DE2534703C3

DE2534703C3 - Abschaltbarer Thyristor

Info

Publication number: DE2534703C3
Application number: DE2534703A
Authority: DE
Inventors: Marius 6078 Neu-Isenburg Fuellmann; Friedhelm 6000 Frankfurt Sawitzki; Dieter Dr.Phil.Nat. 6055 Hausen Silber
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1975-08-04
Publication date: 1980-03-06
Also published as: JPS5219980A; JPS6055993B2; DE2534703A1; US4195306A; DE2534703B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen abschaltbaren Thyristor, bestehend aus einem Halbleiterkörper in dem ein Haupt- und ein Hilfsthyristor integriert sind und wobei beide Teilthyristoren die Zonenfolge Emitter-, Steuerbasis-, Hauptbasis und Gegenemitterzone aufweisen, wobei die Gegenemitterzonen der beiden Teilthyristoren gemeinsam kontaktiert sind, wobei die Gegenemitter-, Hauptbasis- und Steuerbasiszonen jeweils durchgehende Zonen des Thyristors sind und die Emitterzonen des Haupt- und Hilfsthyrisiors getrennt vorlieger, und der Kontakt der Emitterzone des Hilfsthyristors mit der Steuerelektrode des Hauptthyristors verbunden ist; vgl. US-PS 35 90 346.

Der Thyristor ist ein Halbleiterschalter, der einen Laststrom mittels eines relativ kleinen Steuerstromes einzuschalten gestattet. Bei den normalen Thyristoren erfolgt die Abschaltung dadurch, daß der Laststrom unterhalb eines Mindestwertes, den sogenannten Haltestrom, gesenkt wird. Es sind aber auch sogenannte abschaltbare Thyristoren bekannt, bei denen die Ausschaltung ebenso wie die Einschaltung über den Steuerstrom erfolgt, wobei zum Abschalten der Steuerstrom die umgekehrte Stromrichtung wie beim Einschalten des Thyristors aufweist. Solche Thyristoren werden beispielsweise in der US-PS 35 90 346 und der DE-OS 16 14 506 beschrieben. Das Ausschaltverhalten wird durch Ausschaltverstärkung 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 Ausschaltverstärkung ein beträchtlicher Durchlaßspannungsabfall hingenommen werden, der einige Volt bei einer Strombelastung von einigen 10 A/cm² beträgt. Ferner wird bei derartigen Thyristoren auch der Haltestrom sehr groß.

Aus der GB-PS 13 03 337 ist ein Thyristor bekanntgeworden, der sich jedoch vom Anmeldungsgegenstand im wesentlichen dadurch unterscheidet, daß bei ihm die Bedingungen für die Ausschaltverstärkung und den Haltestrom nicht erfüllt sein müssen. Außerdem besteht der bekannte Thyristor nicht aus einer Integration zweier Teilthyristoren, sondern aus einer Integration eines Thyristors, eines Transistors und einer Diode.

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, den abschaltbaren Thyristor der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß er neben guten Schalteigenschaften auch einen kleinen Haltestrom und gleichzeitig ein verbessertes Durchlaßverhalten aufweist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung bei dem abschakbaren Thyristor der eingangs genannten Art dadurch gelöst daß die Abschaltverstärkung, die gleich dem Verhältnis von Anodenstrom zu dem zu dessen Abschaltung erforderlichen Steuerstrom ist beim Hauptthyristor größer als beim Hilfsthyristor ist und daß der Haltestrom des Hilfsthyristors kleiner als der Haltestrom des Hauptthyristors ist

Vorteilhaft ist der Haltestrom des Hilfsthyristors mindestens um den Faktor 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

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 Hilfsthyristör 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 Durchbruch- 3> spannung des zwischen der Emitter- und der Steuerbasiszone gebildeten pn-Obergangs im Hilfsthyristor kleiner als im Hauptthyristor ist

Ein weiterer durch die Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß durch die Wahl der unterschiedlichen Ausschaltverstärkungen von Haupt- und Hilfsthyristor sich ein derartiger Betriebszustand ergibt daß der Hilfsthyristor dem Hauptthyristor im eingeschalteten Zustand konstant einen Steuerstrom zuführt, so daß der Durchlaßspannungsabfall des Hauptthyristors verrin- -r> gert wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 die Grundanordnung des aus zwei Teilthyristoren bestehenden abschaltbaren Thyristors;

Fig.2 den schematischen Aufbau eines Thyristors und

F i g. 3 eine vorteilhafte Schaltungsanordnung für die beiden Teilthyristoren des abschaltbaren Thyristors.

