DE2436408C3

DE2436408C3 - Thyristor

Info

Publication number: DE2436408C3
Application number: DE2436408A
Authority: DE
Inventors: Katsumi Hitachi Akabane
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1973-08-01
Filing date: 1974-07-29
Publication date: 1984-09-27
Also published as: DE2436408B2; US4028721A; DE2436408A1; CA1012256A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiger Thyristor ist Gegenstand des älteren deutschen Patents 29 872.

Ein bekannter Thyristor hat ein Halbleitersubstrat mit vier Schichten abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps, zwei Hauptelektroden in ohmschem Koniakt mit den beiden äußeren Schichten und eine Steuerelektrode an einer der mittleren Schichten. Wenn bei einem derartigen Thyristor ein Steuerstrom zwischen den Haupteleklroden infolge einer Spannung fließt, die an einer der Hauptelektroden ein höheres Potential als an der anderen erzeugt, während gleichzeitig ein gepulstes Steuersignal zwischen die Steuerelektrode und die andere I lauptclcktrodc gelegt wird, beginnt ein l-asistrom zwischen den -Hauptclektroden des Thyristors zu fließen, der bis dahin abgeschaltet war. Wenn der abgeschaltete Thyristor in seinen leitenden Zustand gebracht

ίο wird, so wird dies als Einschalten bezeichnet

Das Einschalten des Thyristors wird so durchgeführt, daß zunächst ein kleiner Bereich in der Nähe der Steuerelektrode zuerst durch den Steuerstrom eingeschaltet wird, wonach sich der eingeschaltete Bereich über das gesamte Bauelement erstreckt Wenn die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt beim Einschalten hoch ist, wird die Stromdichte des leitenden Teiles, der auf den kleinen Bereich in der Nähe der Steuerelektrode beschränkt ist, sehr groß, und die Temperatur wächst in einem derartigen Bereich anormal stark an, was oft zur thermischen Zerstörung des Thyristors führt Es sind bereits zahlreiche Möglichkeiten diskutiert worden, um eine thermische Zerstörung durch Erhöhung der möglichen Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt des Bauelements zu verhindern.

Bei einer der diskutieren Möglichkeiten ist die Steuerelektrode ringförmig ausgebildet, um eine anfängliche Leitung entlang des gesamten Umfanges oder Randes einer der äußersten Schichten zu erleichtern. Dies hat jedoch den Nachteil, daß der zum Einschalten erfordere liehe Steuerstrom unnötig anwächst Bei einem Thyristor ist wichtig, daß ein kleiner Strom schnell einen weiten Bereich einschaltet. Bereits beschriebene Thyristoren, die eine derartige Forderung zu erfüllen scheinen, haben entweder (a) ein verstärkendes Steuersystem, wie dies in den Fi g. la und 1 b gezeigt ist, oder (b) ein rückgekoppeltes Steuersystem, wie dies ir. den F i g. 2a und 2b dargestellt ist.
a) Das verstärkende Steuersystem hat eine kleinere Zone No der gleichen Leitfähigkeit wie eine der äußersten Schichten bzw. Zonen Nf. in dem zwischen der äußersten Zone N_F. und der Steuerelektrode C gelegenen Teil einer Zwischenschicht Pa. so daß die kleinere Zone No und die Oberfläche der Zwischenschicht Pe elektrisch miteinander durch einen Leiter oder eine Hilfskathode M\ auf der Seile der kleinen Zone No verbunden sind, die weiter von der Steuerelektrode G entfernt ist. Dadurch wird der 4-Schicht-Bereich mit der kleineren Zoiic No als eine der äußersten Schichten zuerst durch den Steuerstrom von der Steuerelektrode C eingeschaltet und ein Laststrom, der in den 4-Schicht-Bereich fließt, schaltet diesen mit der äußersten Zone Ne als eine der äußersten Schichten ein. Dadurch wird ein Thyristor erhalten, bei dem sich die anfängliche Leitung schnell über einen weiten Bereich durch einen kleinen Steuerstrom ausbreitet.

