DE2346256C3 - Thyristor - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens
vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, von denen die ersten drei Zonen eine Emitterzone,
eine erste und eine zweite Basiszone bilden, mit einer Steuerelektrode auf der ersten Basiszone und mit einem
zwischen Emitter und Steuerelektrode in der ersten Basiszone liegenden, mindestens eine Ausnehmung
aufweisenden Ballastsegment vom Leitungstyp der ersten Emitterzone.
Ein solcher Thyristor ist beispielsweise in der DE-OS 47 342 beschrieben worden. Die Ballastsegmente
haben hier den Zweck, die Steuerempfindlichkeit so stark wie möglich zu erhöhen.
Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Thyristor der eingangs
erwähnten Art so weiterzubilden, daß beim Überkopfzünden des Thyristors (Zünden durch Überschreiten der
Nullkippspannung) eine hohe Einschaltbelastung zugelassen werden kann.
Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen Bereich aufweist, dessen Durch-■
> bruchspannung niedriger ist als die des übrigen Halbleiterkörpers, daß dieser Bereich innerhalb des
Ballastsegmentes liegt, daß der Emitter mit einer Nase versehen ist, die in die Ausnehmung des Ballastsegmentes
hineinragt, daß die Nase des Emitters den Bereich κι überlappt und daß die Zündelektrode den Bereich
weitgehend überdeckt
In der DE-OS 21 42 204 ist zwar ein Thyristor
beschrieben worden, der einen Bereich mit geringerer Durchbruchspannung aufweist In der DE-OS 21 40 700
ι ί ist weiterhin ein Thyristor beschrieben worden, dessen
Emitterzone mit einer Nase versehen ist Diese Nase hat jedoch den Zweck, den Thyristor mit geringen
Steuerströmen einzuschalten sowie die di/dt-Belastbarkeit zu steigern. Hinweise auf die dem Anmeldungsgegenstand
zugrunde liegende Aufgabenstellung sind beiden Vorveröffentlichungen nicht zu entnehmen.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung wird an Hand zweier Ausführungsbei- >i spiele in Verbindung mit den F i g. 1 bis 4 näher
erläutert. Es zeigen
F i g. 1 und 2 das Halbleiterelement eines ersten Ausführungsbeispiels im Schnitt und in der Aufsicht und
Fig.3 und 4 das Halbleiterelement eines zweiten in Ausführungsbeispiels im Schnitt und in der Aufsicht.
Das Halbleiterelement nach F i g. 1 weist vier Zonen 1, 2, 3 und 4 mit abwechselnd entgegengesetzten
Leitungstyp auf. Die Zone 1 bildet den Emitter, die Zone 2 eine erste Basis, die Zone 3 die zweite Basis und die
Zone 4 einen weiteren Emitter. Der Emitter 1 ist mit einer Emitterelektrode 5 und die erste Basiszone 2 mit
einer Zündelektrode 6 versehen. Der weitere Emitter 4 ist mit einer weiteren Emitterelektrode 7 verbunden. In
der zweiten Basiszone 3 ist ein Bereich 9 vorgesehen, dessen Durchbruchspannung durch höhere Dotierung
niedriger als die Durchbruchspannung außerhalb des Bereiches 9 ist. Der Bereich 9 wird von der
Zündelektrode 6 weitgehend überdeckt. In der ersten Basiszone 2 ist ein Ballastsegment 8 vorgesehen, das die
Ii Zündelektrode 6 teilweise umschließt. Das Ballastsegment 8 weist eine Ausnehmung 13 (F i g. 2) auf. In diese
Ausnehmung ragt eine Nase 10 des zwischen dem Emitter 1 und der ersten Basis 2 liegenden pn-Überganges
