DE2534703A1

DE2534703A1 - Abschaltbarer thyristor

Info

Publication number: DE2534703A1
Application number: DE19752534703
Authority: DE
Inventors: Marius Fuellmann; Friedhelm Sawitzki; Dieter Dr Phil Silber
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1975-08-04
Publication date: 1977-02-10
Also published as: JPS5219980A; JPS6055993B2; DE2534703C3; US4195306A; DE2534703B2

Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H.

6 Frankfurt/Nein ?O, Theodor-Stern-Kai 1

FBE 75/23

ZS ZS SSS ™ S SSS SS

25.7.1975

Abschaltbarer Thyristor

Die Erfindung bezieht sich auf einen abschaltbaren !Thyristor mit Emitter-, Steuerbasis-, Haupt basis- und Gegenemitte./-zonen.

Der Thyristor ist ein Halbleiterschalter, der einen Laststro™ mittels.eines relativ kleinen Steuerstromes einzuschalten gestattet. Bei den normalen Thyristoren erfolgt die Abschaltung dadurch, daß der Laststrom unterhalb eines Mindestvierte&, den sogenannten Haltestrom, gesenkt wird. Es sind aber euch sogenannte ausschaltbare Thyristoren bekannt, bei denen die Ausschaltung ebenso v.^Tis die Einschaltung über den Steuerstrom erfolgt, wobei zum Ausschalten der Steuerstrom die umgekehrte Stromrichtung wie beim Einschalten des Thyristors aufweist. Das Ausschaltverhalten wird durch die Ausscheltverstärkung charakterisiert, die als das Verhältnis des Anodenstromes zu dem erforderlichen negativen Steuerstrom definiert ist. Bei den derzeit bekannten Ausführungsformen ist jedoch zum Ausschalten ein relativ großer Steuerstrom erforderlich, der typischerweise 10 bis 30% des im eingeschalteten Zustand geführten Laststromes "beträgt. Insbesondere muß bei sehr hoher Ausschaltverstärkraig ein beträchtlich er Durchlaßspannungsabfall hingenommen werden, der einige OIt bei einer Strombelaetung von einigen 10 A/cm^ beträgt. Ferner wird bei derartigen Thyristoren auch cer Haltest »>m sehr groß.

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Ein Thyristor besteht üblicherweise aus vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps. Im weiteren sollen für die einzelnen Zonen des Thyristors folgende Bezeichnungen verwendet werden: die mit dem oder den Steueranschlüssen versehene Leitungszone wird als Steuerbasiszone, die ihr benachbarte innere Zone als Hauptbasiszone, die der Steuerbasiszone benachbarte äußere Zone als Emitterzone und die der Hauptbasiszone benachbarte äußere Zone als Gegenemitterzone bezeichnet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ausschaltbaren Thyristor mit guten Schalteigenschaften verfügbar zu machen, der auch einen kleinen Haltestrom aufweist. Insbesondere wird auch gleichzeitig ein verbessertes Durchlaßverhalten angestrebt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei einem Thyristor mit einer Emitter-, Steuerbasis-, Hauptbasis- und Gegenemitterzone dadurch gelöst, daß ein ausschaltbarer Hauptthyristor und ein ausschaltbarer Hilfsthyristor in einem Halbleiterkörper derart integriert sind, daß die Gegenemitterzonen der beiden Thyristoren gemeinsam kontaktiert sind, daß sich die Gegenemitter-, Hauptbasis- und Steuerbasiszonen der beiden Teilthyristoren in die entsprechenden Zonen des Thyristors aufteilen und daß die Emitterzonen des Haupt- und Hilfsthyristors getrennt vorliegen, wobei die Ausschaltverstärkung des Hauptthyristors größer als die Ausschaltverstärkung des Hilfsthyristors und der Haltestrom des Hilfsthyristors kleiner als der Haltestrom des Hauptthyristors sind.

