DE2201041C3 - Thyristor - Google Patents

Description

Beim Einschalten von Thyristoren ist man an möglichst großen primären Zündbereichen interessiert. Diese Bereiche führen nämlich unmittelbar nach dem Einschalten den gesamten Laststrom. Man kann bei konventionellen Thyristoren große primäre Zündbereiche durch Anwendung hoher Steuerströme erreichen. Dieser Effekt wird noch weiter verstärkt in Thyristoren mit amplifying gate, wo besonders hohe Steuerströme durch einen integrierten Hilfsthyristor erzeugt werden.

Ein solcher Thyristor ist bereits beschrieben worden. In seinem Halbleiterkörper ist ein Hilfsemitter vorgesehen, der mit den beiden Basisschichten und der zweiten Emitterschicht des Thyristors einen Hilfsthyristor bildet. Der Hilfsthyristor liegt zwischen der Zündelektrode und dem Hauptthyristor und wird bei Einspeisen eines Steuerstromes in die Zündelektrode vor dem Hauptthyristor gezündet. Der Laststrom des Hilfslhyristors fließt über die Basis zum Emitier des Hauptthyristors und zündet diesen. Der Laststrom des Hilfsthyristors ist so groß, daß er eine von Anfang an linienförmige Zündung des Hauptthyristors bewirkt. Ist der Hauptthyristor gezündet, so fließt der Laststrom nur durch diesen und der Hilfsthyristor erlischt. Die Stromübernahme auf den Hauptthyristor geht so schnell, daß der Hilfsthyrisior nicht unzulässig hoch belastet wird.

Bei dem beschriebenen Thyristor ist jedoch die Zündung des Hilfsthyristors vor der Zündung des Haupttbyristors und damit ein Schutz des Hauptthyristors im allgemeinen nur dann gewährleistet, wenn der Zündstrom für den Thyristor über die Zündelektrode fließt Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Ein Thyristor kann bekanntlich auch durch eine an die Laststrecke angelegte Spannung »über Kopf« gezündet werden. Diese Art der Zündung wird bei Anlegen einer die Nullkippspannung überschreitenden Spannung an die Laststrecke z. B. durch einen Lawinendurchbruch im

ίο sperrenden Blockier- pn-übergang erzielt Beim Überkopfzünden ist aber nicht sichergestellt, daß der Hilfsthyristor zuerst zündet da der Lawinendurchbruch an irgendeiner Stelle in der Thyristortablette stattfinden kann. Zündet der Hauptthyristor zuerst, so wird dieser -.ediglich punktförmig gezündet und damit meistens zerstört

Im Hauptpatent ist eine Maßnahme vorgeschlagen worden, die sicherstellt daß der Hilfsthyristor selbst dann vor dem Hauptthyristor zündet wenn an die Laststrecke des Thyristors eine die Nullkippspannung überschreitende Spannung angelegt wird. Der Vorschlag besteht darin, daß die unter der Basiszone liegende weitere Basiszone einen Bereich aufweist, dessen spezifischer Widerstand kleiner als der der übrigen weiteren Basiszone ist und daß dieser Bereich nicht über den äußeren Rand des Hilfsemitters hinausragt. Dadurch findet der Lawinendurchbruch unter dem Hilfsemitter statt und der Hilfsthyristor zündet immer zuerst

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, von denen die erste, der Emitter, mit einer Elektrode und die zweite, die Basis, mit einer Zündelektrode versehen ist, und mit einem Hilfsemitter, der zwischen dem Emitter und der Zündelektrode liegt und der elektrisch mit der Basis verbunden ist, und mit einer unter der Basis liegenden weiteren Basis mit einem Bereich, dessen spezifischer Widerstand niedriger a is der der übrigen weiteren Basis ist und der nicht über den dem Emitter zugewandten Rand des Hilfsemitters hinausragt, wobei die Emitterelektrode elektrisch mit der Basis verbunden ist nach Patent 21 40 993.

Hat der Bereich mit dem niedrigeren spezifischen Widerstand einen sehr großen Durchmesser, so muß demnach auch der Hilfsemitter großen Durchmesser haben. Mit dem Durchmesser des Hilfsemitters wächst auch seine Fläche. Mit wachsender Fläche wird der Hilfsthyristor aber immer empfindlicher gegen Spannungen großer Steilheit. Mit anderen Worten, der Thyristor kann bei großer Ausdehnung des Bereiches niedrigeren spezifischen Widerstandes bereits bei Spannungen mit relativ niedriger Anstiegsgeschwindigkeit durchzünden. Dies ist im allgemeinen nicht erwünscht.

