DE2248005C3 - Unidirektionaler gesteuerter Halbleitergleichrichter - Google Patents
Unidirektionaler gesteuerter HalbleitergleichrichterInfo
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Description
Dabei sollte der p-n-Übergang zwischen der p-|eitenden Emitterschicht und der η-leitenden Basisschicht, der
in einem im Thyristor ersatzschahbildmäßig gedachten
Transistor als Emitterübergang wirkt, auch die Sperrspannung am Thyristor aushalten. Deshalb ist beim
anodenseitig steuerbaren Thyristor mit einem ohmschen Kontakt zwischen der Basisschicht und der
Steuerelektrode nicht nur die Steuerelektroden-Empfindlichkeit klein, sondern auch die Durchbruchsspannung niedrig. Diese Nachteile könnten zwar dadurch
überwunden werden, daß ein p-leitendes Halbleitersubstrat verwendet wird, jedoch ist bekanntlich bei einem
p-leitenden Halbleitersubstrat die Herstellung einer hochohmigen Basisschicht schwierig.
Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen unidirektionalen gesteuerten Halbleitergleichrichter zu
schaffen, bei dem eine von der zweiten Hauptelektrode verschiedene Elektrode so benachbart zur ersten
Hauptelektrode angeordnet ist, daß der Halbleitergleichrichter durch Anlegen einer Spannung vorzugsweise kleiner Leistung zwischen diesen beiden Elektroden eingeschaltet werden kann.
Eine erste Lösung dieser Aufgabe srfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem kennzeichnenden Teil
des Patentanspruchs 1.
Wenn bei diesem erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichter ein Steuerstrom zwischen der Steuerelektrode und der ersten Hauptelektrode fließt, wird über
die η-leitende Hilfszone ein transversaler (lateraler) Potentialgradient erzeugt, so daß der Halbleitergleichrichter eingeschaltet werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Erfindung sind durch die Unteransprüche 2—5 angegeben.
Eine zweite Lösung der vorgenannten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Lehre nach dem
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 6, die den zusätzlichen Vorteil mit sich bringt, ein irrtümliches
Einschalten des Halbleitergleichrichters durch Rauschsignale aus der Ansteuerschaltung der Steuerelektrode
zu vermeiden.
Das gemeinsame Lösungsprinzip beider nebengeordneter Lösungen nach den Patentansprüchen 1 und 6
besteht darin, daß in beiden Fällen durch die vorhandene Hilfszone der Widerstandswert in transversaler Richtung im an die Hilfszone angrenzenden Teil
der äußeren p-leitenden Schicht zwischen der ersten Hauptelektrode und mindesten einer weiteren Elektrode erhöht wird, die nach dem Anspruch 1 die
Steuerelektrode und nach dem Anspruch 6 die zusätzlich vorgesehene Hilfselektrode sowie die ohnehin auf der Hilfszone sitzende Steuerelektrode ist Der
durch diesel lateralen Widerstand bedingte Potentialgradient bewirkt dann ein Einschalten des Halbleitergleichrichters.
Ansonsten ist noch folgender Stand der Technik bekanntgeworden:
aus der DE-OS 15 89479 ein steuerbares Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus vier
Silizium-Schichten, nämlich einer ersten Emitterschicht vom p-Typ, einer ersten Basisschicht vom η-Typ, einer
zweiten Basisschicht vom η-Typ und einer zweiten Emitterschicht vom η-Typ, wobei an der ersten
Emitterschicht die eine Hauptelektrode, nämlich die Anode, angeschlossen ist, während die zweite Emitterschicht in zwei verschieden große, durch eine gleichmäßig breite Zone getrennte Bereiche aufgeteilt ist, wobei
am großen Bereich die andere Hauptelektrode, nämlich die Kathode, und am kleineren Bereich eine Steuerelektrode angeschlossen ist;
aus der CH-PS 4 78 460 eine Halbleiter-Schalteinrichtung mit einem Halbleiterkörper aus vier Schichten,
wobei auf der obersten, n-Ieitenden Schicht eine dünne Zone aus p-leitendem Halbleitermaterial vorgesehen ist,
auf deren Oberseite sich dann die Steuerelektrode befindet; und
aus der Zeitschrift »Internationale elektronische Rundschau«, Bd. 20 (1966), Nr. 6 (Juni), S. 353-356, ein
bilateral (bidirektional) schaltendes Thyristorsystem, das also aus zwei antiparallelgeschalteten Teilthyristorsystemen besteht, von denen das eine in einer an die
Anode angeschlossenen äußeren p-leitenden Schicht eine η-leitende Hilfszone aufweist, die ihrerseits mit
einer Steuerelektrode verbunden ist.
Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert Es zeigt
F i g. 1 einen perspektivischen Schnitt durch einen rückwärts sperrenden !Thyristor mit drei Anschlüssen,
F i g. 2 einen Schnitt zur Erläuterung der Wirkungsweise des in F i g. 1 dargestellten Thyristors,
Fig.3 einen perspektivischen Schnitt durch einen
Thyristor gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,
Fig.4 einen Schnitt durch ein anderes Ausfühmngs
beispiel eines rückwärts sperrenden Thyristors mit drei
Anschlüssen,
F i g. 5 einen Schnitt zur Erläuterung der Wirkungsweise des in F i g. 4 dargestellten Thyristors,
F i g. 6 einen Schnitt (IX-IX in F i g. 7) zur Erläuterung
JO der Wirkungsweise eines weiteren Ausführungsbeispiels eines rückwärts sperrenden Thyristors mit drei
Anschlüssen,
F i g. 7 eine Draufsicht auf den in F i g. 6 dargestellten Thyristor,
F i g. 8— 10 je einen Schnitt dui ch Thyristoren, ähnlich
dem in F i g. 6 und
Fig. H und 12 Schnitte durch weitere Ausführungsbeispiele eines rückwärts sperrenden Thyristors mit drei
Anschlüssen.