Vorteilhaft ist der Haltestrom des Hilfsthyristors mindestens um den Paktor 2 kleiner als der Haltestrom des Hauptthyristors. Die Abschaltverstärkung des Hauptthyristors soll vorteilhaft größer als 5 sein.

Bei dem Thyristor gemäß der Erfindung wird eine große Ausschaltverstärkung bei gleichzeitig niedrigem Haltestrom erzielt, wodurch auch bei geringen Lastströmen eine gute Stabilität des Thyristors gewährleistet ist.

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Bei dem Halbleiterschalter gemäß der Erfindung wird der Steuerstrom der Steuerelektrode des Hilfsthyristors zugeführt, während der Laststrom des Hilfsthyristors als Steuerstrom in die Steuerelektrode des Hauptthyristors eingespeist wird. Zum Ausschalten wird dem Hilfsthyristor ein negativer Steuerstrom zugeführt, der spätestens nachdem der Hilfsthyristor abgeschaltet ist, über dessen Gate-Kathodenstrecke auf den Hauptthyristor übergreift und diesen abschaltet. Dieser Vorgang wird vorteilhaft dadurch begünstigt, daß die Durchbruchspannung des zwischen der Emitter- und der Steuerbasiszone gebildeten pn-Übergangs im Hilfsthyristor kleiner als im Hauptthyristor ist.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Thyristor derart betrieben, daß der Hilfsthyristor dem Hauptthyristor im eingeschalteten Zustand konstant einen Steuerstrom zuführt, um den Durchlaßspannungsabfall des Hauptthyristors zu reduzieren. In diesem Fall ist der Hauptthyristor so ausgelegt, daß sein Durchlaßspannungsabfall durch Einspeisung eines Steuerstromes erniedrigt werden kann.

Die weitere Ausgestaltung der beiden Teilthyristoren und das Wesen der Erfindung sollen anhand der Figuren näher erläutert werden. Es zeigen:

Figur 1 die Grundanordnung des aus zwei Teilthyristoren bestehenden abschaltbaren Thyristors gemäß der

Erfindung;
Figur 2 den schematischen Aufbau eines Thyristors gemäß der

Erfindung und
Figur 3 eine vorteilhafte Schaltungsanordnung für die beiden Teilthyristoren des abschaltbaren Thyristors gemäß der Erfindung.

In den Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

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Nach der Prinzipanordnung gemäß Figur 1 besteht der abschaltbare Thyristor Λ_ gemäß der Erfindung aus dem Hauptthyristor 2 und dem Hilfsthyristor 3. Die Anodenanschlüsse 4 und 5 der beiden Thyristoren sind miteinander verbunden und führen zu einem ersten Laststromanschluß 6. Der zweite Laststromanschluß 7 ist gleichzeitig der Kathodenanschluß des Hauptthyristors 2. Der Kathodenanschluß 8 des Hilfsthyristors 3 ist mit der Steuerelektrode 9 des Hauptthyristors verbunden. Der eigentliche Steuerstrom wird über die Steuerelektrode 10 des Hilfsthyristors zugeführt.

Bei dem schematischen und rotationssymmetrischen Aufbau eines Thyristors gemäß der Erfindung nach Figur 2 enthält der Halbleiterkörper vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, nämlich die Gegenemitterzone 14, die Hauptbasiszone 15 _? die Steuerbasiszone 16, die Emitterzone des Hauptthyristors 2 und die Emitterzone 18 des Hilfsthyristors 3· Die gestrichelten Linien zeigen die Aufteilung des Thyristors in den Hauptthyristor 2 und den Hilfsthyristor 3. Während die Steuerbasis-, Hauptbasis- und Gegenemitterzonen des Haupt- und Hilfsthyristors durchgehende Zonen des Thyristors sind, liegen die Emitterzonen 17 und 18 getrennt vor und sind in die Steuerbasiszone 16 eingelassen. Die Gegenemitterzonen sind durch einen gemeinsamen Kontakt 19 kontaktiert, während die Emitterzone 17 des Hauptthyristors mit dem Kontakt 20 und die Emitterzone des Hilfsthyristors mit dem Kontakt 21 versehen ist. Für den Hilfsthyristor 3 ist ein Steuerkontakt 22 und für den Hauptthyristor 2 ein Steuerkontakt 23 vorgesehen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Emitterzonen 17 und 18 der beiden Teilthyristoren sowie die zweiteilige Steuerelektrode 23 des Hauptthyristors kreisringförmig ausgebildet und liegen zentralsymmetrisch zu der als Kreisfläche ausgebildeten Steuerelektrode 22 des Hilfsthyristors.