Ein Nachteil dieses verstärkenden Steuersystems liegt darin, daß der Thyristor leicht ausfällt, wenn die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt oder die

bo Temperatur der eingeschlossenen Bauelemente hoch ist. Beim Thyristor mit verstärkendem Steuersystem ist der Teil der Zwischenschicht Pn. der nicht die äußerste Zone Ni; konlakticrt, größer, da die kleinere Zone No und die Hilfskathode M\ auf der Zwischenschicht Pn ausgebildet sind. Das heißt, der Verschiebungsstrom und der Leckstrom in Sperrichtung, der in dem Teil des Thyristors erzeugt wird, der nicht die äußerste Zone Ni; kontaktiert, werden auf den Rand der äußersten Schicht

konzentriert, so daß ein Teil des Randes leicht einschaltet Weiterhin schaltet der Rand der äußersten Schicht des Thyristors mit diesem Aufbau leicht irrtümlich ein, der einen längeren Emitter zur Verbesserung der Steuerempfindlichkeit vorsieht Dieses fehlerhafte Einschalten, das vor der Einspeisung eines Steuerstroms auftritt, macht nicht nur die elektrische Schaltung mit dem Thyristor unsteuerbar, sondern zerstört auch den. Thyristor selbst Das heiBc, dieser Thyristor ist so aufgebaut daß die äußerste Schicht schnell über einem großen Bereich eingeschaltet ist, wenn die kleinere Zone No zuerst eingeschaltet wird; wenn aber ein Teil der äußersten Schicht zuerst eingeschaltet wird, wird infolge der Konzentration des Laststromes auf diesen zuerst eingeschalteten Teü der Thyristor thermisch zerstört Die kleinere Zone Na die mit der Zwischenschicht Pb über die Hilfskathode Mi verbunden ist schaltet kaum durch den Verschiebungsstrom oder den Leckstrom in Sperrichtung ein. Statt dessen tritt das fehlerhafte Einschalten gewohnlich am Rand der äußersten Schicht auf. Daraus wird ersichtlich, daß ein Thyristor mit verstärkendem .Steuersystem leicht durch fehlerhaftes Einschalten aufgrund eines Verschiebungsstromes oder eines Leckstromes in Sperrichtung zerstört wird.

Bei einem derartigen bekannten Thyristor mit verstärkendem Steuersystem (DE-OS 15 89 455) ist die Kathode des Hilfsthyristors über einen Widerstand mit der Kathode des Hauptthyristors elektrisch verbunden. Damit kann die zulässige Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt beim Einschalten verbessert werden; jedoch ist es schwierig, die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt zu verbessern. Der Widerstand hat nämlich einen Widerstandswert der eine Zerstörung des Hauptthyristors aufgrund eines zu großen Stromes zwischen dem Einschalten des Hilfsthyristors und dem Einschalten des Hauptthyristors verhindert Der Widerstand überbrückt aber nicht den Verschiebungsstrom und den Leckstrom in Sperrichtung. Ein Durchbruch des Hauptthyristors in Vorwärtsrichtung wird nämlich vermieden, indem eine negative Spannungsquelle zwischen der Kathode des Hauptthyristors und einem negativen Kontakt auf der an die Kathode angrenzenden Schicht vorgesehen wird. Durch diesen negativen Kontakt und diese negative Spannungsquelle soll die Spannungsantriebsgeschwindigkeit. dV/dt verbessert werden. Das heißt, bei einem Thyristor mit verstärkendem Steuersystem erfolgt ein Vorwärls-Durchbruch leicht in der Nähe des Hilfsthyristors, und um die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt zu verbessern, müssen der Vcrschicbungsstrom und der Leckstrom in Sperrichtung, der in der Nähe des Hilfs'hyristors erzeugt wird, zur Kathode des Hauptthyristors über einen /W-Übergang geführt werden. Mit dem bekannten Thyristor (DE-OS 15 89 455) können jedoch der Verschiebungsstrom und der in der Nähe des Hilfsthyristors erzeugte Leckstrom in Sperrichtung nicht einfach zur Kathode des Hauptthyristors geleitet werden.