•fo In Fig. 1, in der ein rückwärts sperrender Thyristor
mit drei Anschlüssen dargestellt ist, besteht ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat 1 aus einer ersten
p-leitenden Schicht 2 (pi-Schicht), einer ersten n-leitenden Schicht 3 (πι-Schicht), einer zweiten p-leitenden
Schicht 4 (p2-Schicht) und einer zweiten n-lehenden
Schicht 5 (nrSchicht). Diese Schichten sind in dieser Reihenfolge übereinander angeordnet, wobei eine
Schicht an die nächste angrenzt Eine als Anodenelektrode 7 dienende ringförmige Metallschicht ist auf der
Schicht 2 vorgesehen. Weiterhin ist auf der Schicht 2 eine Steuerelektrode 9 in ohmschem Kontakt mit der
Schicht 2 vorgesehen, wobei die Steuerelektrode 9 im Abstand von der Anodenelektrode 7 umgeben wird.
Eine n-ieitende Hilfszone 6 (n^-Schicht) mit einer
κ ringförmigen Ausbildung ist in einem Oberflächeiiteil
der Schicht 2 zwischen und im Abstand von der Anoden- und der Steuerelektrode 7 bzw. 9 angeordnet. Mit dieser
Hilfszone 6 wird ein an sie angrenzender Teil 2a mit großem lateralen Widerstandswert in der Schicht 2
bi) gebildet. Die Oberfläche der Schicht 5 ist mit einem
(Ti dargestellten Thyristors erläutert. Eine Hauptstromquelle 13 und ein Lastwiderstand 14 liegen in Serie
zwischen der Anodenelektrode 7 und der Kathodenelektrode 8 des Thyristors. Der D-n-Übereane zwischen
der pi- und der nt-Schicht und der p-n-Ubergang zwischen der p2- und der ^-Schicht ist in Durchlaßrichtung (Vorwärtsrichtung) vorgespannt, während der
n-p-Übergang zwischen der πι- und der p2-Schicht in
Sperrichtung (Rückwärtsrichtung) vorgespannt ist. Auf diese Weise ist der Thyristor in seinem in Durchlaßrichtung gesperrten (vorwärts sperrenden) Zustand gehalten. Eine Steuersignalquelle IS, ein strombegrenzender
Widerstand 17 und ein Schalter 16 liegen in Serie zwischen der Anodenelektrode 7 und der Steuerelektrode 9 des Thyristors. Wenn der Schalter 16 geschlossen
wird, fließt ein lateraler Strom in Pfeilrichtung 18 von der Steuerelektrode 9 zur Anodenelektrode 7. Da der
laterale Strom durch den Teil der pi-Schicht zwischen
der ni-Schicht und der n3-Hilfszone fließt, d. h., der Teil 2a einen lateralen Widerstand bildet, entsteht zwischen
den Punkten A und Sein Spannungsabfall und damit ein
tut«.· «*·%., I UIVIIIIUIgiaUlbllt. MM L.I gVI/ltl j VIlUIgI I.IIII.
Löcherinjektion in den Teil des p-n-Überganges zwischen der pi- und der ni-Schicht in der Nähe des
Punktes A mit einem verhältnismäßig hohen Potential. Die injizierten Löcher diffundieren durch die nt-Schicht,
um die p2-Schicht zu erreichen, wodurch das Potential der p2-Schicht anwächst. Mit anwachsendem Potential
der p2-Schicht erhöht sich die Injektion der Elektronen
durch den p-n-Übergang zwischen der p2- und der
n2-Schicht. Wenn die injizierten Elektronen die ni-Schicht erreichen, wird deren Potential verringert,
wodurch die Injektion von Löchern durch den p-n-Übergang zwischen der pr- und der ni-Schicht
erhöht wird. Diese Folge von inneren Mitkopplungen erfolgt nahezu augenblicklich. Als Ergebnis wird der
n-p-Ubergang zwischen der ni- und der pi-Schicht, der
zuerst in Sperrichtung vorgespannt war, in Durchlaßrichtung vorgespannt. Ein örtlicher Strom 19 entwickelt
sich zu einem Hauptstrom 20. Das h heißt, der Thyristor, der zunächst im vorwärts sperrenden Zustand war, wird
in einen leitenden Zustand gebracht, d. h. eingeschaltet.