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

Nach der Prinzipanordnung gemäß F i g. 1 besteht der abschaltbare Thyristor 1 aus dem Hauptthyristor 2 und dem Hilfsthyristor 3. Die Anodenanschlüsse 4 und 5 der beiden Thyristoren sind miteinander verbunden und führen zu einem ersten Las^tromanschluß 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. _f

Bei dem schematischen und rotationssymmetrischen Aufbau eines Thyristors nach Fig.2 enthält der Halbleiterkörper vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, nämlich die Gegenemitterzone 14, die Hauptbasiszone 15, die Steuerbasiszone 16, die Emitterzone 17 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 22 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 Hauptthyristors größer und sein Haltestrom größer als beim Hilfsthyristor sein soll, läßt sich dadurch erzielen, daß der Emitterwirkungsgrad des Gegenemitters des Hilfsthyristors größer 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 aucii mit einer verschieden starken Konzentration 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. Ferner 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 F i g. 2 selbstverstänklich nur als schematischer Aufbau eines Thyristors 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.

Durch Einfügung zusätzlicher Schaltungskomponenten lassen sich die Schalteigenschaften des Thyristors

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 verbesse Führung des Ausschaltstromes und stabilisier gesamte Anordnung gegen ungewollte Stöirzündu Gegebenenfalls stellt dieser Widerstand 13 auch Überlastschutz für den Hilfsthyristor beim Aussei dar. Die zusätzlichen Schaltungskomponenten k< als äußere Beschattung des Thyristors vorgeseher in den Halbleiterkörper integriert werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abschaltbarer Thyristor, bestehend aus einem Halbleiterkörper in dem ein Haupt-(2) und ein Hilfsthyristor (3) integriert sind und wobei beide Teilthyristoren (2, 3) die Zonenfolge Emitter-, Steuerbasis-, Hauptbasis und Gegenemitterzonje aufweisen, wobei die Gegenemitterzonen (14) der beiden Teilthyristoren gemeinsam kontaktiert sind, wobei die Gegenemitter-, Hauptbasis- und Steuer- to basiszonen (14,15,16) jeweils durchgehende Zonen des Thyristors sind und die Emitterzonen (17,18) des Haupt- und Hilfsthyristors getrennt vorliegen und der Kontakt (21) der Emitterzone des Hilfsthyristors mit der Steuerelektrode (23) des Hauptthyristors '5 verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltverstärkung, die gleich dem Verhältnis von Anodenstrom zu dem zu dessen Abschaltung erforderlichen Steuerstrom ist, beim Hauptthyristor größer als beim Hilfsthyristor ist und daß der Haltestrom des Hilfsthyristors kleiner als der Haltestrom des Hauptthyristors ist

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschaltverstärkung des Hauptthyristors (2) größer als 5 ist

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltestrom des Hilfsthyristors (3) mindestens um den Faktor 2 kleiner als der Haltestrom des Hauptthyristors (2) ist.

4. Thyristor nach einem der Ansprüche I bis 3, so dadurch gekennzeichnet, daß die Durchbruchspannung des zwischen der Emitter- (18, 17) und der Steuerbasiszone (16) gebildeten pn-Übergangs im Hilfsthytistor (3) kleiner als im Hauptthyristor (2) ist.

5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekenn- ti zeichnet, daß die Dotierungskonzentration der Steuerbasiszone (16) des Hilfsthyristors (3) in der Nähe des aus dieser und der Emitterzone (18) gebildeten pn-Übergangs höher als die entsprechende Dotierungskonzentration in dem Hauptthyristor ■«> (2) ist.

6. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterwirkungsgrad des Gegenemitters (14) des Hilfsthyristors (3) größer als der entsprechende Emitterwirkungsgrad ■»"> des Hauptthyristors (2) ist.

7. Thyristor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenemitterzone (14) des Hilfsthyristors (3) stärker dotiert ist bzw. eine höhere maximale Dotierungskonzentration als die w Gegenmitterzone des Hauptthyristors (2) aufweist.

8. Thyristor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gegenemitterzone (14) des Hilfsthyristors (3) ein steileres Dotierungskonzentrationsprofil als die Gegenemitterzone des Haupt- ^r>^r> thyristors (2) aufweist.

9. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der Rekombinationszentren zur Erniedrigung der Ladungsträgerlebensdauer im Hauptthyristor (2), und w> zwar insbesondere in der Hauptbasiszone (15), größer als in dem Hilfsthyristor (3) 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.

11. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Steuerelektrode (9) des Hauptthyristors (2) und die Kathode (8) des Hilfsthyristors (3) ein ohmscher Widerstand (11) geschaltet ist

IZ Thyristor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (11) von einer Diode (12) überbrückt ist, deren Anode an der Steuerelektrode (9) des Hauptthyristors (2) liegt

13. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Kathode (8) und die Steuerelektrode (10) des Hilfsthyristors (3) ein ohmscher Widerstand (13) geschaltet ist