b) Beim rückkoppelnden Steuersystem ist ein Vorsprung Nx, der gegen die Steuerelektrode C weist und nicht die Hauptelektrode K leontaktiert, in der äußersten Zone Ne vorgesehen, und ein gegebener Teil des Vorsprunges ist elektrisch durch die Hilfskathode M₂ mit dem Teil der Zwischenschicht Pb verbunden, der benachbart zur äußersten Zone N_E liegt. Der Steuerstrom von der Steuerelektrode G bewirkt, daß der Vorsprung Λ/,ν zuerst einschallet, und der sich ergebende Laststrom verursacht eine Potcntialdiffercn/. zwischen der Hauptelektrode K und dem Teil des Vorsprunges Νχ. der die anzulegende Hilfskathode M₂ kontaktiert und über diese zwischen der Hauptelektrode K und den Teil der Zwischenschicht Pb. der die Hilfskathode M₂ kontaktiert wodurch die äußerste Schicht eingeschaltet wird, die benachbart zur Hilfskathode M2 ist Dieses rückkoppelnde Steuersystem hat sogar den Nachteil, daß ein Teil des Stromes, der durch das Einschalten des Vorsprunges Νχ erzeugt wird, direkt in die äußerste Zone Ne über die Verbindung des Vorsprunges Νχ mit der äußersten Zone Ne fließt und deshalb nicht zum Einschalten der äußersten Zone beiträgt so daß ein großer Laststrom in den Vorsprung Nx fließen muß, bis der Hauptthyristor und seine Umgebung vollständig eingeschaltet sind. Um deshalb einen Temperaturanstieg durch Verringerung der Stromdichte in einem derartigen Teil zu verhindern, ist es erforderlich, die gegenüberliegenden Seiten des Vorsprunges Νχ und die Steuerelektrode C zu verlängern, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist, um dadurch den anfänglichen eingeschalteten Bereich aufgrund des Steuerstromes von der Steuerelektrode zu vergrößern. Selbst wenn jtdoch der Vorsprung Νχ T-förmig ausgebildet und der entsprechende Teil der Steuerelektrode G verlängert ist wie dies in der Zeichnung dargestellt ist neigt ein Teil des Vorsprunges N_x gegr-nüber zur Steuerelektrode G eher zum Einschalten als übrige Teile, abhängig vom gleichen Steuerstrom, so daß es schwierig ist gleichzeitig alle Teile des Vorsprunges gegenüber zur Steuerelektrode mit einem kleinen Steuerstrom einzuschalten. Als Ergebnis wird eine sehr große Schaltenergie aufgrund der hohen Stromdichte im Vorsprung in der Einschalt-Anfangsstufe benötigt, was zur thermischen Zerstörung des Thyristors führt Um dies zu verhindern, muß das Einschalten gleichmäßig erfolgen, indeis. der Steuerstrom so stark als möglich vergrößert wird. Dieser Nachteil des rückkoppelnden Steuersystems beruht wie bereits erwähnt wurde, darauf, daß der Vorsprung mit der äußersten Zone verbunden ist.
Weiterhin ist ein Thyristor bekannt (US-PS 34 28 874), bei dem der Hauptthyristor und der Hilfsthyristor zwar auf dem gleichen Substrat vorgesehen sind, der Hauptthyristor aber direkt durch ein Steuersignal von einer Steuerelektrode eingeschaltet wird. Die Kathode des Hilfsthyristors umgibt dabei halbkreisförmig die Kathode des Hauptthyristors.