Die Relation zwischen dem Hauptthyristor und dem Hilfsthyristor, nämlich daß die Ausschaltverstärkung des Hauptthy-

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ristors größer und sein Haltestrom kleiner als beim Hilfsthyristor sein soll, läßt sich dadurch erzielen, daß der Emitterwirkungsgrad des Gegenemitters des Hilf sthyristors· kleiner als der entsprechende Emitterwirkungsgrad des Hauptthyristors ist. Diese Verhältnisse lassen sich dadurch einstellen, daß unter Anwendung bekannter Technologien,wie z.B. der Maskierungstechnik, die Gegenemitterzone stärker dotiert wird oder ein steileres Dotierungsprofil aufweist. Die gleichen Verhältnisse lassen sich auch erzielen, indem die Konzentration der Rekombinationszentren im Hauptthyristor, und zwar insbesondere in der Hauptbasiszone, größer als in dem Hilfsthyristor gewählt wird. Dazu können als Rekombinationszentren zur Erniedrigung der Lebensdauer Gold oder Platin dienen. Eine unterschiedliche Auslegung des Emitterwirkungsgrads der beiden Teilthyristoren kann auch mit einer verschieden starken Dotierungskonzentration der Rekombinationszentren kombiniert werden.

Die Abschalteigenschaften des Thyristors können auch noch durch bekannte Maßnahmen verbessert werden, die auf den Haupt- und Hilfsthyristor gleichzeitig angewandt werden können. So ist es günstig, die Querleitfähigkeit der Steuerbasiszone ausreichend groß zu wählen, lerner wird der Ausschaltvorgang unter der gesamten Emitterfläche begünstigt, wenn in bekannter Weise verschachtelte Strukturen für den Haupt- und Hilfsthyristor angewandt werden. Insoweit derartige Strukturen notwendig sind, kann Fig.2 selbstverständlich nur als schematischer Aufbau eines Thyristors gemäß der Erfindung angesehen werden.

Wenn der Hilfsthyristor 3 gezündet ist, wird dessen Kathodenstrom als Steuerstrom dem Hauptthyristor 2 zugeführt, woraufhin dieser ebenfalls in den leitenden Zustand übergeht. Der normalerweise relativ hohe Durchlaßspannungsabfall des Hauptthyristors wird wesentlich dadurch herabgesetzt, daß der Hilfsthyristor gezündet bleibt und während der gesamten Einschaltphase dem Hauptthyristor einen Steuerstrom zuführt.

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Durch Einfügung zusätzlicher Schaltungskomponenten lassen sich die Schalteigenschaften des Thyristors gemäß der Erfindung weiter verbessern. Durch einen zwischen dem Kathodenanschluß des Hilfsthyristors und dem Steueranschluß des Hauptthyristors liegenden Widerstand 11 wird die Laststromaufteilung günstiger eingestellt. Eine parallel zu dem Widerstand 11 liegende Diode 12 ist so gepolt, daß der Ausschaltstrom der Steuerelektrode des Hauptthyristors ungeschwächt zugeführt werden kann. Schließlich kann noch ein Widerstand 13 zwischen der Kathode und dem Steueranschluß des Hilfsthyristors vorgesehen werden. Dieser Widerstand verbessert die Führung des Ausschaltstromes und stabilisiert die gesamte Anordnung gegen ungewollte StörZündungen. Gegebenenfalls stellt dieser Widerstand 13 auch einen Überlastschutz für den Hilfsthyristor beim Ausschalten dar. Die zusätzlichen Schaltungskomponenten können als äußere Beschaltung des Thyristors vorgesehen oder in den Halbleiterkörper integriert werden.