Es ist bekannt, Thyristoren ohne Hilfsemitter zur Vermeidung des Zündens bei niedrigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten mit einem Nebenschluß zwischen Emitterelektrode und Basis zu versehen. Diese Maßnahme ist aber nicht genügend wirkungsvoll, wenn ein Hilfsemitter großer Ausdehnung vorhanden ist.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe

besteht darin, einen Thyristor nach dem Hauptpatent so zu verbessern, daß dieser auch dann unempfindlich gegenüber Spannungen mit hoher Steilheit wird, wenn der Bereich niedrigeren spezifischen Widerstandes relativ groß ist

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet daß der

Abstand zwischen einem beliebigen Punkt in der Oberfläche des Hilfsemitters bis aum nächstliegenden Punkt, an dem die Hilfselektrode elektrisch mit der Basis verbunden ist, im Bereich von etwa 1 bis 4 mm liegt, derart, daß eine Zündung am HHfsemitter bei einer geringeren Spanriungsanstiegsgeschwindigkeit einsetzt als am Hauptemitter.

Der Hilfsemitter kann mit über seine Fläche verteilten Ausnehmungen versehen sein, über die die Basis mit der Hilfselektrode elektrisch verbunden ist, J₀ wobei die Ausnehmung einen Abstand von 1 bis 4 mm voneinander haben. Der Hilfsemitter kann aber auch eine Breite zwischen 1 und 4 mm haben, wenn er lediglich auf der von der Zündelektrode abgewandten Seite mit der Basis elektrisch verbunden ist.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel und

F i g. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist ein Halbleiterelement für einen Thyristor gezeigt. Dieses weist einen Emitter 1, eine Basis 2, eine weitere Basis 3 und einen weiteren Emitter 4 auf. Der Emitter 1 ist mit einer Elektrode 5 und der weitere Emitter 4 mit einer Elektrode 11 versehen. Der Emitter 1 weist Ausnehmungen 6 auf, durch die die Basis 2 hindurchreicht Ober die Ausnehmungen 6 ist die Basis 2 mit der Elektrode S elektrisch verbunden.

An der Basis 2 ist ein Hilfsemitter 7 vorgesehen, der mit einer Hilfselektrode 8 versehen ist. Im Hilfsemitter 7 sind Ausnehmungen 9 vorgesehen, durch die die Basis 2 bis zur Hilfselektrode 8 reicht und mit dieser elektrisch verbunden ist Die Basis 2 weist ferner noch einen Zündkontakt 10 auf. In der weiteren Basis 3 ist ein Bereich 14 vorgesehen, der niedrigeren spezifischen Widerstand als die übrige weitere Basis 3 hat. Der spezifische Widerstand im Bereich 3 liegt etwa 10 bis 40%, z. B. 25% unter dem spezifischen Widerstand der übrigen weiteren Basis 3. Der Bereich 14 ragt nicht über den dem Emitter 1 zugewandten Rand des Hilfsemitters 7 heraus.

Bei einem spezifischen Widerstand, der z. B. 25% unter dem der übrigen weiteren Basis 3 liegt, ergibt sich eine Durchbruchspannung des blockierenden pn-Überganges zwischen der Basis 2 und der weiteren Basis 3, der etwa um 10% unter der Durchbruchspannung dieses pn-Überganges außerhalb des Bereiches 14 liegt. Bei Anlegen einer die Nullkippspannung übersteigenden Spannung an die Elektroden 5 und 11 wird daher zuerst im Bereich 14 ein Lawinendurchbruch im genannten pn-Übergang stattfinden. D. h„ der aus Hilfsemitter 7 und den Zonen 2, 3 und 4 bestehende Hilfsthyristor zündet. Der Laststrom des Hilfsthyristors fließt über die Hilfselektrode 8 in die Basis 2, den Emitter 1 und wirkt dort als Zündstrom für den aus den Zonen 1, 2,3 und 4 bestehenden Hauptthyristor, Der Laststram des Hilfsthyristors ist dabei so stark, daß der Hauptthyristor in einem relativ großen Flächenbereich zündet

