DE2458401A1

DE2458401A1 - Mit licht steuerbarer thyristor

Info

Publication number: DE2458401A1
Application number: DE19742458401
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Dr Voss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-12-10
Filing date: 1974-12-10
Publication date: 1976-06-16
Also published as: JPS5183784A; US4001865A; DE2458401C2; JPS5823751B2; SE407720B; GB1521107A; SE7513873L; CA1053354A

Description

SIEMENS .AKTIENGESELLSCHAFT München 2, den IdDEZ1974

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

74/1201

Mit Licht steuerbarer Thyristor.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen mit Licht steuerbaren Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, von denen die erste einen Hauptemitter und die zweite eine Basis bildet, mit einem zur Belichtung bestimmten Bereich und einem zwischen diesem Bereich und Hauptemitter liegenden Hilfsemitter.

Sin solcher Thyristor ist bereits beschrieben worden. Bei diesem wird der aus Hilfsemitter und den übrigen Zonen bestehende Hilfs-■ thyristor durch Licht gezündet und der Laststrom dieses Hilfsthyristors wird dann in der gleichen V/eise wie bei durch Steuerstrom gezündeten Thyristoren zum Zünden des Hauptthyristors'verwendet. Um eine starke lokale Erhitzung des Thyristors beim Einschalten zu verhindern, ist es erwünscht, schon den HiIfsthyristor von Anfang an auf möglichst großer Fläche zu zünden» Hierzu muß das Licht mit großer Intensität und sehr homogen verteilt einfallen, Dies stellt an die Qualität der Lichtquelle hohe Anforderungen führt aber trotzdem nicht immer zum gewünschten Ergebnis, da inhomogene Verhältnisse im Thyristor selbst den Einschaltvorgang ebenfalls beeinflussen. In diesem Fall und bei inhomogener Ausleuchtung wird der Hilfsthyristor daher nur auf einer kleinen Fläche zünden. Durch diese fließt zunächst der ganze Laststrom, v/odurch des Thyristor überlastet und unter Umständen zerstört werden kann.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit Licht zündbaren Thyristor gemäß der eingangs erwähnten Gattung so weiterzubilden, daß der Thyristor auch bei inhomogener Beleuchtung und inhomogenen Verhältnissen auf einer relativ großen Fläche zündet.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem genannten Hilfsemitter und dem Hauptemitter ein zweiter Hiifsemitter liegt und daß das Verhältnis der dem zur Belichtung bestimmten Bereich zugekehrten wirksamen Randlänge des zweiten Hilfsemitters zur Fläche des genannten Bereiches und das Verhältnis zwischen der dein genannten Bereich zugekehrten wirksamen Randlänge des Hauptemitters zur Randlänge des zweiten Hilfsemitters so .aufeinander abgestimmt ist, daß vor einer Zündung am WiIfsemitter eine Zündung am zweiten Hilfsemitter und danach am Hauptemitter stattfindet.

Durch die genannte Abstimmung läßt sich erreichen, daß der aus dem ersten Hilfsemitter und den übrigen Zonen des Thyristors gebildete erste Hilfsthyristor zunächst lediglich als Stromverstärker arbeitet, dessen Laststrom dem zweiten Hilfsemitter zugeführt wird. Dieser Laststrom ist so groß, daß der zweite Hilfsthyristor von vornherein auf einer relativ großen Fläche zündet. Der Laststrom des Hilfsthyristors wird dann in bekannter Weise dem Hauptthyristor als Steuerstrom zugeführt. Dieser zündet dann ebenfalls auf einer relativ großen Fläche und der zweite Hilfsthyristor erlischt.

Die angegebene Lehre beruht auf der Erkenntnis, daß zur Zündung eines Thyristors ein bestimmter spezifischer Strom erforderlich ist. Dieser Wert liegt etwa bei 0,5A/mm Emitterrandlänge. Da bei der Zündung zunächst nur ein Gebiet von 100 bis 300vum Breite erfaßt wird, läßt sich daraus ableiten, daß im Hinblick auf den zum

ο Zünden erforderlichen Strom 1 mm Emitterrandlänge etwa 0,2 mm

Fläche entsprechen. ■

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Es hat sich gezeigt, daß eine Zündung am ersten Hilfsemitter von einer Zündung an den übrigen Emittern sicher verhindert werden kann, wenn das Verhältnis der wirksamen Randlängen des Hauptemitters zum zweiten Hilfsemitter =4:1 und das Verhältnis der wirksamen Emitterrandlängen von erstem Hilfsemitter zu zweitem Hilfsemitter =1:3 gemacht wird. Soll demnach erreicht werden, daß eine Zündung am zweiten Hilfsemitter vor einer Zündung am ersten Hilfsemitter einsetzt, so gehört zu 3 mm wirksamer Emitterrandfläche des zweiten Hilfsemitters mindestens 1 mm wirksame Emitterrandfläche des ersten Hilfsemitters. *

