DE2406866C3

DE2406866C3 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter

Info

Publication number: DE2406866C3
Application number: DE2406866A
Authority: DE
Inventors: Yoshio Hitachi Terasawa (Japan)
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-02-14
Filing date: 1974-02-13
Publication date: 1978-07-13
Also published as: DE2406866B2; JPS5532027B2; JPS49107184A; SE399609B; US3943548A; DE2406866A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Halbleitergleichrichter mit einer Halbleiterscheibe mit einander gegenüberliegender erster und zweiter Hauptoberfläche und wenigstens vier zusammenhängenden Schichten von abwechselnd entgegengesetzten Leitungstypen unter Bildung von pn-Übergängen zwischen benachbarten Schichten, der durch einen von einer Steuerelektrode zugeführten Steuerstrom eingeschaltet wird.

Ein steuerbarer Halbleitergleichrichter, der durch einen Steuerstrom eingeschaltet wird, umfaßt allgemein eine Halbleiterscheibe eines pnpn-Aufbaus, der aus vier zusammenhängender, Schichten von abwechselnd entgegengesetzten Leitungstypen, einem Paar von Hauptelektroden im ohmschen Kontakt mit der freiliegenden Oberfläche der äußeren p-Schicht bzw. der äußeren η-Schicht und einer Steuerelektrode im Kontakt mit

dem freiliegenden Operflächenteil einer der Zwischenschichten besteht.

Der Einschaltmechanismus des Halbleitergleichrichters ist derart, daß eine kleine Zone des Vierschichtbereichs in der Nachbarschaft der Steuerelektrode anfänglich im Ansprechen auf die Zuführung des Steuerstroms eingeschaltet, d, h. in den leitenden Zustand gebracht wird und diese zuerst eingeschaltete Zone mit dem Zeitablauf nächst, bis der gesamte Bereich eingeschaltet ist Wenn daher die Anstiegsgesch windigkeit dij/dtues einfließenden Stromes während des Einschaltens des Halbleitergleichriehters beträchtlich hoch ist, wird durch die Dichte des Laststroms in der begrenzten Zone des Vierschichtbereichs in der Nähe der Steuerelektrode (d.h. in der geringen anfänglich eingeschalteten Teilzone) übermäßig groß, und die Temperatur in dieser Zone steigt unzulässig bis zu einer solchen Höhe an, daß der Halbleitergleichrichter schließlich einen Wärmezusammenbruch erleiden kann.

Es wurden bereits verschiedene Methoden vorgeschlagen, um dieses unzuverlässige Wärmeversagen durch Steigerung der Fähigkeit des steuerbaren Halbleitergleichriehters, eine starke Haupiatromanstiegsgeschwindigkeit c/zV/dr auszuhalten, zu verhindern. Beispielsweise wurde ein Vorschlag gemacht, wonach die Steuerelektrode eines solchen Halbleitergleichrichters ringförmig ausgebildet wird, so daß der anfängliche Leitzustand am gesamten Umfang des Vierschichtbereichs gegenüber der ringförmigen Steuerelektrode auftreten kann. Jedoch ist dieser Vorschlag noch jo insofern unvollkommen, als ein übermäßig starker Steuerstrom zum Einschalten des Halbleitergleichriehters erforderlich ist.