Schließlich ist noch ein Thyristor bekannt (US-PS 35 79 060), bei dem alle Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs I bis auf die Verbindung der Hilfskathode mit der ersten Zone an einem Teil von deren Rand

■50 vorliegen und bei dem mehrere Λ/⁺-dotierte Zonen als Emitter in die äußere F-Schicht eingebettet sind. Weilerhin ist auf der P-Schicht eine Steuerelektrode vorgesehen. Die Kathode überbrückt die /V+-Zonen und die P-Schicht und umgibt die Steuerelektrode. Damit soll ein Thyristor ermöglicht werden, der bei hohen Sperrspannungen große zulässige Anstiegsgeschwindigkeiten von Spannung und Strom aufweist. Dieser bekannte Thyristor ist in seiner Herstellung aber aufwendig, da er eine komplizierte Oberflächenstruktur besitzt.

Es ist nun Aufgabe der Erfindung, den Thyristor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so weiterzubilden, daß ein großer Bereich mit kleinem Steuerstrom und hoher zulässiger Stromanstiegsgeschwindigkeit di/ dt sowie großer zulä: .-iger Spannungsanstiegsgeschwin-

ολ digkeit dV/dt einschaltbar und gegenüber hohen Temperaturen beständig ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des

Patentanspruches 1 gegeben.

Bei dem Thyristor gemäß der Erfindung können gleichzeitig große Strom- und Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten erzielt werden. Dabei ist der erfindungsgemäße Thyristor mit kleinem Steuerstrom cinschaltbar und hochtemperaturfesi.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der l-xfindung ist in dem Unteranspruch angegeben.

In der Zeichnung zeigen

Fig. la und Ib eine Draufsicht bzw. einen Schnitt eines herkömmlichen Thyristors mit verstärkendem Steuersystem,

Fig.2a und 2b eine Draufsicht bzw. einen Schnitt eines herkömmlichen Thyristors mit rückkoppelndem Steuersystem,

Fig.3a und 3b eine Draufsicht bzw. einen Schnitt eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

F ι g. 4 eine Draufsicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig.5a und Sb eine Draufsicht bzw. einen Schnitt eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Fig.6 eine Draufsicht eines vierten Ausführungsbcispiels der Erfindung,

F i g. 7 eine Draufsicht eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig.8 eine Draufsicht eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Nachfolgend werden die Ausffihmngsheispiele der Erfindung anhand der F i g. 3 bis 8 näher erläutert.

In den F i g. 3a und 3b. die ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigen, ist ein Halbleitersubstrat 1 mit vier Schichten bzw. Zonen Pk. Nb. Pb und Nk abwechselnd unterschiedlichen Leitungstyps zwischen zwei entgegengesetzt angeordneten Hauptflächen 11 und 12 vorgesehen. Die Schicht Ρε bildet eine P-leitende Err.iticrschichi (im folgenden ate /V-Schicht bezeichnet); Die Schicht Nb bildet eine /V-leitende Basisschicht (im folgenden als A/^-Schicht bezeichnet), die einen ersten P/V-Übergang /ι mit der /VSchicht herstellt, die Schicht Pb bildet eine P-leitende Basisschicht (im folgenden als Pb-Schicht bezeichnet), die einen zweiten /W-Übergang h mit der Λ/s-Schicht herstellu und die Zone Λ/_Ρ bildet eine /V-Ieitende Emitterzone (im folgenden als /v>Zone bezeichnet), die einen dritten /W-Übergang /j mit der /VSchicht herstellt. Weiterhin sind vorgesehen eine kleinere AZ-Ieitende Zone 13, die in die Pe-Schicht mit einer zur Hauptfläche 12 frei liegenden Oberfläche eingebettet und von der Np-Zone durch die AVSchicht getrennt ist, und ein Vorsprung 14, der sich von der Νκ-Zone zur kleineren Zone 13 erstreckt, wobei die kleinere Zone 13 und der Vorsprung 14 geometrisch voneinander durch die /VSchicht getrennt sind. Hauptelektroden 2 und 3 sind in ohmschem Kontakt mit jeweils der /VSchicht bzw. der Νε-Zone auf den Hauptflächen 11 bzw. IZ Eine Steuerelektrode 4 ist auf der Hauptfläche 12 benachbart zur kleineren Zone 13 vorgesehen. Eine ringförmige Hilfskathode 5 ist so auf der Pe-Schicht ausgebildet, daß sie die Νε-Zone im Abstand umgibt Diese Hilfskathode 5 kontaktiert den Vorsprung 14 und die zur Steuerelektrode 4 gegenüberliegende andere Seite der kleineren Zonen 13.

