DE2407696B2

DE2407696B2 - Thyristor

Info

Publication number: DE2407696B2
Application number: DE2407696A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 8000 Muenchen Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-02-18
Filing date: 1974-02-18
Publication date: 1978-06-01
Also published as: SE7501795L; JPS5836509B2; FR2261625B1; JPS50120279A; GB1485994A; US3995305A; SE403853B; DE2407696C3; FR2261625A1; CA1014673A; DE2407696A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, von denen die erste einen Hauptemitter und die zweite eine Basis bilden, mit einer mit der Basis verbundenen Steuerelektrode, einem zwischen Hauptemitter und Steuerelektrode liegenden ersten Hilfsemitter und einem zwischen erstem Hilfsemitter und Hauptemitter liegenden zweiten Hilfsemitter.

Ein solcher Thyristor ist bereits in der DE-OS 89 455 beschrieben worden. Die beiden Hilfsemitter bilden mit der genannten Basis und den anderen Zonen des Thyristors den Zündstrom verstärkende Strukturen für den Hauptthyristor, der aus dem Hauptemitter, der genannten Basis und den weiteren Zonen des Halbleiterkörpers besteht. Durch diese Anordnung ist es möglich, den Aufwand für die Steuerstromquelle klein zu halten und trotzdem eine sichere Zündung des Hauptthristors durch einen hohen Steuerstrom zu gewährleisten.

Leistungsthyristoren werden in der Stromrichtertechnik oft mit Kondensatoren aufweisenden Beschallungen versehen, die Spannungsspitzen bedampfen sollen. Beim Zünden des Thyristors entlädt sich der Kondensator über den Thyristor. Dabei treten hohe Ströme mil Stromsteilheiten bis über 1000 Α/μβ auf. Solche extremen Belastungen können bereits zur Zerstörung schon des ersten Hilfsthyristors führen.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß dieser bei Belastungen mit extremen Stromsteilheiten an keiner Stelle zerstört wird.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der der Steuerelektrode zugekehrten wirksamen Randlängen von erstem Hilfsemitter zu zweitem Hilfsemitter einerseits und von zweitem Hilfsemitter zum Hauptemitter andererseits so aufeinander abgestimmt ist, daß vor einer Zündung am ersten Hilfsemitter eine Zündung am zweiten Hilfsemitter und danach am Hauptemitter eingeleitet wird. Wirksam ist dabei diejenige Randlänge der Emitter, die einem die Basis kontaktierenden Teil einer der Emitterelektroden gegenüberliegt bzw. der Steuerelektrode benachbart ist.

Bei Thyristoren mit üblicherweise verwendeten

Dotierungsprofilen und Abmessungen wird zu diesem Zweck das Verhältnis der wirksamen Randlängen von erstem Hilfsemitter zu zweitem Hilfsemitter > 1 :3 und das Verhältnis der Randlängen von zweitem Hilfsemitter zum Hauptemitter ^l :4 gemacht. Um die geforderten großen Randlängen beim ersten Hilfsemitter auf dem Halbleiterkörper unterbringen zu können, kann es sich empfehlen, daß die Steuerelektrode und der der Steuerelektrode zugekehrte Rand des ersten Hilfsemitters ineinandergreifende Kamm- oder Fingerstrukturen aufweisen. Die Randlängen zwischen erstem und zweitem Hilfsemitter können auch dadurch eingestellt werden, daß in einer Anordnung, in der die Steuerelektrode zentral auf dem Halbleiterkörper angeordnet ist, der zweite Hilfsemitter als Kreisringsegment ausgebildet ist

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden an Hand, der Fig. 1—6 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die Aufsicht auf einen Halbleiterkörper eines Thyristors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 den Schnitt durch die Anordnung nach F i g. 1 entlang der Linie H-II,

F i g. 3 die Aufsicht auf einen Halbleiterkörper eines Thyristors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

F i g. 4 den Schnitt durch die Anordnung nach F i g. 3 entlang der Linie IV-IV und
Fig.5 und 6 Aufsicht und Schnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels.