Bei den oben erläuterten Vorgängen unterstützt der örtliche Strom 19 das Einschalten oder die Zündung des
Thyristors. Da der Strom 19 lateral durch die laterale Widerstandszone der pi-Schicht in der entgegengesetzten Richtung zur Richtung des Stromes 18 fließt, wird
das Potential in der Nähe des Punktes B entsprechend erhöht. Auf diese Weise beginnt nach der Auslösung der
Löcherinjektion durch den pi-η,-Übergang in der Nähe des Punktes A ebenfalls eine Löcherinjektion in der
Nähe des Punktes B, die die Entwicklung des Hauptstromes 20 erleichtert. Je größer zu dieser Zeit
der Anstieg (dilAt) des Hauptstromes ist, desto rascher
wird der Spannungsabfall durch den örtlichen Strom 19 erzeugt Das heißt, die für die Entwicklung des örtlichen
Stromes 19 zum Hauptstrom 20 erforderliche Zeit ist um so kürzer, je größer der Anstieg des Hauptstromes
ist Bei dem in der F i g. 1 dargestellten Thyristor ist der Hauptstrom 20 entlang der Anodenelektrode 7 verteilt
so daß die bei anwachsendem dildt übliche Stromdichte
(bei Beginn des Einschaltens) unschädlich ist
Wie oben erläutert wurde, kann der Thyristor durch einen Signalstrom zwischen der Anodenelektrode und
der Steuerelektrode eingeschaltet werden. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, die Anstiegsgeschwindigkeit
dUatza vergrößern. Da weiterhin keine Steuerelektrode an der m -Schicht vorgesehen ist sind die
Steuerempfindlichkeit und die Durchbruchsspannung in Sperrichtung nicht verringert
In F i g. 3 ist eine Abwandlung des in der F i g. 1 dargestellten rückwärts sperrenden Thyristors mit drei
Anschlüssen gezeigt. Diese Abwandlung ist von dem in der F i g. 1 dargestellten Thyristor insoweit verschieden,
als eine Schicht oder Schichten 21 (n?) in der prSchicht
so ausgebildet sind, daß Teile 22a, 72b der pj-Schicht an die Kathodenelektrode 8 angrenzen, d. h, die p2-Schicht
und die ^-Schicht oder Schichten durch die Kathodenelektrode 8 kurzgeschlossen sind. Mit einer derartigen
Anordnung, die im allgemeinen als kurzgeschlossene Emitteranordnung bezeichnet wird, kann die Kippkenn
linie verbessert werden. Der Einschaltvorgang ist der
gleiche wie bei dem vorangehenden Ausführungsbeispiel.
Obwohl bei den in Fig. 1 und 3 dargestellten Thyristoren die Steuerelektrode in der Mitte vorgese-
r. hen ist, unterliegt ihre Anordnung keinen Einschränkungen. Ähnliche Wirkungen können mit einer Struktur
erwartet werden, bei der die Steuerelektrode am Rand vorgesehen i**
können z. B. wie folgt hergestellt werden:
Es wird ein η-leitendes Silizium-Einkristall-Substrat mit einem Widerstand von 10 Ω cm verwendet. Als
Akzeptormaterial wird Gallium mit Hilfe eines bekannten Verfahrens von beiden Seiten in das Substrat
eindiffundiert, so daß die pi- und die p2-Schicht mit einer
Oberflächenstörstellenkonzentration von 1018 Atomen/c i>3 und einer Diffusionstiefe von 50 μπι entstehen,
wobei die ni-Schicht zwischen der pi- und der pj-Schicht
liegt. Dieses Siliziumsubstrat wird dann in Wasserdampf
erhitzt, um eine Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke
von 1 μπι auf der Oberfläche des Substrats zu bilden. Dann werden öffnungen oder Fenster in vorbestimmten Lagen mit bekannter Fotoätztechnik in der
Siliziumdioxidschicht für die nachfolgende Diffusion der
Störstellen gebildet. Danach wird selektiv Phosphor
eindiffundiert, wobei die Siliziumdioxidschicht als Diffusionsmaske verwendet wird. Dadurch entstehen
die n2-Schicht und die ns-Hilfszone. Als Störstellenquelle kann beispielsweise POCh verwendet werden. Die
•to Diffusion kann in zwei Schritten mit einer Ablagerung
der Störstellen und einer Einduffusion erfolgen. Während dieser Diffusion bildet sich ein neuer
Siliziumdioxidfilm, der alle öffnungen oder Fenster verschließt. Die Phosphordiffusionsschicht kann so
« durchgeführt werden, daß die Diffusionstiefe 20 μιη und
die Oberflächenstörstellenkonzentration ungefähr 1020
Atome/cm3 betragen. Danach wird der Siliziumdioxidfilm teilweise mit Photoätztechnik entfernt um einen
vorbestimmten Teil des Substrats zur Herstellung der
Elektroden freizulegen. Sodann werden Elektrc/zn für
die Hauptelektroden und für eine Steuerelektrode durch Vakuumabscheidung von Gold auf den freigelegten
Teilen des Substrats hergestellt Schließlich wird die Siliziumscheibe in einzelne Bereiche geteilt, die jeweils
die einzelnen Thyristorbauelemente enthalten. Hierzu dient eine Photoätztechnik mit einer geeigneten Maske.
Auf diese Weise können die in den F i g. 1 und 3 dargestellten Thyristorstrukturen erhalten werden.
Sodann werden die einzelnen Bereiche in vorgegebene
Gehäuse eingeführt und die notwendigen inneren
Verdrahtungen durchgeführt Die Gehäuse werden verschlossen, wodurch die gewünschten Thyristoren
fertiggestellt sind
der F i g. 4 und 5 näher erläutert
In Fig.4, in der ein rückwärts sperrender Thyristor
mit drei Anschlüssen dargestellt ist, ist ein Halbleitersubstrat 61 vorgesehen, das aus einer ersten p-leitenden
Schicht 62 (pi-Schicht), einer ersten η-leitenden Schicht
63 (ni-Schicht), einer zweiten p-leitenden Schicht 64
(p2-Schicht) und einer zweiten η-leitenden Schicht 65 (n2-Schicht) besieht. Diese Schichten sind nacheinander
angeordnet, wobei eine Schicht an die nächste Schicht angrenzt. Eine als Anodenelektrode 67 dienende
Metallschicht ist auf der pi-Schicht vorgesehen. Eine n-lritjnde Hilfszone 66 (^-Schicht) ist in einem
Oberf'.ächenteil der pi-Schicht teilweise in Berührung mit der Anodenelektrode 67 angeordnet. Eine Steuerelektrode
69 ist auf der Hilfszone 66 (^-Schicht) im Abstand von der Anodenelektrode 67 angeordnet. Eine
als Kathodenelektrode 68 dienende Metallschicht ist auf der ganzen Oberfläche der ^-Schicht 65 vorgesehen.