14 hinein. Die Nase 10 überlappt innerhalb der Ausnehmung 13 den Bereich 9 etwas. Das Ballastsegment
8 weist den gleichen Leitungstyp wie der Emitter 1 auf und kann gleichzeitig mit diesem z. B. durch
Diffusion hergestellt werden. Die der Ausnehmung 13 zugekehrten Enden des Ballastsegmentes 8 sind mit
Fortsätzen 11,12 versehen, die zwischen der Zündelektrode
6 und denjenigen Stellen der Nase 10 liegen, die bezüglich der Zündelektrode konvex ausgebildet sind.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird angenommen, daß an der Hauptstrecke des Thyristors, d. h. an
den Elektroden 5 und 7 des Thyristors eine die Durchbruchspannung des aus der Basis 2, dem Bereich 9
in der zweiten Basis 3 und der weiteren Emitterzone 4 bestehenden Elementes übersteigende Spannung angelegt
wird. Der beim Durchbruch fließende Lawinenstrom fließt in der Richtung des Pfeils von der Elektrode
7 in Richtung der Zündelektrode 6. Diese überdeckt den Bereich 9 weitgehend und bewirkt, daß der erwähnte
Lawinenstrom, der das Überkopfzünden einleitet, zuerst
zur Zündelektrode 6 und nicht direkt zum Emitter 1 fließt Das die Zündelektrode 6 teilweise umgebende
Ballastsegment 8 bildet einen so hohen Widerstand für diesen Strom, daß er praktisch nur noch durch die
Ausnehmung 13 zur Nase 10 des Emitters 1 abfließen kann. Er wird durch das Ballastsegment 8 auf eine relativ
kleine Fläche konzentriert und fließt durch den Innenrand des pn-Oberganges 14 zur Emitter-Elektrode
5. Der spezifisch hohe Zündstrom führt daher an der Nase 10 des pn-Oberganges 14 von vorneherein zu
einem reiativ gleichmäßigen, linienförmigen Durchsteuern
des Emitters. Entlang dieser Linie beginnt der Laststrom zu fließen. Die Nase 10 des Emitters 1
überlappt den Bereich 9 geringfügig. Die Überlappung beträgt zweckmäßigerweise nicht mehr als 1 mm. Durch
die Überlappung wird erreicht, daß die vom Innenrand des Emitters 14 emittierten Elektronen innerhalb des
Bereiches 9 in die in den Zonen 2 und 3 liegende Raumladungszone fließen. Diese Ladungsträger werden
wegen der in der Raumladungszone im Bereich 9 herrschenden hohen Feldstärke stark beschleunigt und
erzeugen dort aufgrund hoher Ladungsträgermultiplikationen einen Strom, der schnell ansteigt und in kurzer
Zeit die Basiszonen 2 und 3 in der Nähe des Innenrandes des pn-Überganges 14 mit Ladungsträgern überschwemmt.
Damit bleibt ein relativ großflächiger Zündbereich erhalten.
Die Fortsätze U und 12 des Ballastsegments 8 umgeben die Nase 10 des Emitters 1 an denjenigen
Stellen, an denen sie bezüglich der Zündelektrode 6 zu gerichtete Ecken aufweist. Damit wird eine Zündung an
den Kanten oder konvexen Stellen des pn-Überganges 14 infolge Spitzenwirkung vermieden. Durch die
Spitzenwirkung würde nämlich der primäre Einschaltvorgang wiederum in einem sehr kleinen Bereich
stattfinden, was zur Überlastung dieses Bereichs infolge hoher spezifischer Belastung durch den Laststrom
führen würde. Die Breite der Ausnehmung beträgt zweckmäßigerweise nicht weniger als etwa 1 mm. Wird
die Ausnehmung kleiner gemacht, so wird entsprechend die Länge der zündenden Linie zu stark verringert, um
noch hohe Einschaltbelastungen zuzulassen.