In den Fig. 1 und 2 ist der Hauptemitter des Thyristors mit 1 bezeichnet. Die darunterliegende Basis trägt die Bezugsziffer 2. Weitere Zonen des Halbleiterkörpers sind mit 3 und 4 bezeichnet Der Hauptemitter 1 ist mit einer Hauptemitterelektrode 5, die Zone 4 mit einer Elektrode 6 versehen. Mit der Basis 2 ist eine Steuerelektrode 7 elektrisch verbunden. Zwischen der Steuerelektrode 7 und dem Hauptemitter 1 liegt ein erster Hilfsemitter 8 und ein zweiter Hilfsemitter 10.

Der erste Hilfsemitter 8 ist mit einer ersten Hilfsemitterelektrode 9 und der zweite Hilfsemitter 10 mit einer zweiten Hilfesemitterelektrode 11 elektrisch verbunden. Die der Steuerelektrode 7 zugekehrten Randlängen des Hauptemitters, des ersten und des

(i5 zweiten Hilfsemitters, sind mit 14 bzw. 13 bzw. 12 bezeichnet. Die erste Hilfsemitterelektrode 9 kontaktiert die Basis 2 nur entlang eines bogenförmigen Vorsprungs 15. Die Länge dieses Vorsprungs ist etwa

gleich der wirksamen Innenrandlänge 13 des zweiten Hilfsemitters 10.

Die Zündung des Thyristors wird durch Einspeisen eines Steuerstromes in die Steuerelektrode 7 eingeleitet Für den Ablauf des Zündvorganges in der Anordnung ist das Verhältnis der der Steuerelektrode zugekehrten wirksamen Randlängen von erstem Hilfsemitter zu zweitem Hilfsemitter einerseits und von zweitem Hilfsemitter zum Hauptthyristor andererseits entscheidend.

Für die Auslegung dieser Verhältnisse ist der Gesichtspunkt maßgebend, daß das primär zündende Gebiet um so ausgedehnter ist, je stärker der Zündstrom vor dem eigentlichen Zünden, d. h. vor dem einem Thyristor eigentümlichen steilen Anstieg der Stromverstärkung, ansteigt Da der Zündstrom für den Hilfsthyristor verhältnismäßig niedrig ist, wäre, wenn dieser Thyristor zuerst zündet, das anfangs gezündete Gebiet klein und daher die Gefahr einer Zerstörung durch steil ansteigende Lastströme groß.

Durch Wahl der Emitterrandlängen der einzelnen Thyristoren kann jedoch dafür gesorgt werden, daß der erste Hilfsthyristor nicht zuerst zündet und nur als Zündstromverstärker für den zweiten Hilfsthyristor wirkt Dabei wird davon Gebrauch gemacht, daß eine Zündung erst dann einsetzt, wenn aus dem Lastkreis bereits ein Strom der Liniendichte 0,3 bis 1 A/mm bezogen auf die wirksame Emitterrandlänge durch den Emitterrand fließt Auf Grund des durch den ersten Hilfsthyristor verstärkten Zündstrom zündet der zweite Hilfsthyristor schneller und in einem größeren Gebiet als es ohne Verstärkung der Fall wäre. Dementsprechend wird die flächenbezogene Einschaltbelastung verringert Der nach dem Zünden des zweiten Hilfsthyristors durch diesen fließende Laststrom fließt als sehr hoher Zündstrom zum Hauptthyristor, der damit entlang seines gesamten Innenrandes gleichmäßig zündet und daher auch durch sehr steil ansteigende Ströme nicht überlastet werden kann.

Bei Thyristoren mit üblicher Dimensionierung kann das Verhältnis der der Steuerelektrode zugekehrten wirksamen Randlängen von erstem Hilfsemitter zu zweitem Hilfsemitter ^.1:3 sein. Das Verhältnis der entsprechenden wirksamen Randlängen von zweitem Hilfsemitter zum Hauptthyristor sollte < 1 :4 sein.

Beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist das Verhältnis der wirksamen Randlängen vom ersten Hilfsemitter zum zweiten Hilfsemitter, d. h. das Verhältnis der Ränder 12 und dem dem bogenförmigen Vorsprung 15 gegenüberliegenden Teil des Emitterrandes 13 etwa 1:1. Das Verhältnis der wirksamen Randlängen vom zweiten Hilfsemitter, nämlich des dem Vorsprung 15 gegenüberliegenden Teils des Randes 13, zum Hauptemitter liegt beim Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 etwa 1 :5. Die Abstimmung der der Steuerelektrode zugekehrten wirksamen Randlängen von Hilfsemitter zu Hauptemitter bewirkt, daß der Hauptthyristor auf jeden Fall nicht vor dem zweiten Hilfsthyristor zündet

Die angegebenen Verhältnisse der wirksamen Emitterrandlängen beziehen sich auf übliche hochsperrende Thyristoren. Solche Thyristoren werden nach allgemein bekannten Regeln dimensioniert. Üblich sind beispielsweise für einen hochsperrenden Thyristor Dicken der Zonen 2 und 4 etwa 80μπι und Randkonzentrationen von etwa 10¹⁸ bzw. etwa 10²⁰, eine Dicke der Zone 3 von etwa 400μπι und eine Dotierungskonzentration von etwa 5 ■ 10^l3cm-³ sowie eine Dicke der Zone 1,10 und 8 von etwa 15μπι bei einer Randkonzentration von etwa 10²⁰Cm-³. Die der Steuerelektrode 7 zugekehrte wirksame Randlänge des ersten Hilfsemitters kann beispielsweise 20 mm, die des zweiten Hilfsemitters 10 mm und die des Hauptemitters 40 mm betragen. Das ist ein Verhältnis von 2 :1 bzw. 1 :4. Die entsprechenden Randlängen können jedoch auch bei beispielsweise 10 mm, 20 mm, 200 mm liegen, wobei die 200 mm Randlänge durch eine Fingerstruktur

ίο des Hauptemitters erzielt werden. Dies entspricht einem Verhältnis von 1 :2 bzw. 1 :10. Diese angegebenen Verhältnisse liegen im Rahmen der Erfindung.

Als allgemeine Dimensionierungsangabe gilt unabhängig von den angegebenen Abmessungen, daß die Zündung am zweiten Hilfsthyristor auf jeden Fall vor der Zündung des ersten Hilfsthyristors und vor der Zündung des Hauptthyristors erfolgen muß. Ob ein Thyristor diesen Bedingungen genügt, ist für den Fachmann ohne weiteres durch Potentialsondenmessungen mittels eines Oszillographen nachprüfbar. Dabei wird der zeitliche Verlauf der Spannungsabfälle zwischen jeweils zwei benachbarten Elektroden 7,9,11 und 5 verfolgt Der zwischen den Elektroden 7 und 5 fließende Zündstrom ruft zwischen benachbarten Elektroden einen Spannungsabfall der Größenordnung 1 V hervor. Während des Zündvorganges ändert sich diese Spannung vorübergehend. Zündet z. B. der erste Hilfsthyristor zuerst, so erhöht sich die Spannung zwischen allen Elektroden, d. h. sowohl zwischen 7 und 9 als auch zwischen 9 und 11 und 11 und 5.

Zündet hingegen der zweite Hilfsthyristor zuerst, so erhöht sich nur der Spannungsabfall zwischen 9 und 11 und 11 und 5. Zwischen 7 und 9 wird er dagegen erniedrigt. Entsprechend tritt bei einer primären Zündung am Hauptthyristor nur zwischen 11 und 5 eine Erhöhung des Spannungsabfalls auf, während er zwischen 9 und 11 und 7 und 9 erniedrigt wird. Durch eine geeignete Vergrößerung oder Verkleinerung der Emitterrandlängenverhältnisse läßt sich immer erreichen, daß der zweite Hilfsthyristor zuerst zündet.

Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 und 4 trägt die gleichen Bezugszeichen, insoweit die einzelnen Positionen mit denen nach F i g. 1 und 2 übereinstimmen. Das Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 und 4 unterscheidet sich von dem nach F i g. 1 und 2 dadurch, daß der zweite Hilfsemitter 18 als Kreisbogen ausgeführt ist. Seine kreisförmige Elektrode ist mit 17 bezeichnet Zwischen dem ersten Hilfsemitter 8 und dem Hilfsemitter 18 bzw. der Hilfsemitterelektrode 17 ist eine bogenförmige Ballastzone 16 angeordnet, das die gleiche Dotierung wie die Emitter besitzt. Die Ballastzone verringert die von den Elektroden 7 und 9 direkt zur Elektrode 17 abließenden Ströme, die für die Zündung wirkungslos sind. Die wirksame Länge des der Steuerelektrode 7 zugewandten Randes 13 des zweitens Hilfsemitters ist wieder etwa gleich der Länge des Vorsprungs 15.