Weiterhin sind angeordnet ein Anodenanschluß 70, ein Kathodenanschluß 71 und ein Steueranschluß 72. Die
nj-Hilfszone 66 dient als lateraler Widerstand.
In Fig. 5 ist ein gegenüber Fig. 4 abgeändertes Ausführungsbeisniel der Erfindung dargestellt. Bei
diesem Ausführungsbeispiel ist eine Vertiefung 81 in einem Oberflächenteil der Hilfszone (n3-Schicht) zwischen
der Anodenelektrode 67 und der Steuerelektrode 69 vorgesehen. Diese Vertiefung 81 dient zur Erhöhung
des lateralen Widerstandswerts der Hilfszone.
Die Funktionsweise der einander ähnlichen Thyristoren gemäß den F i g. 4 und 5 wird nun anhand von F i g. 5
näher beschrieben. Eine Hauptstromquelle 73 und ein Lastwiderstand 74 sind in Serie zwischen der Anodenelektrode
67 und der Kathodenelektrode 68 geschaltet. Eine erste Serienschaltung aus einem Schalter 76, einer in
Stcerspannungsquelle 75 und einem Begrenzerwiderstand 77 und eine zweite Serienschaltung aus einem
Schalter 79, einer Steuerspannungsquelle 78 und einem Begrenzerwiderstand 80 sind parallel zwischen der
Steuerelektrode 69 und der Anodenelektrode 67 η vorgesehen. Die Polaritäten der Spannungsquellen 75
und 78 sind entgegengesetzt zueinander. Die beiden dargestellten Ansteuerschaltungen weisen entgegengesetzte
Polaritäten auf, da der dargestellte Thyristor zwei Zündungsarten besitzt. Es ist jedoch nicht erforderlich, ■»"
daß der Thyristor gemäß Fig 4 oder S 7wpj
Steuerspannungsquellen aufweist.
tine erste z.undungsart dieses 1 hyristors tritt auf,
wenn der Schalter 76 der ersten Serienschaltung geschlossen wird. Der p-n-Übergang zwischen der *r>
pi-Schicht und der ni-Schicht bei an die Hauptstromquelle 73 angeschlossenem Thyristor sind in Durchlaßrichtung
vorgespannt, während der n-p-Übergang zwischen der ni-Schicht und der pz-Schicht in
Sperrichtung vorgespannt ist. Dadurch sperrt der 5<>
Thyristor vorwärts (in Durchlaßrichtung). Wenn der Schalter 76 geschlossen ist, dann wird eine bezüglich der
Anodenelektrode 67 negative Steuerspannung an der Steuerelektrode 69 angelegt, wodurch ein Strom lateral
durch die n3-Hilfszone von der Anodenelektrode 67 zur Steuerelektrode 69 fließt. Als Ergebnis treten ein
Spannungsabfall und damit ein lateraler Potentialgradient zwischen den Punkten A und B durch den lateralen
Widerstand der n3-Hilfszone auf, so daß eine Injektion von Elektronen aus der n3-Hilfszone in die benachbarte
pi-Schicht in der Nähe des Punktes A mit einem relativ niedrigen Potential erfolgt Die injizierten Elektronen
laufen durch die pi-Schicht, um die ni-Schicht zu erreichen, wodurch das Potential der ni-Schicht
erniedrigt wird. Als Ergebnis wird die Vorspannung in Durchlaßrichtung am p-n-Öbergang zwischen der
pi-Schicht und der ni-Schicht erhöht, um eine Injektion
von Löchern aus der pi-Schicht zu bewirken. Die
injizierten Löcher diffundieren durch die ni-Schicht und erreichen die p2-Schicht, wodurch das Potential der
P2-Schicht erhöht wird. Mit anwachsendem Potential der p2-Schicht wächst ebenfalls die Anzahl der durch
den p-n-Übergang zwischen der p2-Schicht und der n2-Schicht in die ni-Schicht eingeführten Elektronen an.
Die die ni-Schicht erreichenden Elektronen bewirken, daß das Potential auf der Seite der ni-Schicht des
ρι-ηι-Überganges verringert wird, wodurch die Injektion
von Löchern aus der pi-Schicht anwächst. Diese inneren Mitkopplungsvorgänge bewirken, daß der
n-p-Übergang zwischen der ni-Schicht und der p2-Schicht, der zuvor in Sperrichtung vorgespannt war,
in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Das heißt, der Thyristor, der zuvor in Durchlaßrichtung bzw. vorwärts
gesperrt war, wird in einen leitenden Zustand versetzt, d. h. eingeschaltet.
Die zweite Zündungsart tritt auf, wenn der Schalter 79 c\pr 7wpjtpn SericnschBltun0' geschlossen wird. Es sei
angenommen, daß der Thyristor wie zuvor sich in einem in Durchlaßrichtung sperrenden Zustand befindet.