Die in Verbindung mit den F i g. 1 und 2 beschriebenen Merkmale können auch bei einem Thyristor mit
innerer Zündstromverstärkung Anwendung finden, wie er beispielsweise in den F i g. 3 und 4 dargestellt ist. Teile
mit gleicher Funktion, wie in den F i g. 1 und 2, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Thyristor nach
den F i g. 3 und 4 unterscheidet sich von dem nach den F i g. 1 und 2 im wesentlichen dadurch, daß er einen
Hilfsemitter 16 und eine Hilfsemitter-Elektrode 18 aufweist. Der pn-Ubergang des Hilfsemitters ist mit 19
bezeichnet. Der eigentliche Emitter, auch Hauptemitter genannt, ist hier mit 15 bezeichnet, der pn-übergang
zwischen dem Hauptemitter 15 und der ersten Basis 2 trägt das Bezugszeichen 20. Der Hauptemitter 15 ist mit
einer Hauptemitter-Elektrode 17 versehen. Die Zündelektrode 21 ist im wesentlichen kreisförmig ausgebildet
und in der Nähe der Ausnehmung 13 abgeflacht. Dadurch wird eine große Überdeckung des Bereiches 9
erzielt, ohne die Nase 10 zu berühren. Die Zündelektrode kann jedoch auch hier kreisförmig ausgebildet sein.
Die Zündelektrode im Ausführungsbeispiel nach F i g. 2 kann auch die Form der Zündelektrode 21 aufweisen.
Die Funktionsweise des aus dem Hilfsemitter 16, der ersten Basis 2, der zweiten Basis 3 und des weiteren
Emitter 4 bestehenden Hilfsthyristors und des aus den Zonen 2, dem Bereich 9 und der Zone 4 bestehenden
Elements ist mit dem Thyristor nach den F i g. 1 und 2 identisch. Der aus der Zündelektrode 6 in den
Hilfsemitter 16 fließende Durchbruchsstrom zündet den Hilfsthyristor am Innenrand des pn-Überganges. Damit
fließt ein Laststrom ausgehend von der Elektrode 7 über den Hilfsemitter 16 zur Hilfsemitter-Elektrode 18.
Dieser Laststrom fließt zum Hauptemitter 15 und dient als Zündstrom für den aus den Zonen 1, 2, 3 und 4
bestehenden Hauptthyristor.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten
Leitungstyps, von denen die ersten drei Zonen eine Emitterzone, eine erste und eine zweite
Basiszone bilden, mit einer Steuerelektrode auf der ersten Basiszone und einem zwischen Emitter und
Steuerelektrode in der ersten Basiszone liegenden, mindestens eine Ausnehmung aufweisenden Ballastsegment vom Leitungstyp der ersten Emitterzone,
dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen Bereich (9) aufweist, dessen
Durchbruchspannung niedriger ist als die des übrigen Halbleiterkörpers, daß dieser Bereich (9)
innerhalb des Ballastsegmentes (8) liegt, daß der Emitter (1) mit einer Nase (10) versehen ist, die in die
Ausnehmung (13) des Ballastsegmentes hineinragt, daß die Nase (10) des Emitters (1) den Bereich (9)
überlappt und daß die Zündelektrode (6, 21) den Bereich (9) weitgehend überdeckt.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nase (10) den Bereich (9) um
höchstens 1 mm überlappt.
3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (13) mindestens
1 mm breit ist
4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ballastsegment (8) an seinen der
Ausnehmung (13) zugekehrten Enden mit Fortsätzen (11, 12) versehen ist, die zwischen der
Zündelektrode (6) und denjenigen Stellen der Nase (10) liegen, die bezüglich der Zündelektrode (6)
konvex sind oder auf die Zündelektrode zu gerichtete Ecken aufweisen.
5. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand
in dem Bereich (9) 10 bis 40% niedriger als außerhalb des Bereiches ist.
6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zündelektrode (6)
im wesentlichen kreisförmig ausgebildet und in der Nähe der Ausnehmung (13) abgeflacht ist.
7. Verwendung des Thyristors nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Hilfsthyristor in einem
Thyristor mit innerer Zündverstärkung.
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