Die am meisten erwünschte Bedingung für einen steuerbaren Halbleitergleichrichter ist, daß eine mögliehst große Zone des Halbleitergleichrichters mit einer geringen Steuerstromleistung schnell eingeschaltet werden kann. Ein Halbleitergleichrichter mit Steuerverstärkung erfüllt diese Bedingung. Ein solcher Halbleitergleichrichter ist z. B. in der US-PS J5 26 815 beschrieben und umfaßt eine Halbleiterscheibe, die aus vier zusammenhängenden Schichten von pnpn-Aufbau besteht, wobei die äußerste η-Schicht dieser Halbleiterunterlage eine Hauptzone und eine Hilfszone enthält, die von der Hauptzone durch einen Teil der angrenzenden Zwischenschicht isoliert ist und einen geringeren Querschnitt als den der Hauptzone aufweist, wobei weiter ein Paar von Hauptelektroden in ohmschem Kontakt mit der Oberfläche der äußeren p-Schicht und der Oberfläche der Hauptzone der äußeren η-Schicht angebracht ist, eine Steuerelektrode sich im Kontakt mit dem an die Hilfszone angrenzenden und von der Flauptzone entfernten Teil der Zwischenschicht befindet und schließlich eine Hilfselektrode die Oberfläche der Hilfszone mit der Zwischenschicht verbindet. Der Einschaltmechanismus dieses Halbleitergleichrichters ist derart, daß der Vierschichtbereich oder »Hilfsthyristor«, dessen Endschicht die Hilfszone ist, anfänglich durch einen von der Steuerelektrode zugeführten Steuerstrom eingeschaltet und ein aufgnind des Einschaltens des Hilfsthyristors fließender Laststrom als Steuerstrom zum Einschalten des Vierschichtbereichs, dessen Endschicht die Hauptzone ist, d.h. zum Einschalten des »Hauptthyristors« verwendet wird. Ein solcher Halbleitergleichrichter läßt sich mit einem geringen Steuerstrom schnell über einen weiten Volumenteil oder Querschnitt einschalten. Jedoch ist auch dieser Halbleitergleichrichter noch nicht völlig befriedigend. Genauer gesagt, muß aufgrund der Tatsache, daß die Einschaltzone des Hmipuhyristors durch die Länge der Hilfselektrode gegenüber der Hauptzone bestimmt wird, der dem Haupithyristor zugeführte Steuerstrom, U. h, der aufgrund des Einschaltens des Hilfsthyristors fließende Laststrom mit dem Wachsen der Länge der Hilfselektrode gegenüber der Hauptzone verstärkt werden, und um den aufgrund des Einschaltensdes Hilfsthyristors fließenden Laststrom zu verstärken, muß der von der Steuerelektrode zugeführte Steuerstrom stärker sein, um die Einschaltzone des Hilfsthyristors zu erweitern. Daher ist dieser bekannte steuerbare Halbleitergleichrichter insofern unvollkommen, als der Steuerstrom stärker gemacht werden muß, um die Eignung, eine hohe Laststromanstiegsgeschwindigkeit dij/dt während des Einschaltens des Gleichrichters auszuhalten, zu steigern, obwohl er klein im Vergleich mit dem ist, der im Fall der ringförmigen Steuerelektrode erforderlich ist.

Es ist we'ter ein steuerbarer Halbleitergleichrichter der eingangs genannten Art, wobei „ine an eine der äußersten Schichten angrenzende Zvischenschicht unter Bildung eines freiliegenden Teils diese äußerste Schicht umgibt und diese zusammen mit dem frei liegenden Teil der Zwischenschicht die erste hdiiptoberfläcrie bildet, mit einer ersten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit der einen äußersten Schicht an der ersten Hauptoberfläche, mit einer zweiten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit der freiliegenden Oberfläche der anderen äußersten Schicht und mit einer in Kontakt mit der Zwischenschicht unter Abstand von der ersten Hauptelektrode an der ersten Hauptoberfläche befindlichen Steuerelektrode, mit mehreren f lilfszonen, die in der Zwischenschicht mit dazu entgegengesetztem Leitungstyp angeordnet sind, an der ersten Hauptoberfläche freiliegen und eine der Dicke der äußersten Schicht fast gleiche Tiefe aufweisen, und mit einem Leiter in elektrischem Kontakt mit einer der Hilfszonen und einem Teil der Zwischenschicht bekannt (DT-OS 21 09 508). Durch ein Steuersignal wird nur die den Kontaktbereich der Steuerelektrode umgebende ersta Hilfszone in der Zwischenschicht, d.h. eine noch ziemlich begrenzte »Anfangswfläche leitend gemacht, so daß die aushaltbare Anstiegsgeschwindigkeii c/Zf/df des einfließenden Laststroms entsprechend begrenzt ist. Andererseits ist der erforderliche Mindestwert der an diese Anordnung zum Einschalten anzulegenden Spannung unerwünscht hoch.