Wenn der Schalter 79 geschlossen wird, fließt der Steuerstrom laterial durch die nj-Schicht von der
Steuerelektrode 69 zur Anodenelektrode 67, wodurch ein lateraler Potentialgradient entsteht, der entgegengesetzt
zu den vorher erwähnten Potentialgradienten ist, wobei ein lateraler Widerstand in der n3-Hilfszone
ausgebildet ist. Daher erfolgt in diesem Fall eine Injektion von Elektronen aus der nj-Hilfszone in die
benachbarte pi-Schicht in der Nähe des Punktes B. Die injizierten Elektronen lösen die obenerwähnten inneren
Mitkopplungen in der Nähe des Punktes B aus, so daß der n-p-Übergang zwischen der ni-Schicht und der
P2-Schicht, der zuvor in Sperrichtung vorgespannt war, in Durchlaßrichtung umgeschaltet wird, d. h., der
Thyristor eingeschaltet wird.
Die in Fig.4 und 5 dargestellten Thyristoren sind
vorteilhaft, da sie durch ein Steuersignal mit einem vorbestimmten Pegel zwischen der Steuerelektrode und
der Anodenelektrode unabhängig von der Polarität des
Diese Thyristoren können ähnlich wie die anhand der F i g. 1 und 3 beschriebenen Thyristoren in einen
Wechselstromsteller eingesetzt werden. Sie können ebenfalls als Teile eines Zweirichtungs-Thyristors mit
drei Anschlüssen hergestellt werden.
In Fig.6 bis 10 sind weitere, zu Fig. 1—5 nebengeordnete Ausführungsbeispiele der Erfindung
dargestellt.
In F i g. 6 und 7 ist ein rückwärts sperrender Thyristor mit vier Anschlüssen dargestellt. Dabei zeigt F i g. 6
tinen Schnitt und F i g. 7 eine Draufsicht:
Ein Halbleitersubstrat 91 besteht aus einer ersten p-Ieitenden Schicht 92 (pi -Schicht), einer ersten
η-leitenden Schicht 93 (ni-Schicht), einer zweiten p-leitenden Schicht 94 (p2-Schicht) und einer zweiten
η-leitenden Schicht 95 (^-Schicht). Diese Schichten sind nacheinander angeordnet, wobei die eine Schicht die
nächste Schicht berührt Sie bilden drei p-n-Übergänge. Eine als Anodenelektrode 97 dienende Metallschicht ist
beispielsweise durch Vakuumabscheidung auf einem Teil der Oberfläche der pi-Schicht vorgesehen. Eine
weitere, als Kathodenelektrode 98 dienende Metallschicht ist auf ähnliche Weise auf der gesamten
Oberfläche der entgegengesetzten Seite der n2-Schicht angeordnet Eine n-leilende Hilfszone 96 (n3-Schicht) ist
in einem Oberflächenteil der pi-Schicht 92 ausgebildet Auf der n3-HiIfszone 96 ist eine Steuerelektrode 99
vorgesehen. Ein in der Form eines Kanals ausgebildeter Graben 101 ist mit Photoätztechnik in einem Oberflächenteil
der pi-Schicht 92 vorgesehen und umgibt die n3-Hilfszone 96. Zwischen der n3-Hilfszone 96 und dem
Graben 101 ist eine Hilfselektrodenschicht 100 auf der pi-Schicht 92 in einem ohmschen Kontakt mit dieser
angeordnet. Der Graben 101 begrenzt den lateralen
Strom zwischen der Anodenelektrode 97 und der Hilfselektrode 100 in einem unieren Teil der n3-Schicht.
Die pi-, die p2- sowie die ^-Schicht und die nrHilfszone
können durch Diffusion hergestellt werden.
Im Betrieb des in F i g. 6 dargestellten Thyristors sind
eine Hauptspannungsquelle 102 und ein Lastwiderstand 103 in Serie zwischen der Anodenelektrode 97 und der
Kathodenelektrode 98 geschaltet, während eine Hilfsspannungsquelle
104 und ein Schalter 105 in Serie zwischen der Anodenelektrode 97 und der Hilfselektrode
!00 liegen. Eine SicüciSpaMiHingsqueiie ίΟΘ und ein
Schalter 107 liegen in Serie zwischen der Anodenelektrode 97 und der Steuerelektrode 99. Wenn der Schalter
103 geschlossen ist, sind die p-n-Übergänge zwischen der pi-Schicht und der ni-Schicht und zwischen der p2-
und der ^-Schicht in Durchlaßrichtung vorgespannt, während der n-p-Übergang zwischen der ni-Schicht und
der p2-Schicht in Sperrichtung vorgespannt ist. Der Thyristor ist auf diese Weise in Durchlaßrichtung
gesperrt. Beim nachfolgenden Schließen des Schalters 105 fließt ein lateraler Strom (Pfeil 108) von der
Anoiiene'ektrode 37 zur Hiifseiekirude iOO, so daß ein
lateraler Spannungsabfall und damit ein lateraler Potentialgradient durch den lateralen Widerstand des
an die Hilfszone 96 angrenzenden Teils 92a der pi-Schicht 92 erzeugt wird.
Wenn die Spannung der Hilfsspannungsquelle 104 mit Vm und der laterale Widerstandswert mit R bezeichnet
werden, beträgt der laterale Strom V,t/R. Durch die
Bildung des Grabens 101 wird der Widerstandswert R ausreichend groß gemacht, so daß der laterale Strom
genügend klein ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel beträgt das Potential
V* im PiinW A Hpr n.-^'hinh* 92 in ^iZ1J" 2"F dis
Anodenelektrode 97
Va ~ (hll\) '/,4,
mit A = Abstand zwischen der Anodenelektrode und
der Hilfselektrode und
h = Abstand zwischen der Anodenelektrode und der Steuerelektrode.
h = Abstand zwischen der Anodenelektrode und der Steuerelektrode.