Das Ausführungsbeispiel nach den Fi g.5 und 6 trägt. ebenfalls die gleichen Bezugszeichen, insoweit die einzelnen Positionen mit denen nach F i g. 1 und 2 übereinstimmen. Das Ausführungsbeispiel nach 5 und 6 unterscheidet sich von denen nach F i g. 1 bis 4 im wesentlichen dadurch, daß die Steuerlektrode, der erste Hilfsemitter und die erste Hilfsemitterelektrode fingerförmig ausgebildet und miteinander verzahnt sind. Die

hi Steuerelektrode trägt die Bezugsziffer 19, während der erste Hilfsemitter mit 20 und die erste Hilfsemitterelektrode mit 21 bezeichnet ist. Der der Steuerelektrode 19 zugekehrte Rand des ersten Hilfsemitters ist mit 22

bezeichnet. Der zweite Hilfsemitter 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls als Kreisringsegment ausgeführt. Das Verhältnis der der Steuerelektrode zugekehrten wirksamen Randlängen von erstem Hilfsemitter zu zweitem Hilfsemitter, d. h. das Verhältnis von Rand 22 zur Länge des Vorsprungs 15, liegt hier etwa bei 4:1 und das Verhältnis der entsprechenden Randlängen vom zweiten Hilfsemitter zum Hauptemitter bei etwa 1 :6.

Auch bei diesem Ausführunbsbeispiel gilt allgemein, daß das Verhältnis der Randlängen vom ersten Hilfsemitter zum zweiten Hilfsemitter größer als 1 :3

und das Verhältnis der Randlängen vom zweiter Hilfsemitter zum Hauptemitter kleiner als 1 :4 ist Mil der oben angegebenen Meßmethode kann leichl überprüft werden, ob die Anordnung in der gewünschten Weise funktioniert. Ausschlaggebend ist auch hier daß der den ersten Hilfsemitter 20 aufweisende erste Hilfsthyristor auf jeden Fall bis zur Zündung des zweiten Hilfsthyristors nicht zündet, sondern lediglich als Stromverstärker arbeitet, wobei seine dynamische Stromverstärkung für einen vorgegebenen Zündstrom möglichst hoch sein soll.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, von denen die erste einen Hauptemitter und die zweite eine Basis bildet, mit einer mit der Basis verbundenen Steuerelektrode, mit einem zwischen Hauptemitter und Steuerelektrode liegenden ersten Hilfsemitter und einem zwischen erstem Hilfsemitter und Hauptemitter liegenden zweiten Hilfsemitter, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der der Steuerelektrode (7,19) zugekehrten wirksamen Randlängen (14,13, 12) von erstem Hilfsemitter (8, 20) zu zweitem Hilfsemitter (10,18) einerseits und von zweitem Hilfsemitter (10,18) zum Hauptemitter (1) anderseits so aufeinander abgestimmt ist, daß vor einer Zündung am ersten Hilfsemitter (8, 20) eine Zündung am zweiten Hilfsemitter (10,18) und danach am Hauptemitter (1) eingeleitet wird.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Randlängen von erstem Hilfsemitter zu zweitem Hilfsemitter > 1 :3 ist und daß das Verhältnis der Randlängen von zweitem Hilfsemitter zum Hauptemitter < 1 :4 ist.

3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (19) und der der Steuerelektrode zugekehrte Rand des ersten Hilfsemitters (20) ineinandergreifende Kamm- oder Fingerstrukturen aufweisen.

4. Thyristor nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Steuerelektrode zentral angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Hilfsemitter (18) als Kreisbogen ausgebildet ist.

5. Thyristor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (7, 19) zentral auf dem Halbleiterkörper angeordnet ist und daß zwischen zweitem Hilfsemitter (18) und Steuerelektrode eine bogenförmige Bailastzone (16, F i g. 3) liegt.