Eine ähnliche Sachlage gilt für einen anderen bekannten steuerbaren Halbleitergleichrichter der eingangs genannten Art, wobei eine der äußersten Schichten aus einem Mittelbereich und einem diesen umgebenden Umfangsbeveich besteht, weiche Bereiche in eip'ir an diese eine äußerste Schicht angrenzenden Zwischenschicht gebildet und durch einen Feil der Zwischenschicht voneinander getrennt sinti, und wobei die erste Hauptoberfläche wenigstens durch die eine äußerste Schicht und den freiliegenden Teil der Zwischenschicht gebildet ist, mit einer ersten Hauptelektrode in ohmstnem Kontakt mit dem Mittelbereich und dem Uinfangsbereich der einen äußersten Schicht an der ersten Hauptoberfläche, mit einer ,zweiten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit der anderen äußersten Schicht und mit einer im Kontakt mit der Zwischenschicht zwischen dem Umfangsbereich und dem Mittelbereich der einen äußersten Schicht unter Abstand von der ersten Hauptelektrode befindlichen Steuerelektrode, jedoch ohne Hilfszonen (US-PS

34 28 874). bei welchem Halbleitergleichrichter wenigstens ein Widerstands- oder Kondensatorelement mit einer zugehörigen, vorzugsweise ringförmigen Hilfselektrode verbunden und mit der anderen Seite des I.asistronianschlusses verbindbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für die beiden zuletzt erläuterten steuerbaren Halbleitergleichriehtcrlypcn (vgl. DT-OS 2109 508 und US-PS 34 28 874) einen mittels eines speziellen Hilfszonen- und Leitersystems verbesserten Aufbau zu entwickeln, bei dem durch ein Steuersignal eine größere »Anfangswflächc als bisher leitend gemacht werden kann, eine höhere AnMicgsgcschwindigkeitcy/Vdrdcseinfließenden Haupt Stroms tolerierbar ist und ein geringerer Mindcstwcrl der zum Einschalten anzulegenden Spannung ausreicht.

Diese Aufgabe wird im Fall des erstgenannten Halblcitergleichrichtertyps erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine erste Hilfszone und eine zweite ■ liiiS/r.nc sie.· .ang; '.verügs.ens eines . e!.s ~es ^.m.angs der einen äußersten Schicht unter Abstand davon und unter gegenseitigem Abstand erstrecken, wobei die eine äußerste Schicht näher zur ersten Hilfszone als zur zweiten Hilfszone ist, daß eine dritte Hilfszone und eine vierte Hilfszone zwischen der ersten Hilfszone und der einen äußersten Schicht sich längs wenigstens eines Teils des Umfanps der einen äußersten Schicht unter gegenseitigem Abstand erstrecken, wobei die eine äußerste Schicht näher zur dritten Hilfszone als /ur vierten Hilfsznnc ist, daß ein Leiter in elektrischem Kontakt mit der ersten Hilfszone, der zweiten Hilfszonc und dem Teil der Zwischenschicht zwischen der ersten und der zweiten Hilfszone angeordnet ist, und daß die Steuerelektrode im elektrischen Kontakt mit dem freiliegenden Oberflächenteil der Zwischenschicht zwischen der dritten Hilfszone und der vierten Hilfszonc und mit der vierten Hilfszone gegenüber der ersten ist.

Weitere Ausgestaltungen dieser Lösung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 gekennzeichnet.

Die genannte Aufgabe wird im Fall des zweitgenannten Halblcitergleichrichtertyps erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine erste Hilfszone und eine zweite Hilfszone in dem Teil der Zwischenschicht zwischem dem IJmfangsbereich und dem Mittelbereich der einen äußersten Schicht mit dazu entgegengesetztem Leitungstyp gebildet sind, welche Hilfszonen an der Hauptoberfläche unter gegenseitigem Abstand freiliegen, sich stetig kreisförmig so erstrecken, daß sie den Mittelbereich der einen äußersten Schicht teilweise umgeben, jedoch einen Abstand davon aufweisen, eine der Dicke der einen äußersten Schicht fast gleiche Tiefe haben und an ihren '.nden miteinander verbunden sind, daß kleine, bogenförmige, dritte Hilfszonen unterhalb der Steuerelektrode ausgebildet sind, und daß ein Leiter in elektrischem Kontakt mit der ersten Hilfszone, der zweiten Hilfszone und dem Teil der Zwischenschicht angeordnet ist, der zwischen der ersten und der zweiten Hilfszone an der ersten Hauptoberfläche liegt.