Im folgenden wird das Einschalten dieses Thyristors näher erläutert. In gesperrtem Zustand, in dem die Hauptelektrode 2 ein höheres Potential als die Hauptelektrode 3 hat. wird eine Stcucrspannung zwischen die Steuerelektrode 4 und die Hauptelektrode 3 gelegt, wodurch ein Steuerstrom von der Steuerelektrode 4 zur kleineren Zone 13 fließt. Der 4-Schicht-Bereich mit der kleineren Zone 13 als äußerster Schicht wird eingeschaltet. Ein Teil des durch das Einschalten des 4-Schicht-Bereiches erzeugten Laststromes fließt durch die Hilfskathode S und den Vorsprung 14 in die Hauptelektrode 3. Ί Sodann wird Spannung zum Erzeugen eines positiven Potentials der Hilfskiilhudc 5 zwischen dieser und der Hauptelektrode 3 durch Spiinnungsiibfall aufgrund des Widcrsiandswerics des Vorspninges 14 erzeugt. Wenn der in der kleineren Zone 13 fließende Liislslrom bis zu

ίο einem Punkt zunimmt, in dem die zwischen der Hilfskathode S und der Hauptelektrode 3 erzeugte Spannung die vorhandene Spannung des /W-Überganges /j zwischen der Nt-Zone und der /VSchicht überschreitet, wird ein Teil des Laststromes durch die Hilfskathode 5

is zum Rand der Νε-Zone geführt und dient für diese als Steuerstrom. Als Ergebnis schaltet der gesamte Rand der NrZone gegenüber zur Hilfskathode 5 ein.

Bei diesem Aufbau wird die Seite eines vierten FN-Überganges /4 zwischen der kleineren Zone 13 und der /VSchicht, die weiter von der Steuerelektrode entfernt ist, gleichmäßig durch die Hilfskathode 5 kurzgeschlossen, so daß die aktiven Teile beim Einschalten gleichmäßig arbeiten, also nicht den Nachteil des oben anhand der F i g. 2 erläuterten Thyristors aufweisen, da ein kleiner Steuerstrom ermöglicht wird, um gleichmäßig den Teil der kleineren Zone 13 einzuschalten, der der Steuerelektrode 4 gegenüberliegt. Da weiterhin die um die A//_;-Zone vorgesehene Hilfskathode S ein Ende des Vorsprunges 14 kontaktiert, das von der /vY-Zone wegweist.

jo werden ein Verschiebungsstrom oder ein Leckstrom in Sperrichtung entlang des Randes des Bauelements in der Hilfskathode 5 konzentriert, und dieser Strom fließt durch den Vorsprung 14 zur Hauptelektrode 3, wodurch ein fehlerhaftes Einschalten aufgrund der Verringerung der möglichen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/ dt und de- hohen Temperaturen überwanden wird, was ein Mangel des oben anhand der F i g. 1 erläuterten Thyristors ist. Da weiterhin die kleinere Zone 13 gleichmäßig durch den kleinen Steuerstrom eingeschaltet wird, so daß der sich ergebende Laststrom die Νε-Zone einschaltet, wird eine thermische Zerstörung des Bauelements verhindert, die sonst bei dem auf die kleinere Zone begrenzten Einschalten auftreten könnte, wenn das Bauelement durch einen induktiven Strom (der gewohnlich sehr klein ist) eingeschaltet wird, der im Steuerkreis durch Induktion erzeugt wird Da darüber hinaus keine thermische Zerstörung aufgrund des Einschaltens eines begrenzten Teils des Bauelements auftritt, die sonst auf einem Verschiebungsstrom, einem Lccksi'om in Sperrichtung und auf Induktion beruhen könnte, arbeilet der Thyristor immer stabil. Da auch die mögliche Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt verbessert ist, tritt kein Kippen auf, selbst wenn eine etwas höhere Spannung als die Nennspannung an den Thyristor gelegt wird, so daß dieser sehr zuverlässig ist

Ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Thyristors, ist in F i g. 4 dargestellt Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom ersten Ausführungsbeispiel dadurch, daß anstelle des einzigen Vor-Sprungs 14, der sich von der Νε-Zone zur kleineren Zone 13 erstreckt, mehrere Vorsprünge oder, wie in der Zeichnung dargestellt drei Vorsprünge, beabstandet zueinander an gegebenen Punkten auf dem Umfang der Ni;-7jnnc vorgesehen und in Kontakt mit der Hüfska-

M thodc 5 sind. Bei diesem Thyristor wird der Verschiebungsstrom oder der Leckslrom in Sperrichtung oder der Laststrom, der in die Hilfskathode 5 fließt durch die Vorsprünge geteilt bevor er eine Hauptelektrode er-

reicht. Als Ergebnis wird fehlende Gleichmäßigkeit in den Eigenschaften des Randes der NirZone, die sonst aufgrund des Sp&nnungsabfalles in der Hilfskathodc 5 auftreten könnte, vermieden, so daß ein Thyristor vorliegt, der gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel ■> der Erfindung noch weiter verbessert ist.

In Γ' g. 5 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind vorgesehen eine ringförmige kleinere Zone 13, die in der /VSchicht im Abstand zur Λ/ε-Zone angeordnet ist, ι ο eine ringförmige Hilfskathode 5, die auf dem die /Ve-Schicht umgebenden Teil der /VSchicht und dem Rand der kleineren Zone 13 angeordnet ist, und eine Steuerelektrode 4, die von der kleineren Zone 13 auf der Pb-Schicht umgeben ist Die Hilfskathode 5 kontaktiert den is Vorsprung 14, der sich von der A/f-Zone erstreckt. In diesem Fall sollte die Geschwindigkeit, mit der der PN-Übcrgsng zwischen den; inneren Rand der kleineren Zone 13 und der /VSchicht abhängig von einem Steuerstrom in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, Vorzugs- weise ausgeglichen werden, indem der Abstand von der Steuerelektrode 4 zum inneren Rand der kleineren Zone 13 oder der Abstand vom äußeren Rand der kleineren Zone 13 zur Steuerelektrode 4 ausgeglichen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel trägt der gesamte Steuerstrom zum Einschalten der kleineren Zone 13 bei, wobei der Teil der kleineren Zone 13, der benachbart zur Steuerelektrode 4 vorgesehen ist, gleichmäßig eingeschaltet wird; da die Oberfläche der /VSchicht um die Steuerelektrode von der Hilfskathode bedeckt ist, ist die Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dtdieser Hauptfläche des Thyristors gleichmäßig.

