.

5. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen

(18) der Leitungen (9 bzw. 10) in den zusätzlichen Aussparungen (17) jeweils auf einem p+-Gebiet (12 bzw. 11) der p-leitenden Basiszone (3) erfolgen.

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (9,10) von der Ringzone (7) zu den kleinflächigen zusätzlichen Kontaktierungen (18) zusätzlich nach außen an einen besonderen Anschluß des Thyristors geführt ist.