Die I-ösung beruht in beiden Alternativen auf dem Prinzip, daß ein Leiter im Kontakt mit zwei die eine äußerste Schicht bzw. deren Mittelbereich umgebenden Hilfszonen und dem dazwischenliegenden Teil der Zwischenschicht vorgesehen ist und daß die Steuerelektrode Kontakt mit einer weiteren Hilfszone hat, sie sich zwischen einer der beiden erstgenannten Hilfszonen und der genannten äußersten Schicht bzw. deren Mittelbereich befindet.

Beide Lösungen gewährleisten das Leitendmachen einer vergrößerten »Anfangswfläche durch ein Steuerstgnal, das Aushalten einer höheren Hauptstrom-Ansticgsgeschwindigkeit und das Ausreichen eines geringeren Mindestwertes der zum F.inschalten anzulegenden Spannung im Vergleich mit dem Stand der Technik. Ausführungsbeispicle der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher crläuterl;darin zeigt

Fig. I eine schematisehe Aufsicht eines ersten Ausführungsbeispicls der Erfindung,

Fig. 2 einen schematischen Schnitt nach der Linie ίο VIlI-VIII in Ii g. 1.

Fig. 3 eine schematisehe Aufsicht eines zweiten Ausführungsbcispiels der Erfindung.

Fig. 4 einen sehcmatischcn Schnitt nach der Linie X-X in F ig. J₁

Fig. 5 eine schematisehe Aufsicht eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

F i g. 6 einen schematischen Schnitt nach der Linie XIV-XIV in Fig. 5.und

Viol pin Iiiaoramm 7iir Vpransrhaiilirhnnp Hrr ■ ■ c- ■ — - —c- - ■-■

Ergebnisse von Messungen der verbrauchten Leistung in Abhängigkeit von der Zeit während des Einschalten« eines bekannten steuerbaren Halbleitergleichrichter« und einer Form des steuerbaren llalblcitergleichrich ters gemäß der Erfindung.

Fig. 1 und 2 veranschaulichen ein erstes Ausfüh rungsbcispiel der Erfindung, bei dem eine größere Zone als die beim bekannten Halbleitergleichrichter de; Verstärkt gstortyps beim Ansprechen auf das Zuführcr eines Steuerstroms anfänglich eingeschaltet werdcr kann. Man erkennt eine Halbleiterscheibe 11 mit einei p-Emitterschicht /';. einer n-Bashschicht Np, cinci p-Basisschicht Pe und einer n-Emiiterschicht N/, die ir der genannten Reihenfolge angeordnet sind. Ein Paai von Haupteleklroden 12 und 13 sind in niedrigohm schem Kontakt mit den Schichten P_f bzw. Nr an der Hauptoberflächen 111 bzw. 112 angebracht. Ein Leitei 14 ist im Kontakt mit dem freiliegenden Teil der Schich /Lander Hauptoberfläche 112, um als Steuerelektrode zu dienen. Die pn-Übergänge zwischen den viel

■»<) Schichten sind mit /,, J₂ und /j bezeichnet. Gemäß F i g. 1 und 2 sind nun eine ringförmige dritte Hilfszone 18 von η-Typ und eine ringförmige vierte Hilfszone 19 von η-Typ parallel zueinander zwischen der ersten Hilfszon« 16 und der Schicht Ne unter im wesentlichen gleichet

•»5 Abständen ausgebildet und reichen in die Schicht P₁ längs des Außenrandteils der Schicht Ne hinein. Eil ringförmiger Leiter 20 ist im Kontakt mit den Oberflächenteil der Schicht P_B zwischen der drittel Hilfszone 18 und der vierten Hilfszone 19 und mit den Oberflächenteil der vierten Hilfszone 19, die zur erstei Hilfszone 16 näher liegt. Bei diesem Ausführungsi.ei spiel wird die vierte Hilfszone 19 anfänglich in Ansprechen auf die Zuführung des Steuerstroms /c von Leiter 14 eingeschaltet. Der aufgrund der Einschaltuni

der vierten Hilfszone 19 auftretende Einschaltstrom /V fließt durch die vierte Hilfszone 19, den Leiter 20 um den Teil der Schicht P_B zwischen der dritten Hilfszom 18 und der vierten Hilfszone 19, um durch den Teil de pn-0berganges h zwischen den Schichten Ne und Peii