Die F i g. 6 zeigt einen Thyristor nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung, das besonders für kleine Stromkapazitit geeignet ist

Die Hilfskathode S umgibt einen Teil der NfZone, wobei deren nicht benachbart zur Hilfskathode 5 liegender Teil mit der Hauptelektrode 3 versehen ist, die sich über den Rand der Νε-Zone auf die /VSchicht erstreckt. Der Bereich der Nz-Zone, der zuerst eingeschal- t'et wird, ist proportional zur Länge, entlang welcher die Hilfskathode 5 der A/;>Zone benachbart ist Wenn kleine Stromkapazität sowie niedrige Betriebsfrequenz vorliegen und ein anfänglich eingeschalteter Bereich nicht groß zu sein braucht können daher Teile der Hilfskathode 5 und des Randes der /VVZone gegenüberliegend dementsprechend verringert werden. Ein Problem liegt in diesem Fall jedoch im fehlerhaften Einschalten, das bei großer Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/ dt oder hoher Temperatur an dem Teil des Randes der Λ/Jr-Zone auftreten kann, der nicht benachbart zur Hilfskathode 5 ist Dieses Problem wird bei dem Thyristor gemäß F i g. 6 dadurch überwunden, daß der Teil der Hauptelektrode 3, unter dem der Rand der Afe-Zone nicht gegenüber zur Hilfskathode 5 vorgesehen ist sich über die Wf-Zone auf die Oberfläche der /VSchicht erstreckt Auf diese Weise werden mit diesem Ausführungsbeispiel die gleichen Vorteile wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erzielt

In einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fi g. 7 ist ein Teil des Randes der Ne-Zone segmentweise weniger dick und bildet den entsprechenden Vorsprung 14.

Ein sechstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig.8 dargestellt Der Thyristor dieses Ausfüh- b5 ningsbcispicls ist so aufgebaut daß die Hilfskathodc 5 aufweist: Kincn ersten Hilfskaihodcnieil 51, der den Vorsprung 14 kontaklicrt der von der Ni~Zone ausgeht die durch den Milfskathodenlcil 51 im Abstand umgeben ist, einen zweiten Hilfskathodenteil 52, der die Seite der kleineren Zone 13 entgegensetzt zur Steuerelektrode 4 und die /VSchicht kontaktiert, und einen Leitungsdraht 53, der die llilfskraftkathodcntcile 51 und 52 verbindet Dieses Ausführungsbeispiel ist auch für andere als kreisförmige Substrate 1 geeignet

Vorzugsweise liegt der Widerstandswert der Vorsprünge bei den oben beschriebenen Thyristoren zwischen 0,04 und 03 Ohm. Bei hohem Widerstandswert der Vorsprünge nimmt di/dt zu, während dV/dt beim Einschalten verringert wird. Wenn ein kleiner Widerstandswert der Vorsprünge vorliegt, wird andererseits beim Einschalten di/dt verringert, während dV/dt zunimmt. Dies beruht darauf, daß bei hohem Widerstandswert der Vorsprünge der durch das Einschalten des 4-Schicht-Bereiches mit der kleineren Zone 13 als äußerster Schicht erzeugte LastStrorn riiCnt zur Hauptelektrode 3 durch die Vorsprünge fließt, sondern insgesamt als Steuerstrom für den 4-Schicht-Bereich mit der A/i-Zone als äußerster Schicht dient, während es für den Verschiebungsstrom und den Leckstrom in Sperrichtung schwierig ist, zur Hauptelektrode 3 durch die Vorsprünge zu fließen. Wenn deshalb di/dt beim Einschalten und dV/dt im ausgeschalteten Zustand ausreichend groß sind, muß der Widerstandswert der Vorsprünge in einem gewissen bevorzugten Bereich liegen. Versuche der Erfinder, die unter Bedingungen von dV/dt im Bereich von 3000 V/μβ oder mehr und von di/dt im Bereich von 500 Α/μβ oder mehr durchgeführt wurden, zeigen, daß der optimale Bereich des Widerstandswertes der Vorsprünge von 0,04 bis 03 Ohm reicht. Trotzdem gelten diese Kriterien nicht, wenn lediglich anstelle von beiden Parametern dV/dt und di/dt einer groß sein soll.