Wird dagegen an die Elektroden 5 und 11 eine Spannung hoher Steilheit gelegt, so bildet sich im Halbleiterkörper auf Grund der Kapazität des sperrenden pn-Obergangs ein über die Fläche des pn-Übergangs im wesentlichen konstanter Verschiebungsstrom aus, der zum Hilfsemitter 7 und zum Emitter 1 fließt Dies ist in Fig. 1 durch die in die Basis 3 eingezeichneten Ladungsträgerpaare angedeutet. Ein Teil der Ladungsträger fließt zum Hilfsemitter 7 bzw. zum Emitter 1, während ein anderer Teil der Ladungsträger durch die Ausnehmungen 9 bzw. 6 direkt zur Hilfselektrode 8 bzw. Emitterelektrode 1 fließt Der durch die Ausnehmungen 9 bzw. 6 abfließende Stromanteil ist bei kleinen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten sehr hoch und verhindert sowohl ein Zünden des Hilfsthyristors als auch ein direktes Zünden des Hauptthyristors. Damit kann der Futiptthyristor auch nicht über den Hilfsthyristor gezünde·, werden. Bei Anlegen einer Spannung hoher Steilheit an die Elektroden 5 und 11 wächst der Verschiebungsstrom. Mit steigendem Verschiebungsstrom wächst der Anteil des durch den pn-Übergang zwischen Hilfsemitter 7 und Basis 2 fließenden Stroms relativ stärker als der durch die Ausnehmungen 9 bzw. 6 fließende Strom, da der differentielle Widerstand mit wachsendem Strom abnimmt Der Hilfsthyristor zündet daher erst oberhalb einer bestimmten Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung. Man wird die Kurzschlüsse im Hilfsthyristor vorteilhafterweise so bemessen, daß die Zündung im Hilfsthyristor bei etwas geringeren Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten einsetzt als die Zündung im Hauptthyristor. Dadurch ist auch für eine Zündung durch zu hohe Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten sichergestellt, daß der Hauptthyristor über einen großen primären Zündbereich eingeschaltet wird. Brauchbare Thyristoren weisen von irgendeinem beliebigen Punkt des Hilfsemitters 7 bis zu einem Punkt, an dem die Basis 2 mit der Hilfselektrode 8 verbunden ist, einen Abstand von 1 bis 4 mm auf.

In F i g. 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, das sich von dem nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß der Hilfsthyristor keine Ausnehmungen enthält. Der Hilfsemitter ist hier mit 12 und die Hilfselektrode mit 13 bezeichnet. Alle anderen Teile weisen die gleichen Bezugszeichen wie in Fi g. 1 auf. Der Hilfsemitter hat in diesem Ausführungsbeispiel eine Breite von 1 bis 4 mm und ist auf der Außenseite elektrisch mit der Basis verbunden. Auch damit ist die Bedingung erfüllt, daß irgend ein beliebiger Punkt des Hilfsemitters nicht mehr als 1 !;is 4 mm von einem beliebigen Punkt entfernt ist, an dem die Hilfselektrode elektrisch mit Basis verbunden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, von denen die erste, der Emitter, mit einer Elektrode und die zweite, die Basis, mit einer Zündelektrode versehen ist, und mit einem Hilfsemitter, der zwischen dem Emitter und der Zündelektrode liegt und der elektrisch mit der Basis verbunden ist, und mit einer unter der Basis liegenden weiteren Basis mit einem Bereich, der unterhalb der Zündelektrode liegt und dessen spezifischer Widerstand niedriger als der der übrigen weiteren Basis ist und der nicht über den dem Emitter zugewandten Rand des Hilfsemitters hinausragt, wobei die Emitterelektrode elektrisch mit der Basis verbunden ist, nach Patent 21 40 993, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einem beliebigen Punkt in der Oberfläche des Hilfseremers (7, 12) bis zum nächstliegenden Punkt, an dem die Hilfselektrode elektrisch mit der Basis verbunden ist, im Bereich von etwa 1 bis 4 mm liegt, derart, daß eine Zündung am Hilfsemitter (7, 12) bei einer geringeren Spannungsanstiegsgeschwindigkeit einsetzt als am Hauptemitter (1).

2. Thyristor nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsemitter (7) mit über seine Fläche verteilten Ausnehmungen (9) versehen ist, über die die Basis (2) mit der Hilfselektrode (8) elektrisch verbunden ist, und daß die Ausnehmungen (9) einen Abstand von 1 bis 4 mm voneinander haben.

3. Thyristor nach Ansnruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsemitter (12) eine Breite zwischen 1 und 4 mm hat und lediglich auf der von der Zündelektrode (10) abgewandten Seite mit der Basis (2) elektrisch verbunden ist.