to die Hauptelektrode 13 zu fließen, welcher Teil zu Hauptoberfläche 112 parallel liegt. So wirkt diese Strom /Vi als Steuerstrom zum Einschalten de Außenrandkantenteils der Schicht Ne gegenüber der Leiter 20. Ein solcher Einschaltmechanismus ist ähnlic

f>5 dem des bekannten Verstärkungstortyps. Bei der Ausführungsbeispiel der Erfindung fließen jedoch de vom Leiter 14 zur vierten Hilfszone 19 fließend Steuerstrom und der vom Leiter 20 zur Schicht Λ

fließende Einschaltstrom in die Hauptelektrode 13 durch die Teile der entsprechenden pn-Übergänge Jy und Ji zwischen der vierten Hilfszone 19 und der Schicht Pe bzw. zwischen den Schichten Λ/fund Pb, welche Teile parallel zur Hauptoberfläche 112 liegen. Daher läßt sich die anfänglich eingeschaltete Fläche der Schicht Ne steigern, und der zum Einschalten des Hauptthyristors Pf— Nb- Pb- Ne erforderliche Einschaltstromwert auf wender als die Werte beim bekannten Verstärkungstortyps verringern. So kann der Schaltleistungsverlust to im Hilfs- und Hauptthyristor gesenkt werden. Mit anderen Worten läßt sich das Schaltleistungsverhalten bei dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich mit dem bekannten Verstärkungstortyp beträchtlich verbessern, wenn gleiche Steuerstrom- und Hauptstromwerte wie beim damit verglichenen bekannten Halbleitergleichrichter vorausgesetzt werden. Es wurde experimentell bestätigt, daß sich die Schaltleistungskapazität um etwa 30% steigern läßt.

UDWuni uie um ic ruiiszorie io, uie vierte niiiszune

schwir.digkeit des Einschaltquerschnitts variiert ebenfalls unter den einzelnen Gleichrichtern, wenn der c//V/df-Wert in der Anfangsperiode des Einschaltvorganges gering ist. Daher war ein System mit einer Parallelschaltung einer Mehrzahl solcher bekannter Halbleitergleichrichter des Verstä.rkungstortyps insofern fehlerhaft, als die Einschaltstromwerte der einzelnen Gleichrichter innerhalb eines weiten Bereichs fluktuierten, was zu einem Ungleichgewicht oder zu einer Unausgeglichenheit der Einschaltstromverteilung unter den einzelnen Gleichrichtern führte, wenn der t/zVdf-Wert im Anfangsstadiurn des Einschaltvorganges gering war und kein Verstärkungseffekt erwartet werden konnte. Ein solcher Nachteil wird bei dem ersten und zweiten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung beseitigt, da auch bei geringem d/V/df-Wert im Anfangsstadium des Einschaltvorganges und bei nicht zu erwartendem Verstärkungseffekt ein bestimmter Querschnitt im Umfangsteilder Schicht Ne gegenüber

zu ucni lciici i\i vcnauiicii uuiui ucn aieuciMiuimcn /c 2

und der Leiter 20 in dem in Fig. I und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mit ringförmiger Gestalt um den Umfang der Schicht Nr vorgesehen sind, müssen diese Teile nicht notwendig ringförmig sein, da sich ihre Gestalt nach dem gewünschten Querschnitt richtet, der anfänglich eingeschaltet wird.