Wenn sodann der Schalter 107 geschlossen wird, wird ein Steuersignal in die Steuerelektrode 99 eingespeist.
Für Vj6 < VA mit V'ie = Spannung der Spannungsquelle 106 ist der p-n-Übergang zwischen der pi-Schicht
92 und der n3-Hilfszone 96 in Sperrichtung vorgespannt,
so daß der Steuersignalstrom im wesentlichen Null ist,
wenn vom Übergangsleckstrom abgesehen wird.
Für Vi6 > V>tistderpi-n3-Übergangin Durchlaßrichtung
vorgespannt, so daß eine Injektion von Elektronen aus der n3-Hilfszone 96 in die pi-Schicht 92 erfolgt
Wenn insbesondere Vie— Va größer als 0,7 V ist, wächst
die Anzahl der injizierten Elektronen stark an, und ein Teil der injizierten Elektronen erreicht die nrSchicht 93,
so daß die Vorspannung in Durchlaßrichtung über dem p-n-Obergang zwischen der pi- und der nj-Schicht in
der Nähe des Punktes A teilweise anwächst, im
Ergebnis erreichen die durch den pi-ni-Öbergaf jj in die
πΐ-.Schicht injizierten Löcher den ηι-prÜbergang und
erhöhen das Potential der p2-Schicht sowie vergrößern die Injektion der Elektronen durch den p2-n2-Obergang.
Auf diese Weise wird das Potential der ni-Schicht weiter verringert. Diese inneren Mitkopplungen führen dazu,
daß der nt-p2-Übergang in einen in Durchlaßrichtung vorgespannten Zustand übergeführt wird, so daß der
Thyristor eingeschaltet wird. Der Hauptstrom fließt in P'feilrichtung 109 und entwickelt sich dann so, wie durch
Pfeile 110 und 111 angezeigt ist. Er fließt gegebenenfalls
durch den gesamten Bereich zwischen der Anodenelektrode 97 und der Kathodenelektrode 98. Die zum
ίο Schließen des Schalters 107 erforderliche Zeit, bis der
gesamte Bereich zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode Strom führt, ist sehr klein.
Es wurde gezeigt, daß der laterale Strom ausreichend klein durch Erhöhung des Widerstands R gemacht
werden kann. Somit kann die Leistungsaufnahme Vu1Ik
inns der Hilfsspannungsquelle 104 ausreichend klein
gemacht werden. Andererseits ist in der Ansteuerschalaing
die Leistungsaufnahme während der Zeitdauer fur Vie
< Va in wesentlichen Null, da der p-n-Übergang
zwischen der pi-Schicht 92 und der n3-Hilfszone 96 in Sperrichtung vorgespannt ist. Während der Zeitdauer
für Vie > VA beeinflussen die von der n3-H;lfszone 96
injizierten Elektronen die Leitfähigkeit der pi-Schicht
92, um den Steuerstrom zu erhöhen. Die Leistungsaufn.-.Jime
wird jedoch nicht so sehr erhöht, daß die Spannungsdifferenz zwischen der Anodenelektrode 97
und der Steuerelektrode 99 im wesentlichen bis zur Vorspannung in Durchlaßrichtung am pi-n3-Übergang
verringert ist. Es ist jedoch offensichtlich, daß zum
JO Einschalten des Thyristors ein ausreichend großes
Signal Vie > Va (Va ändert sich proportional hlh und
I'm, vgl. oben) erforderlich ist.
Es ist zu betonen, daß bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Thyristor nicht durch ein
■)5 Rauschsignal von der Ansteuerschaltung zufällig eingeschaltet
werden kann, da die Schwellenspannung zum Einschalten des Thyristors hoch ist. Daher kann auch
das Steuersignal sehr klein sein.
In F i g. 8 ist eine Abwandlung des in F i g. 6 dargestellten rückwärts sperrenden Thyristo.s mit vier
Bei diesem Thyristor ist eine Vertiefung 121 in einem Oberflächenteil der pi-Schicht vorgesehen, die die
n3-Hilfszone 96 umgibt, um weiter den lateralen Widerstandswert des Stromweges von der Anodenelektrode
97 zur Hilfselektrode 100 zu erhöhen. Die Wirkungsweise ist die gleiche wie bei dem vorherigen
Ausführungsbeispiel.
In F i g. 9 ist ein Ausführungsbeispiel eines Thyristors
mit einer ringförmigen Steuerelektrode 99 als weitere Abwandlung des in F i g. 6 dargestellten Ausführungsbeispiels gezeigt
Bei diesem Thyristor sind eine erste und eine zweite ringförmige Vertiefung (Graben) 121a bzw. 1216 in
Oberflächenteilen der pi-Schicht entlang dem äußeren
und inneren Rand der ringförmigen Steuerelektrode 99 vorgesehen, um jeweils den lateralen Widerstandswert
zu erhöhen. Die Wirkungsweise des Thyristors gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die gleiche wie die des in
F i g. 6 dargestellten Thyristors.
In Fig. 10 ist ein Ausführungsbeispiel eines Thyristors mit fünf Anschlüssen dargestellt der eine zweite
Hilfselektrode 141 aufweist die getrennt von der ersten Väiilfselektrode 100 und der Anodenelektrode 97
vorgesehen ist
Ähnlich dem in F i g. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Vertiefung 121 vorgesehen, um einen
hohen lateralen Widerstandswert zu erhalten.