Der in der F i g. 3 dargestellte Thyristor wurde mit Thyristoren des verstärkenden Steuersystems nach Fig.l und des riickkoppelnden Steuersystems nach F i g. 2 verglichen, wobei jeder 2500 V, 400 A, 6 mm in der Länge, in der die Steuarelektrode der kleineren Zone gegenüberliegt und 15 cm in der Länge, in der der Leiter der /V/_:-Schicht gegenüberliegt, aufweist Als Verglcichsergebnis zwischen der möglichen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt des Thyristors mit verstärkendem Steuersystem und des Thyristors gemäß F i g. 3 wurde ermittelt, daß die obere Grenze von dV/dt200 V/-μ5 bis 300 ν/μ5 für den bereits beschriebenen Thyristor und 3000 V^s für den Thyristor gemäß F i g. 3 beträgt. Wenn der zum gleichmäßigen Einschalten der kleineren Zone erforderliche Steuerstrom zwischen dem Thyristor mit rückkoppelndem Steuersystem und der Erfindung verglichen wird, so sind für den bereits beschriebenen Thyristor 2A und für den Thyristor gemäß F i g. 3 lediglich 0,5 A erforderlich.

Der Thyristor gemäß F i g. 3 ist also mit kleinem Steuerstrom einschaltbar und weist eine große Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt auf.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thyristor, mit einem Halbleitersubstrat einschließlich einer ersten Schicht eines Leitungslyps, einer zweiten Schicht des anderen Leilungslyps. die einen ersten /W-Ubergang mit der ersten Schicht bildet und benachbart zur ersten Schicht angeordnet ist, einer dritten Schicht mit dem gteichen Leitungstyp wie die erste Schicht, wobei die dritte Schicht benachbart zur zweiten Schicht ist und einen zweiten PN-Übergang mit der zweiten Schicht bildet, einer ersten Zone mit dem gleichen Leitungstyp wie die zweite Schicht, wobei die erste Zone in die dritte Schicht mit frei liegender Oberfläche eingebettet ist und einen dritten PN-Übergang mit der dritten Schicht bildet, und einer zweiten Zone mit einem kleineren Bereich als die erste Zone und dem gleichen Leitungstjp wie die erste Zone, wobei die zweite Zone in die &fite Schicht mit frei liegender Oberfläche eingebettet ist und von der ersten Zone durch die dritte Schicht isoliert ist und wobei die zweite Zone einen vierten PN-Übergang mit der dritten Schicht bildet, so daß eine Hauptthyristoreinheit aus der ersten, der zweiten und der dritten Schicht sowie aus der ersten Zone und eine Hilrsthyristorcinhcit aus der ersten, der zweiten und der dritten Schicht sowie aus der zweiten Zone gebildet werden, einer ersten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit wenigstens der Oberfläche der ersten Schicht, einer zweiten Hauptelektrode in ohmschem Kontakt mit wenigstens der Oberfläche der ersten Zone, einer Steuerelektrode zum Einschalten der Hilfsthyristoreinheit, wobei die Steuerelektrode ajf der Oberfläche der dritten Schicht nahe bei der zweiten Zone vorgesehen ist, und einer Hilfskathode, die auf der dritten Schicht in Kontakt mit dieser angeordnet, elektrisch direkt mit der Oberfläche der zweiten Zone verbunden ist und benachbart dem Rand der ersten Zone mindestens teilweise in konstantem Abstand zu diesem verläuft sowie mit der ersten Zone über wenigstens einen Vorsprung an einem Teil von deren Rand verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (14) der ersten Zone (Nf) hinsichtlich seines Widerstandswertes so bemessen ist, daß bei eingeschalteter Hilfsthyristoreinheit der Spannungsabfall am Vorsprung (14) eine zum Einschalten der Hauptthyristoreinheit ausreichende Potcnlialdifferenz zwischen Hauptelektrode (3) und Hilfskalhode (5) erzeugt.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (13) so ringförmig ausgebildet ist, daß sie die Steuerelektrode (4) umgibt, wobei ein Teil der Hilfskathode (5) mit dem äußeren Rand der zweiten Zone (13) verbunden ist.