Fig.3 und 4 veranschaulichen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem sich der anfänglich eingeschaltete Querschnitt trotz eines nur geringen Steuerstromwertes wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und 2 erweitern läßt. Beim Halbleitergleichrichter nach Fig. 3 und 4, der eine Abwandlung des in F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ist, läßt sich die durch den Steuerstrom eingeschaltete Zone erweitern und die Schaltleistungskapazität steigern. Gemäß Fig. 3 und 4 ist die Beziehung zwischen den Leitern 14 und 20 gegenüber der nach Fig. 1 und 2 umgekehrt, so daß ein Teil /c 2 des Steuerstroms ic in den Teil der Schicht Nfgegenüber dem Leiter 20 fließen kann, wodurch die durch den Steuerstrom eingeschaltete Zone erweitert wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Leiter 20 verhältnismäßig dicht beim Leiter 14 angeordnet, so daß die Dichte je 1 des Steuerstromtcils /ei, der in den Leiter 14 fließt, größer als die Dichte je 2 des Steuerstromteils ic 2 ist, der in die Schicht Ne fließt. Daher beginnt der Einschaltstrom /n im Ansprechen auf die Zuführung des Steuerstromteils ia\ anfänglich in den Teil direkt unterhalb des Leiters 14 zu fließen, und dann fließt ein Einschaltstrom /7-2 im Ansprechen auf die Zuführung des Steuerstromteils ic 2- Nach diesem Ausführungsbeispiel können die Steuerstromteile ic 1 und ic 2 einen weiten Querschnitt auch dann einschalten, wenn die Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms (dir/dt) im Anfangsstadium des Einschaltvorgangs derart verhältnismäßig klein ist, daß der an die Hauptelektrode 13 angrenzende Teil durch den Einschaltstromteil /Vi, der durch den Leiter 14 in die Hauptelektrode 13 fließt, nicht eingeschaltet werden kann. Bei dem bekannten Halbleitergleichrichter des Verstärkungstortyps war es nicht möglich, anfänglich fio einen weiten Querschnitt einzuschalten, falls nicht der tftVdi-Wert in der Anfangsperiode des Einschaltvorgangs beträchtlich höher war.

Weiter unterscheidet sich bei den bekannten steuerbaren Halbleitergleichrichtern des Verstärkungstortyps der anfänglich im Umfangsteil der Schicht Ne gegenüber dem Leiter eingeschaltete Querschnitt von Gleichrichter zu Gleichrichter, und die Ausbreitungsgeentsprechend vorstehenden Erläuterungen eingeschaltet werden kann.

Weiter hat das obenerwähnte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung die folgenden Vorteile gegenüber dem bekannten Halbleitergleichrichter des Verstärkungstortyps: Wenn beim bekannten Halbleitergleichrichter des Verstärkungstortyps der Haltestrom von der zweiten Steuerelektrode zur Kathode fließt, tritt zwischen diesen Elektroden ein Spannungsabfall auf. Dagegen tritt bei diesem Ausfuhrungsbeispiel ein solcher Spannungsabfall nicht auf, da der Umfang der Schicht Nf gegenüber dem Leiter 14 unverzüglich auch durch einen geringen Steuerstrom eingeschaltet wird. So ist bei diesem Ausführungsbeispiel die »Fingerspannung«, d. h. die mindestens erforderliche vorwärts angelegte Spannung zum Einschalten des Gleichrichters geringer als die beim bekannten Halbleitergleichrichter des Verstärkertortyps. Wenn zwei Halbleitergleichrichter mit verschiedenen Fingerspannungen parallel geschaltet werden, wird der Gleichrichter mit der niedrigeren Fingerspantiung zunächst eingeschaltet, bir die vorwärts daran angelegte Spannung aufgrund des Anstiegs des Vorwärtsstroms durch den Gleichrichter, der bereits eingeschaltet wurde, seine Fingerspannung erreicht. So ist demnach die Unausgeglichenheit der Vorwärtsströme durch die zwei Gleichrichter bei diesem Ausführungsbeispiel, die direkt parallel geschaltet sind, geringer als diejenige beim bekannten Halbleitergleichrichter des Verstärkungstortyps.

Fig.5 und 6 veranschaulichen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich etwas von den vorangehenden Ausführungsbeispielen, indem die η-Schicht Ne in einen mittleren kreisförmigen Teil und einen diesen Teil umgebenden ringförmigen Teil unterteilt ist, die erste Hilfszone 24 und die zweite Hilfszone 25 von offenendiger ringförmiger Gestalt mit einander zugewandten offenen Enden und in der p-Schicht Pb in wesentlich gleichen Anständen zwischen dem mittleren kreisförmigen Teil und dem ringförmigen Teil der η-Schicht Ne angeordnet sind, der Leiter 14 ebenfalls von offenendiger ringförmiger Gestalt und auf dem Teil der Oberfläche der Schicht Pb zwischen der ersten Hilfszone 24 und der zweiten Hilfszone 25 zwecks Kontakts mit der Oberfläche dieser Hilfszonen 24 und 25 angeordnet ist und die Steuerelektrode 20 von bogenförmiger Gestalt und auf dem Teil der Oberfläche der Schicht Pb zwischen den offenen Enden des Leiters