Im Gegensatz zu den vorherigen Ausführungsbeispislen
der F i g. 6,8 und 9 fließt bei diesem Ausführurigsbeispiel
der laterale Strom von der zweiten Hilfselektrode 141 zur ersten Hilfselektrode 100. Es ist offensichtlich,
daß dieser Thyristor ebenso arbeitet wie die anhand von F i g. 6,8 und 9 beschriebenen Thyristoren.
In Fig. 11 und 12 sind weitere Ausführungsbeispiele
dargestellt, nämlich Abwandlungen der Thyristoren in Fig. I oder4.
Bei dem in Fig. 11 dargestellten Thyristor ist eine η-leitende Hilfszone 154 in einer ersten p-leitenden
Schicht 153 zwischen einer Anodenelektrode 151 und einer Steuerelektrode 152 vorgesehen, um in der
Pi-Schicht 153 einen Teil 153a mit einem großen lateralen Widerstandswert zu bilden. Die n-leitendc-Hilfszone
154 berührt teilweise die Steuerelektrode 152.
Bei dem in Fig. 12 dargestellten Thyristor ist eine n-ieitende Hiifs/one IM in einer ersten p-ieitenden
Schicht 163 zwischen einer Anodenelektrode 161 und einer Steuerelektrode 162 vorgesehen, um in der
pi-Schicht 163 einen Teil mit einem großen lateralen
Widerstandswert zu bilden. Die η-leitende Hilfszone berührt teilweise die Anodenelektrode 161.
Der Zündvorgang bei dem in F i g. 11 dargestellten
Thyristor ist der gleiche wie bei dem in Fig. 1 dargestellten Thyristor, wenn das der Steuerelektrode
152 zugeführte Steuersignal in bezug auf die Anodenelektrode 151 positiv ist. Im umgekehrten Fall ist der
Zündvorgang der gleiche wie bei einem Thyristor mit
ic indirekter Steuerelektrode (remote gate). Der Zündvorgang
des in der Fig. 12 dargestellten Thyristors ist der gleiche wie der Zündvorgang des in Fig. 1 gezeigten
Thyristors, wenn die an der Steuerelektrode 162 angelegte Steuerspannung in bezug auf die Anodenelektrode
161 positiv ist.
Die in Fig. 11 und 12 dargestellten Thyristoren können ebenfalls in einem Wechselstrom-Steller verwendet
werden. Sie können auch als Teile eines Zweirichtungs-Thyristors mit drei Anschlüssen hergestellt
werden.
Hierzu 5 BIaIt Zeichnungen
Claims (6)
1. Unidirektionaler gesteuerter Halbleitergleichrichter mit einem Halbleitersubstrat aus vier
übereinander angeordneten Schichten mit pnpn-Struktur, mit einer ersten Hauptelektrode in einem
niederohmigen Kontakt mit einem großen Teil der
äußeren p-leitenden Schicht, mit einer zweiten Hauptelektrode in einem niederohmigen Kontakt
mit einem großen Teil der äußeren n-leitenden Schicht, mit einer Steuerelektrode in einem niederohmigen Kontakt, beabsiandet von der ersten
Hauptelektrode, und mit einer η-leitenden Hilfszone, die in die äußere p-Ieitende Schicht eingelassen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfszone (6; 66; 154; 164) mindestens teilweise zwischen
der ersten Hauptelektrode (7; 67; 151; 161) und der Steuerelektrode (9; 69; 152; 162) liegt und zwischen
diesen den Widerstandswert in transversaler Richtung in dem an die Hilfszone angrenzenden Teil (2a;
153a) der älteren p-leitenden Schicht (2; 6?.; 153;
163) erhöht (F ig. 1 —3;4,5; 11; 12).
2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Randteil der Hilfszone (154) an die Steuerelektrode (152) angrenzt
(Fig. 11).
3. Halbleitergleichrichter nhch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfszone (66)
teilweise die erste Hauptelektrode (67) berührt und an der Steuerelektrode (69) vorgesehen ist (F i g. 4)
4. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Randteil der n-leitenden Hilfszone (164) a#i die taste Hauptelektrode
(161) angrenzt (F ig. 12).
5. Halbleitergleichrichter nar'i Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfszone (66)
zwischen der ersten Hauptelektrode (67) und der Steuerelektrode (69) eine verringerte Dicke aufweist
(F ig. 5).
6. Unidirektionaler gesteuerter Halbleitergleichrichter mit einem Halbleitersubstrat aus vier
übereinander angeordneten Schichten mit pnpn-Struktur, mit einer ersten Hauptelektrode in einem
niederohmigen Kontakt mit einem großen Teil der äußeren p-leitenden Schicht, mit einer zweiten
Hauptelektrode in einem niederohmigen Kontakt mit einem großen Teil der äußeren n-leitenden
Schicht, mit einer Steuerelektrode in einem niederohmigen Kontakt, beabstandet von der ersten
Hauptelektrode, und mit einer n-leitenden Hilfszone, die in die äußere p-leitende Schicht eingelassen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hilfszone (96) mindestens teilweise zwischen der ersten Hauptelektrode (97) und der Hilfselektrode (100) liegt und zwischen diesen den Widerstandswert in transversaler Richtung in dem an die
Hilfszone angrenzenden Teil (92a) der äußeren p-leitenden Schicht (92) erhöht, und
daß die Steuerelektrode (99) den niederohmigen Kontakt mit der n-leitenden Hilfszone (96) aufweist,
wobei der Halbleitergleichrichter durch eine Hilfsspannung (104) zwischen der ersten Hauptelektrode
(97) und der Hilfselektrode (100) bei positiver erster Hauptelektrode (97) und gleichzeitigem Steuersignal
(106) zwischen der ersten Hauptelektrode (97) und der Steuerelektrode (99) einschaltbar ist (F i g. 6 bis
10).