Bei einem mit Licht steuerbaren Thyristor wird demnach das Verhältnis der wirksamen Randlängen des Hauptemitters zum zweiten Hilfsemitter ^= 4:1 gewählt, während das Verhältnis der wirksamen Randlängen des zweiten Hilfsemitters, gemessen in mm, zur Fläche des zur Belichtung bestimmten Bereiches, gemessen in mm , ^ 15:1 ist. Um die angegebenen Verhältnisse zu erreichen, wird der zweite Hilfsemitter zweckmäßigerweise als Kreisringsegment ausgebildet. Der erste Hilfsemitter kann dann mit einer ringförmigen Elektrode verbunden sein, die einen segmentartigen Vorsprung aufweist, der dem zweiten Hilfsemitter gegenüberliegt und der über den zwischen ersten Hilfsemitter und Basiszone liegenden pn-übergang hinübergreift.

Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Fig.1 und 2 näher erläutert·. Es zeigen:

Fig.1 die Aufsicht auf eine Thyristortablette gemäß der Erfindung

und
Fig.2 einen Schnitt durch diese Thyristortablette entlang der Linien -H-II.

Die Thyristortablette ist in den Figuren mit 1_ bezeichnet. Diese weist einen Hauptemitter 2, einen ersten Hilfsemitter 7 und einen zweiten Hilfsemitter 5 auf. Der Hauptemitter 2 ist mit einer Haupt-

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emitterelektrode 3 verbunden, während der erste Hilfsemitter 7 mit einer im wesentlichen ringförmigen Hilfsemitterelektrode 9 und der zweite Hilfsemitter 5 mit einer ringförmigen Hilfsemitterelektrode 6 verbunden ist. Die Hilfsemitterelektrode 9 schließt einen zur Beleuchtung bestimmten Bereich 8 ein. Die Hilfsemitterelektrode 9 weist einen segmentartigen Vorsprung 10 auf, der den zwischen dem ersten Hilfsemitter 7 und einer Basiszone 4 liegenden pn-übergang überdeckt. Die Hilfsemitterelektrode 6 überbrückt den zwischen zweitem Hilfsemitter 5 und Basiszone 4 liegenden pn-übergang an der dem Hauptemitter 2 zugekehrten Seite.

Wird der zur Beleuchtung bestimmte Bereich 8 einer Lichtstrahlung ausgesetzt, so entsteht ein Fotostrom, der, durch den ersten Hilfsthyristor verstärkt, zur Hilfsemitterelektrode 9 und von dieser über den segmentförmigen Vorsprung 10 zum zweiten Hilfsemitter fließt. Dieser Strom dient als Steuerstrom für den zweiten Hilfsthyristor und zündet diesen. Der durch den zweiten Hilfsemitter fließende Laststrom fließt über die Elektrode 6 zum Hauptemitter 2, wodurch die Zündung des Hauptthyristors eingeleitet wird.

Die wirksamen Längen der den Bereich 8 zugekehrten Emitterränder von Hauptthyristor zu zweitem Hilfsthyristör weisen hierbei ein Verhältnis =4:1 auf. Dieses Verhältnis wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß der zv/eite Hilfsemitter kreissegmentförmig ausgebildet ist und dem kreissegmentförmigen Vorsprung 10 der Hilfsemitterelektrode 9 gegenüber liegt. Die wirksame Randlänge des zwischen den Zonen 4 und 5 liegenden Emitterrandes wird im wesentlichen durch die Länge des segmentartigen Vorsprunges 10 bestimmt, da sich der aus dem ersten Hilfsemitter stammende Laststrom vom segmentartigen Vorsprung 10 ausgehend im wesentlichen nur radial ausbreitet. Die wirksame Randlänge des zwischen Hauptemitter 2 und Basiszone 4 liegenden Emitterrandes ist dagegen gleich der wirklichen Länge, da der aus dem zweiten Hilfsemitter stammende Last-

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strom sich über die Elektrode 6 gleichmäßig verteilt. Es ist ersichtlich, daß das Verhältnis der wirksamen Emitterrandlängen vom Hauptthyristor zum zweiten Hilfsthyristör =4:1, in diesem Fall

ρ etwa 5:1 ist. Der Bereich 8 v/eist, in mm gemessen, eine Fläche auf, die ^= 1/15 der wirksamen Randlänge des zweiten Hilfsemitters, gemessen in mm/ist. Der durch Beleuchtung des Bereiches 8 erzeugte Fotostrom reicht dann nicht aus, um den ersten Hilfsthyristör vor der Zündung des zweiten Hilfsthyristors und des Hauptthyristors zu zünden. Die Zündverzugszeit des ersten Hilfsthyristors ist durch die erwähnte Bemessung nämlich auf jeden Fall größer als die Zündverzugszeit des zweiten Hilfsthyristors, so daß der erste Hilfsthyristor bis zur Zündung des zweiten Hilfsthyristors nur als Stromverstärker arbeitet. Nach Verstreichen der Zündverzugszeit für den zweiten Hilfsthyristör zündet dieser, wobei die absolute Größe der Zündverzugszeit von der Stärke der Beleuchtung und damit von der Stärke des Fotostroms abhängig ist. Da jedoch die absolute Größe der Zündverzugszeit des ersten Hilfsthyristors auch von der Beleuchtungsstärke abhängt, ist ein gestaffeltes Zünden der verschiedenen Thyristorsysteme in der gewünschten Art auf jeden Fall sichergestellt.

Die genannten konkreten Verhältnisangaben gelten für üblich dotierte und dimensionierte Thyristoren. Für alle Thyristoren unabhängig von der Dimensionierung gilt jedoch die allgemeine Lehre, daß die Zündung des zweiten Hilfsthyristors 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 entlang der Siliziumoberfläche verfolgt. Der unmittelbar nach dem Zünden fließende Laststrom ruft über den nichtkon-

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taktierten Emitterteilen 5 und 2 und besonders in den oberflächennahen Zonen der p-Basis 4 starke Spannungsabfalle hervor. Zündet beispielsweise die Anordnung in gevainschter Weise am Innenrand des Emitters 5 des zweiten Hilfsthyristors, so ruft der nach allen Seiten abfließende Strom sowohl zur Elektrode 9 als auch zur Elektrode 6 einen positiven Spannungsabfall hervor. Ebenso ist der Spannungsabfall zwischen der Elektrode 6 und.dem Rand des Hauptemitters 2 positiv. Zündet die Anordnung dagegen im ersten Hilfsthyristor, so ist der Spannungsabfall positiv von der Elektrode zum Rand des Emitters 5. Die anderen Spannungsabfalle behalten ihre Polarität. Zündet die Anordnung am Innenrand des Hauptemitters 2, so invertiert sich die Spannung auf der Strecke von der Elektrode 6 zum Rand des Emitters 2. Durch eine geeignete Vergrößerung oder Verkleinerung der Verhältnisse der Flächen und der Emitterrandlängen läßt sich immer erreichen, daß der zweite Hilfsthyristor.zuerst zündet.

Der zur. Beleuchtung bestimmte Bereich 8 kann auch kleiner sein als die durch den Innenrand der ersten Hilfseraitterelektrode 9 begrenzte Fläche. Dies wird z.B. dann der Fall sein, wenn das Licht über eine auf die Zone 7 aufgesetzte Faseroptik angekoppelt wird.

4 Patentansprüche
2 Figuren.

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Claims

Patentansprüche

1. !Mit Licht steuerbarer Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, von denen die erste einen Hauptemitter und die zweite eine Basis bildet, mit einem zur Belichtung bestimmten Bereich und einem zwischen diesem Bereich und Hauptemitter liegenden Hilfsemitter, dadurch ' g.ekennzeichnet , daß zwischen diesem ersten Hilfsemitter (7) und dem Hauptemitter (2) ein zweiter Hilfsemitter (5) liegt und daß das Verhältnis der dem zur Belichtung bestimmten Bereich (8) zugekehrten wirksamen Randlängen des zweiten Hilfsemitters (5) zur Fläche des genannten Bereiches (8) und das Verhältnis zwischen der dem genannten Bereich (8) zugekehrten wirksamen Randlängen von Hauptemitter (2) einerseits und zweiten Hilfsemitter (5) andererseits so aufeinander abgestimmt ist, daß vor einer Zündung am ersten Hilfsemitter (7) eine Zündung am zweiten Hilfsemitter (5) und danach am Hauptemitter stattfindet.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der wirksamen Randlänge des zweiten Hilfsemitters (5), gemessen in mm, zur Fläche.des zur

Belichtung bestimmten Bereiches (8), gemessen in mm , ^ 15:1 ist und daß das Verhältnis der wirksamen Randlängen des^ Haup"temitters (2) zum zweiten Hilfsemitter (5) =4:1 ist.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der zweite Hilfsemitter (5) als Kreisringsegment ausgebildet ist. -«

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4. Thyristor nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet j daß der erste Hilfsemitter (7) von einer ringförmigen Elektrode (9) bedeckt ist und daß diese Elektrode einen segmentartigen Vorsprung (10) aufweist, der dem zweiten Hilfsemitter (5) gegenüberliegt und über den zwischen erstem Hilfsemitter (7) und Basiszone (4) liegenden pn-übergang hinübergreift«

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