14 vorgesehen ist. Der Einschaltmechanismus dieses Halbleitergleichrichters ist derart, daß die erste Hilfszone 24 und die zweite Hilfszone 25 anfänglich durch den vom Leiter 14 diesen Hilfszonen 24 und 25 zugeführten Steuerstrom eingeschaltet werden und dann der mittlere kreisförmige Teil und der ringförmige Teil der Schicht Ne in einer der im Zusammenhang mit den vorangehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen ähnlichen Weise eingeschaltet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel fließt der von der Steuerelektrode 20 zugeführte Steuerstrom in die erste Hilfszone 24 und in die zweite Hilfszone 25 eher, als daß er in die Schicht Ne fließt. Weiter sollen bei diesem Ausfuhrungsbeispiel kleine dritte Hilfszonen 23 von bogenförmiger Gestalt unterhalb der Steuerelektrode 20 ausgebildet sein. Der Halbleitergleichrichter mit einem solchen Aufbau ist insofern vorteilhaft, als sich seine zulässige Anstiegsgeschwindigkeit dir/dt im Anfangsstadium des Einschaltvorgangs auf höhere Werte als die des zweiten Ausführungsbeispiels steigern läßt.

Fig. 7 zeigt die Meßergebnisse des Leistungsverlustes bzw. -Verbrauchs /> χ vf (kW), wenn Strom von Sinuswellenform mit einem Spitzenwert von 2000 A und einer Impulsbreite von 80 \istc einem bekannten Halbleitergleichrichter des Verstärkungstortyps bzw. einer Ausführungsart des erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichters zugeführt wird. Der Laststrom beginnt bei der Zeit / = 0 zu fließen. Die Kurve A entspricht dem Leisixngsverbrauch des bekannten Verstärkungstorilyp-Halbleitergleichrichters und die Kurve C dem Leistungsverbrauch des Gleichrichters nach dem dritten Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung. Die Länge des Leiters gegenüber der Schicht Ne ist im Fall der Kurve A 16,4 mm und im Fall der Kurve C 26,2 mm. Die in Fig. 7 veranschaulichten Meßergebnisse lassen erkennen, daß sich der Temperaturanstieg in der durch den Steuerstrom eingeschalteten Zone erfindungsgemäß erheblich reduzieren läßt. Daher weist der erfindungsgemäße steuerbare Halbleitergleichrichter eine vorzügliche t//Vd/-Eignung bzw. -Kapazität im Vergleich mit dem bekannten Halbleitergleichrichter auf.

Die Beschreibung zeigt, daß beim Halbleitergleichrichter gemäß Fig. 5 und 6 Steuerstrom vom Leiter (Steuerelektrode), der auf der p-Basisschicht Pr angeordnet ist, in einen weiten Bereich des pn-Übergan-

ges J) (oder genauer des Teils des pn-Überganges J], der parallel zur Hauptoberfläche ist) zwischen der n-Emitterschicht Ne und der p-Basisschicht Pb der n-Basisschicht N_Eam nächsten einführen läßt. So lassen sich Elektronen wirksam von der n-Emitterschicht /Vf in einen weiten Bereich der n-Basisschicht Nb zwecks anfänglichen Einschaltens eines weiten Bereichs injizieren.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einer Halbleiterscheibe mit einander gegenüberliegender s erster und zweiter Hauptoberfläche und wenigstens vier zusammenhängenden Schichten von abwechselnd entgegengesetzten Leitungstypen unter Bildung von pn-Obergängen zwischen benachbarten Schichten, wobei eine an eine der äußersten Schichten angrenzende Zwischenschicht unter Bildung eines freiliegenden Teils diese äußerste Schicht umgibt und diese zusammen mit dem freiliegenden Teil der Zwischenschicht die erste Hauptoberfläche bildet, is mit einer ersten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit der einen äußersten Schicht an der ersten Hauptoberfläche,