Die Erfindung bezieht sich auf einen unidirektionalen (in nur einer Richtung leitenden) gesteuerten Halbleitergleichrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, insbesondere auf einen Thyristor; vgl.
Heumann, K. und Stumpe, A, G, Thyristoren, 2.
Auflage 1970, B. G. Teubner, Stuttgart, S. 34,35.
Rückwärts sperrende Thyristoren mit drei Anschlüssen haben ein Halbleitersubstrat aus vier aufeinanderfolgenden Schichten, die p-, n-, p- bzw. n-leite_>d sind,
ίο eine Anoden- und sine Kathodenelektrode mit niedrigem Kontaktwiderstand zur zugehöriger· p- bzw.
n-leitenden Endschicht und eine Steuerelektrode auf der einen Zwischenschicht in der Nähe der Kathodenelektrode. Derartige Thyristoren können aus dem (hochoh-
migen) vorwärts sperrenden Zustand in einen leitenden 'Zustand umgeschaltet werden, indem eine verhältnismäßig kleine Steuerspannung zwischen die Steuerelektrode und die Kathodenelektrode so gelegt wird, daß die
Steuerelekl.ode in bezug auf die Kathodenelektrode ein
positives Potential annimmu Auf diese Weise können
sehr große Leistungen im Vergleich zu der in die Steuerelektrode eingespeisten Leistung gesteuert werden.
Bei derartigen Thyristoren, die im folgenden kurz als
kathodenseitig steuerbare Thyristoren bezeichnet werden, liegt die Steuerelektrode in der Nähe der
Kathodenelektrode und wird die Steuerspannung zwischen Kathoden- und Steuerelektrode eingespeist
Bei einem anderen Thyristor, der im folgenden als
JO anodenseitig steuerbarer Thyristor bezeichnet wird,
wird die Steuerspannung zwischen Anoden- und Steuerelektrode angelegt. Diese zweite Bauart von
Thyristoren ist ebenfalls in manchen Fällen vorteilhaft Zum Beispiel sind in einem herkömmlichen Phasenstel
ler zur gesteuerten Einspeisung von Wechselstromlei
stung in eine Last zwei rückwärts sperrende Thyristoren mit drei Anschlüssen (kathodenseitig steuerbare Thyristoren) antiparallel geschaltet, wobei die einzelnen
Thyristoren mit getrennten Ansteuerschaltungen ausge
stattet sind. Wenn einer der beiden -iiiyristoren durch
einen anodenseitig steuerbaren Thyristor ersetzt wird, braucht nur eine einzige Ansteuerschaltung für beide
Thyristoren vorgesehen zu werden, wodurch der Phasensteller wesentlich vereinfacht wird. Aus Heu
m a η η, K. und S t u m ρ e, A. C, Thyristoren, 2. Auflage
1970, B. G. Teubner, Stuttgart, S. 34,35, F i g. 35.1 ist ein
anodenseitig steuerbarer Thyristor mit indirekter Steuerelektrode (remote gate) bekannt. Bei diesem
Thyristor ist in die äußere p-leitende Schicht in der
Nähe der Anodenelektrode eine n-Ieitende Hilfszone
eingelassen, auf der unmittelbar die Steuerelektrode vorgesehen ist
Gewöhnlich wird angenommen, daß ein derartiger anodenseitig steuerbarer Thyristor einfach durch
Umkehrung des Leitfähigkeitstyps der entsprechenden vier Schichten des Substrats eines kathodenseitig
steuerbaren Thyristors erhalten werden kann. In diesem Fall ist die Steuerelektrode mit der Basisschicht neben
«Her Anode (Emitter) verbunden. Tatsächlich ist es
jedoch sehr schwierig, einen derartigen anodenseitig
steuerbaren Thyristor herzustellen, wie weiter unten näher erläutert werden wird.
Nahezu alle im Handel erhältlichen Thyristoren besitzen für das Halbleitersubstrat ein hochohmiges
b~> n-leitendes Halbleitermaterial. Beim anodenseitig
steuerbaren Thyristor hat die η-leitende Basisschicht benachbart zur p-leitenden Emitterschicht von den vier
Schichten den höchsten spezifischen Widerstand.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7634371A JPS5229592B2 (de) | 1971-10-01 | 1971-10-01 | |
| JP7709871A JPS5229593B2 (de) | 1971-10-04 | 1971-10-04 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2248005A1 DE2248005A1 (de) | 1973-04-12 |
| DE2248005B2 DE2248005B2 (de) | 1979-02-01 |
| DE2248005C3 true DE2248005C3 (de) | 1979-09-27 |
Family
ID=26417486
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19722248005 Expired DE2248005C3 (de) | 1971-10-01 | 1972-09-29 | Unidirektionaler gesteuerter Halbleitergleichrichter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE2248005C3 (de) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SE435436B (sv) * | 1983-02-16 | 1984-09-24 | Asea Ab | Tvapoligt overstromsskydd |
-
1972
- 1972-09-29 DE DE19722248005 patent/DE2248005C3/de not_active Expired
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE2248005B2 (de) | 1979-02-01 |
| DE2248005A1 (de) | 1973-04-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |