DE2215132A1 - Bilateraler thyristor - Google Patents

Description

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Bilateraler Thyristor

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bilateralen Thyristor mit einein Halbleiterkörper mit fünf Zonen abwechselnden Leitungstyps, dessen erste und fünfte Zone einen ersten und einen zweiten Emitter bilden, der die aweite bzw. vierte Zone nicht vollständig bedeckt, bei dem der erste Emitter auf dem Halbleiterkörper gegenüber dem zweiten Emitter versetzt angeordnet ist,und mit auf dem ersten und zweiten Emitter angeordneten, auch mit der zweiten bzw. vierten Zone kontaktierten Elektroden.

Ein solcher bilateraler Thyristor wurde bereits beschrieben. Dieser Thyristor wird im Sprachgebrauch "Triac" genannt. Diese Bezeichnung wird im folgenden ausschließlich verwendet. Ein Triac ist ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, in dem ein Normalthyristor und ein in Antiparallelrichtung geschalteter Antithyristor vereinigt ist. Er hat nur eine einzige Steuerelektrode, mit der der Triac je nach Polarität der anliegenden Spannung in der einen oder anderen Richtung leitend gesteuert werden kann. An die Steuerelektrode kann sowohl eine positive als auch eine negative Steuerspannung angelegt werden. Der Triac kann daher als V/echselstromsteller sowohl für die positive als auch für die negative Halbwelle einer Y/echselspannung verwendet werden. Eine solche Betriebsweise ist solange unproblematisch, wie die mit dem Triac in Reihe liegende Last rein Ohmschen Charakter hat. Wirkt die Last jedoch vorwiegend induktiv, so steigt beim Nulldurchgang des Stromes, ' den z. B. der Normalthyristor geführt hat, die Spannung am Triac steil an. Die hierbei auftretende imstiegsgeschwindigkeit wird Kommutierungs-du/dt genannt. Übersteigt das Kommutierungs-du/dt einen bestimmten Wert, kommt es zu einer unerwünschten Zündung

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des Antithyristors. Eine Einstellung der dem Verbraucher zugeführten Leistung ist damit unmöglich.

Ein unerwünschtes Zünden des Antithyristors ließe sich zwar dadurch vermeiden, daß der Uo.raal thyristor und der Antithyristor soweit auseinandergelegt werden, daß eine gegenseitige Beeinflussung beider Eleraente nicht mehr stattfinden kann. Es wurde jedoch gefunden, daß je it wachsender Entfernung der zur Zündung des Antithyristors erforderliche Steuerstrom stark ansteigt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Triac der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß einerseits ein hohes Kommutierungs-du/dt auftreten kann, ohne daß das andere System des Triac in unerwünschter Weise zündet, daß aber andererseits der erforderliche Steuerstrom für den Antithyristor des Triac nicht allzu hoch wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sich erster und zweiter Emitter nicht überlappen und daß die mittlere

12 14- — '6 Zone des Halbleiterkörpers 10 bis 10 Atone cm Gold enthält.

Vorteilhafterweise liegen zwischen dem Abbild des in die vierte Zone projizierten ersten Emitters und dom zweiten Emitter ein Abstand von höchstens 300/U. Der Abstand kann 0 bis 100/u betragen

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und die mittlere Zone des Halbleiterkörpers enthält etwa 10

—"⁵S
Atome cm Gold.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Ea zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch einen Triac mit eingezeichneten

Ladungsträgern,
Figur 2 den Strom- und Spannungsverlauf am Triac bei induktiver

Last und
Figur 3 den Schnitt durch einen Triac, bei dem der Abstand des in die untere Zone projizierten ersten Emitters von zweiten Emitter difiniert ist.

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In Figur 1 ist der Halbleiterkörper eines Triac gezeigt. Er weist fünf Zonen 1, 2, 3_f 4 und 5 abwechselnden Leitungstyps auf. Die Zonenfolge kann s« B. npnpn sein. Die erste Zone 1 bildet einen ersten Emitter, den Emitter des Normalthyristors. Die fünfte Zone 5 bildet einen zweiten Emitter, den Emitter des Antithyristors. Der Emitter des Normalthyristors und die aweite Zone 2 ist mit einer Elektrode 6 bedeckt. Me Elektrode 6 ist mit einem Anschluß A1 versehen, der die Anode 1 bildet. Die vierte Zone 4 ist mit einer Elektrode 7 versehen, der mit einem Anschluß A2 verbunden ist. Dieser Anschluß bildet die Anode 2. In der zweiten Zone 2 liegt eine weitere Zone 8, die bei der oben angegebenen Zonenfolge negative Leitfähigkeit hat. Die Zone 8 ist mit einer Steuerelektrode 9 versehen, die elektrisch auch mit der Zone 2 verbunden ist. Zwischen den Zonen 1 und 2 liegt ein pn-übergang 10, zwischen den Zonen 2 und 3 ein pn-übergang 11, zwischen den Zonen 3 und 4 ein pn-übergang 12 und zwischen den Zonen 4 imd 5 ein pn-übergang 13.

An die Anode A1 wird negatives und an die Anode A2 positives Potential gelegt. Die Steuerelektrode 9 erhält einen positiven Steuerstrom. Mit den angegebenen Potentialen ist der pn-übergang 11 gesperrt, an ihm fällt die Blockierspannung ab«, Werden in die Zone 2 über die Steuerelelrbroden 9 positive Ladungsträger injiziert, so zündet der aus den Zonen 1, 2, 3 und 4 bestehende Norinalthyristor. Die mittlere Zone 3 wird damit von aus der Zone 4 stammenden positiven und aus der Zone 1 stammenden negativen Ladungsträgern überschwemmt_Φ Der Weg, d.en diese Ladungsträger nehmen, ist durch ausgezogene_ Pfeile dargestellt. Aus der Zone 4 bewegen sich jedoch auch positive und aus der Zone 1 negative Ladungsträger in den Bereich des Antithyristors hinein. Geht nun der durch den Triac, fließende Strom durch Null, so kommutiert bei induktiver Last die Spannung sprungartig, und an der Anode Al liegt positive und an der Anode A2 negative Polarität an.