mit einer zweiten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit der freiliegenden Oberfläche der anderen äußersten Schicht und mit einer in Kontakt mit der Zwischenschicht unter Abstand von der ersten Hauptelektrode an der ersten Hauptoberfläche befindlichen Steuerelektrode, mit mehreren Hilfszonen.die in der Zwischenschicht mit dazu entgegengesetztem Lsitungstyp angeordnet sind, an der ersten Hauptoberfläche freiliegen und eine der Dicke der äußersten Schicht fast gleiche Tiefe aufweisen, und jo mit einem Leiter in elektrischem Kontakt mit einer der Hilfszonen und einem Teil der Zwischenschicht, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Hilfszone (16) und eine zweite Hilfszone (17) sich längs wenigstens eines Teils des ' !mfangs der einen äußersten Schicht (N_E) unter Abstand davon und unter gegenseitigem Abstand erstrecken, wobei die eine äußerste Schicht (Ne) näher zur ersten Hilfszone (16) als zur zweiten Hilfszone (17) ist, daß eine dritte Hilfszone (18) und eine vierte Hilfszone (19) zwischen der ersten Hilfszone (16) und der einen äußersten Schicht (Ne) sich längs wenigstens eines Teils des Umfangs der einen äußersten Schicht (TVy unter gegenseitigem Abstand erstrecken, wobei die eine äußerste Schicht (Ne) näher zur dritten Hilfszone (18) als zur vierten Hilfszone (19) ist,

daß ein Leiter (14) in elektrischem Kontakt mit der ersten Hilfszone, der zweiten Hilfszone und dem Teil der Zwischenschicht zwischen der ersten und der zweiten Hilfszone angeordnet ist, und daß die Steuerelektrode (20) im elektrischen Kontakt mit dem freiliegenden Oberflächenteil der Zwischenschicht (Pb) zwischen der dritten Hilfszone (18) und der vierten Hilfszone (19) und mit der vierten Hilfszone gegenüber der ersten (16) ist.

2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hilfszone (16) und die zweite Hilfszone (17) die eine äußerste Schicht (W^längs deren Außenkante umgeben.

3. Halbleitergleichrichter nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Hilfszone (18) und die vierte Hilfszone (19) die erste äußerste Schicht (Λ/^längs deren Außenkante umgeben.

4. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 oder J, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hilfszone (16) und die zweite Hilfszone (17) an gegenüberliegenden Endteilen miteinander verbunden sind.

5, Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einer Halbleiterscheibe mit einander gegenüberliegender erster und zweiter Hauptoberfläche und wenigstens vier zusammenhängenden Schichten von abwechselnd entgegengesetzten Leitungstypen unter Bildung von pn-Übergängen zwischen benachbarten Schichten, wobei eine der äußersten Schichten aus einem Mittelbereich und einem diesen umgebenden Umfangsbereich besteht, welche Bereiche in einer an diese eine äußerste Schichten angrenzenden Zwischenschicht gebildet und durch einen Teil der Zwischenschicht voneinander getrennt sind, und wobei die erste Hauptoberfläche wenigstens durch die eine äußerste Schicht und den freiliegenden Teil der Zwischenschicht gebildet ist, mit einer ersten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit dem Vtittelbereich und dem Umfangsbereich der einen äußersten Schicht an der ersten Hauptoberfläche,

mit einer zweiten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit der anderen äußersten Schicht und mit einer im Kontakt mit der Zwischenschicht zwischen dem Umfangsbereich und dem Mittelbereich der einen äußersten Schicht unter Abstand von der ersten Hauptelektrode befindlichen Steuerelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Hilfszone (24) und eine zweite Hilfszene (25) in dem Teil der Zwischenschicht (Pb) zwischen dem Umfangsbereich und dem Mittelbereich der einen äußersten Schicht (TVf^ mit dazu entgegengesetztem Leitungstyp gebildet sind, welche Hilfszonen an der Hauptoberfläche unter gegenseitigem Abstand freiliegen, sich stetig kreisförmig so erstrecken, daß sie den Mittelbereich der einen äußersten Schicht teilweise umgeben, jedoch einen Abstand davon aufweisen, eine der Dicke der einen äußersten Schicht fast gleiche Tiefe haben und an ihren Enden miteinander verbunden sind,

daß kleine, bogenförmige, dritte Hilfszonen (23) unterhalb der Steuerelektrode (2fc) ausgebildet sind, und

daß ein Leiter (14) in elektrischem Kontakt mit der ersten Hilfszone (24), der zweiten Hilfszone (25) und dem Teil der Zwischenschicht (Pb) angeordnet ist, der zwischen der ersten und der zweiten Hilfszone an der ersten Hauptoberfläche liegt.