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Claims

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Patentansprüche

(Λ, kbschaltbarer Thyristor mit Emitter-, Steuerbasis-, Haupt- ^—basis- und Gegenemitterzonen, dadurch gekennzeichnet, daß ein ausschaltbarer Hauptthyristor (2) und ein ausschaltbarer Hilfsthyristor (3) in einem Halbleiterkörper derart integriert sind, daß die Gegenemitterzonen (14) der beiden Thyristoren (2, 3) gemeinsam kontaktiert sind, daß sich die Gegenemitter-, Hauptbasis- und Steuerbasiszonen der beiden Teilthyristoren in die entsprechenden Zonen des Thyristors (14-, 15» 16) aufteilen und daß die Emitterzonen des Haupt- und Hilfsthyristors getrennt vorliegen, wobei die Ausschaltverstärkung des Hauptthyristors größer als die Ausschaltverstärkung des Hilfsthyristors und der Haltestrom des Hilfsthyristors kleiner als der Haltestrom des Hauptthyristors sind.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltverstärkung des Hauptthyristors größer als 5 ist.
3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltestrom des Hilfsthyristors mindestens um den Faktor 2 kleiner als der Haltestrom des Hauptthyristors ist.
4·. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchspannung des zwischen der Emitter- und der Steuerbasiszone gebildeten pn-Übergangs im Hilfsthyristor (3) kleiner als im Hauptthyristor (2) ist.

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5· Thyristor nach. Anspruch 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierungskonzentration der Steuerbasiszone des Hilfsthyristors (3) in der Nähe des aus dieser und der Emitterzone gebildeten pn-Übergangs höher als die entsprechende Dotierungskonzentration in dem Hauptthyristor (2) ist.
6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterwirkungsgrad des Gegenemitters des Hilfsthyristors (3) kleiner als der entsprechende Emitterwirkungsgrad des Hauptthyristors (2) ist.
7. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenemitterzone des Hilfsthyristors (3) stärker dotiert ist bzw. eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die Gegenemitterzone des Hauptthyristors aufweist.
8. Thyristor nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenemitterzone des Hilfsthyristors (3) ein steileres Dotierungskonzentrationsprofil als die Gegenemitterzone des Hauptthyristors (2) aufweist.
9. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Rekombinationszentren zur Erhöhung der Ladungsträgerlebensdauer im Hauptthyrietor (2), und zwar insbesondere in der Hauptbasiszone, größer als in dem Hilfsthyristor ist.
10. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode des Hilfsthyristors (3) mit der Steuerelektrode des Hauptthyristors (2) durch Integration miteinander verbunden sind.

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11. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dab zwischen die Steuerelektrode (9) des Hauptthyristors (2) und die Kathode (8) des Hilfsthyristors (3) ein ohmscher Widerstand (11) geschaltet ist.
12. Thyristor nach Anspruch 11, dadurch gel; annzeichnet, daß der Widerstand (11) von einer Lioäe (12) überbrückt ist, deren Anode an der Jt euere! ekt-^.d'³· des Hauptthyristo · liegt.

13· Thyristor nach eines der Ansprüche 1 bis 12, dadurch

gekennzeichnet, daß zwischen die Zathode (8) und die

Steuerelektrode (10) des Hilfstixyristörs (3) ein ohmiuh.e Widerstand (13) geschaltet ist.

Verfahren zum Betrieb eines Thr^i'vfcors nach einem des* Ansprüche 1 bis 13. dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsthyristor (3) dem Hauptthyristor (2) im eingeschalteten Zustand konstant einen Steuerstrom zuführt, um den Durchlaßspannungsabfall¹ des Hauptthyristors (2) zu reduzieren.

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