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Diese Vorgänge sind in Figur 2 dargestellt. Die am Triac anliegende Spannung ist mit u und der durch den Triac fließende Strom mit i bezeichnet. Da der Triac mit einer induktiven Last in Reihe liegt, eilt der Strom der Spannung um 90° voraus. Zum Zeitpunkt ti wird der Normalthyristor gezündet. Die Spannung bricht zusammen, der Strom steigt bis zu seinem Scheitelwert an und sinkt dann kontinuierlich bis auf Null, Der Nulldurchgang des Stroms tritt zur Zeit t2 ein. Hier kommutiert die Spannung auf einen negativen Wert. Diese Spannung, auch Komiuutierungsspannung genannt, hat zur Folge, daß die in der Mittelzone 3 im Bereich des Antithyristors gespeicherten Ladungsträger zur Anode A2 und die gespeicherten negativen Ladungsträger zur Anode A1 abgesaugt werden (gestrichelte Pfeile). Der hierbei fließende Strom ist dem Kommutierungs-du/dt und der Anzahl der Ladungsträger im Bereich des Antithyristors proportional. Bei der angegebenen, durch die Kommutierungsspannung bedingten Polarität ist der pn-Übergang 13 durchlässig. Daher fließen im Bereich des Antithyristors vorhandene positive Ladungsträger in den zweiten Emitter 5 und verursachen damit eine Injektion von negativen Ladungsträgern aus dem Emitter 5 in die vierte Zone 4. Die Absenkung des Potentials auf der Seite der Zone 4 am pn-übergang 12 hat eine Injektion von positiven Ladungsträgern aus der Zone 2 zur Folge (Gepunktete Pfeile). Ist das Kommutierungsdu/dt und die Anzahl der gespeicherten Ladungsträger groß genug, zündet der aus den Zonen 5» 4> 3 und 2 bestehende Antithyristor auch ohne einen äußeren Zündstrom. Der Triac ist damit nicht mehr steuerbar. Der eben erwähnte Vorgang wiederholt sich beim nächsten Nulldurchgang des Stroms in umgekehrter Richtung. Die Anzahl der gespeicherten Ladungsträger in der mittleren Zone 3 im Bereich des Antithyristors hängt von dem seitlichen Abstand der Emitter 1 und 5 und von der Lebensdauer der gespeicherten Ladungsträger ab.

Es wurde nun gefunden, daß diejenige Spannungsanstfgsge-

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schwindigkeit, bei der kein unerwünschtes Zünden eintritt stark gesteigert werden kann, wenn die Mittelzone 3 des Halbleiterkörpers mit 10¹² bis 10¹⁴ Atomen cm"⁵ Gold dotiert" wird. Dies führt zu einer schnellen Rekombination der aus dem Normalthyri3tor stammenden Ladungsträger im Gebiet des Antithyristors. Dabei ist wesentlich, daß sich die Emitter 1 und 5 nicht überlappen.

Der Abstand dea in die vierte Zone projezierten ersten Emitters vom aweiten Emitter sollte 300 /U nicht überschreiten (Fig. 3). Als zweckmäßig hat sich ein Abstand d von 0 bis 100/U erwiesen.

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Die Golddotierung der mittleren Zone kann dann etwa 10 cm

Es wurde gefunden, daß durch die angegebenen Golddiffusion und die Einhaltung der angegebenen seitlichen Abstände der beiden Emitter eine wesentliche Erhöhung der Anstiegsgeschwindigkeit der Kommutierungsspannung z. B. von 0,5 v//us auf 10 V//US bei 3A/ ms Stromanütieg erzielt werden konnte, ohne daß der Antithyristor durchzündete. Die angegebene Golddotierung kann man z. B. durch stromloses Vergolden des Halbleiterkörpers und nachfolgendes Eindiffundieren erzielen. Bei einer Tempera-

tür von etwa 800⁰O und einer Diffusionszeit von 1 Stunde erhält man eine Golddotierung der mittleren Zone 3 von etwa 10

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Atome cm .

3 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   /j.))Bilateraler Thyristor rait einem Halbleiterkörper mit fünf Zonen abwechselnden Leitungstyps, dessen erste und fünfte Zone einen ersten und einen zweiten Emitter bilden, der die zweite bzw. vierte Zone nicht vollständig bedeckt, bei dem der erste Emitter auf dem Halbleiterkörper gegenüber dem zweiten Emitter versetzt angeordnet ist und mit auf dem ersten und zweiten Emitter angeordneten auch mit der zweiten und vierten Zone kontaktierten Elektroden, dadurch gekennzeichnet , daß sich erster (1) und zweiter (5) Emitter nicht überlappen, und daß die mittlere Zone (3) des Halbleiterkörpers 10 bis 10 Atome cm Gold enthält.
2. 2.) Thyristor nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Abbild des in die vierte Zone (4) projizierten ersten Emitters (1) und dem zweiten Emitter (5) ein Abstand (d) von höchstens 300/U liegt.
3. 3.) Thyristor nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichne t , daß zwischen dem Abbild des in die vierte Zone (4) projizierten ersten Emitters (1) und dem zweiten Emitter (5) ein Abstand (d) von 0 bis 100/u liegt und daß die mittlere Zone (3) des Halbleiterkörper 10¹⁵ Atome cm~⁵ Gold enthält.

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