DE2407696C3 - Thyristor - Google Patents
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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 Beschaltungen versehen, die Spannungsspitzen bedampfen sollen. Beim
Zünden des Thyristors entlädt sich der Kondensator über den Thyristor. Dabei treten hohe Ströme mit
Stromsteilheiten bis über 1000 A/us 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 genasinten Art so weiterzubilden, daß dieser bei Belastungen mit extremen Stromsteilheiteä an keiner Stelle zerstört wird.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor der eingangs genasinten Art so weiterzubilden, daß dieser bei Belastungen mit extremen Stromsteilheiteä an keiner Stelle zerstört wird.
ίο 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 abge-
stimmt 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
erstem Hilfsemitter zu zweitem Hilfsemitter > 1 :3 und
das Verhältnis der Randlängen von zweitem Hilfsemitter zum Hauptemitter ^l :4 gemacht Um die
geforderten großen Handlangen 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 F i g. 1 —6 läher 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
Fig.5 und 6 Aufsicht und Schnitt eines weiteren
so Ausführungsbeispiels.
In den F i g. 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.
μ Der erste Hilfsemitter 8 ist mit einer ersten Hilfsemitterelekirode 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
μ 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 werde;, daß der erste Hflfsthyristor 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 Aasführungsbeispiel 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 gegenüberiligenden Teil des Emitterrandes
13 etwa 1:1. Das Verhältnis der wirksamen Randlänget: 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 Hai,ptemitter 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 Zonsn 2 und 4 etwa 80μΐη und
Randkonzentrationen von etwa 10" bzw. etwa 1020, eine
Dicke der Zone 3 'on etwa 400μΐη und eine
Dotierungskonzentration von etwa 5 ■ 1013 cm-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 Rajidlängen 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 r^hprufbar. Dabei
wird der zeitliche Verlauf der Sp?xinungsabfä!!e
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 S.
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 Fig.3 und 4 trägt die
gleichen Bezugszeichen, insoweit die einzelnen Positionen
mit denen nach F i g. 1 und 2 übereinstimmen. Das Ausführungsbeispiel nach Fig.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 1/
abließenden Ströme, die für die Zündung wirkungslos sind Die wirksame Länge des der Steuerelektrode 7
zugewandten Randes 13 des zweitens Hilfoemitterü ist
wieder etwa gleich der Länge des Vorspnings 15.
Das Ausführungsbeispiel nach den F i g. 5 und 6 trägt.
ebenfalls die gleichen Bezugszeichen, insoweit die einzelnen Position:n mit denen nach Fig. 1 und 2
übereinstimmen. Das Ausführungsbeispiel nach 5 und 6 unterscheidet sich von denen nach Fig. 1 bis 4 im
wesentlichen dadurch, daß die Steuerlekirode, der erste
Hilfsemitter und die erste Hilfsemitterelektrode fingerförmig ausgebildet und miteinander verzahnt sind. Die
v> Steuerelektrode träfet 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 Hiifsemitter 18 ist in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls als Kreisringsegment
ausgeführt. Das Verhältnis der der Steuerelektrode zugekehrten wirksamen Randlängen von erstem Hiifsemitter
zu zweitem Hiifsemitter, d. h. das Verhältnis von Rand 22 zur Länge des Vorsprungs IS, liegt hier etwa
bei 4:1 und das Verhältnis der entsprechenden Randlängen vom zweiten Hiifsemitter zum Hauptemitter
bei etwa I : 6.
Auch bei diesem Ausführunbsbeispiel gilt allgemein, daß das Verhältnis der Randlängen vom ersten
Hiifsemitter zum zweiten Hiifsemitter größer als 1:3 und das Verhältnis der Randlängen vom zweite
Hiifsemitter zum Hauptemitter kleiner als 1 :4 ist. Mi der oben angegebenen Meßmethode kann leich
überprüft werden, ob die Anordnung in der gewünsch ten Weise funktioniert. Ausschlaggebend ist auch hiei
daß der den ersten Hiifsemitter 20 aufweisende erst Hilfsthyristor auf jeden Fall bis zur Zündung de
zweiten Hilfsthyristors nicht zündet, sondern lediglicl als Stromverstärker arbeitet, wobei seine dynamisch
in Stromverstärkung für einen vorgegebenen Zündstron
möglichst hoch sein soll.
Claims (5)
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
Fingerstrukuiren 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 Ballastzone (16, F ig. 3) liegt
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1975
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