DE2627440A1

DE2627440A1 - Halbleiterschaltereinrichtung

Info

Publication number: DE2627440A1
Application number: DE19762627440
Authority: DE
Inventors: Masahiko Akamatsu
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1975-06-18
Filing date: 1976-06-18
Publication date: 1976-12-23
Also published as: CH616779A5; FR2316801A1; FR2316801B1; JPS51150285A; DE2627440C2; US4491742A; SE7606967L

Description

ME-251(F-1375)

MITSUBISHI DEMI KABÜSHIKI KAISHA, Tokyo , Japan

Halbleitersehaltereinrichtung

Die Erfindung "betrifft eine Halbleiterschaltereinrichtung vom serbstlöschenden oder sel"bstausschaltenden Typ mit einem Thyristor mit in Sperrichtung betreibbarer Steuerelektrode und mit einem hierzu parallel geschalteten Transistor, wobei der Laststrom durch den Transistor nebengeschlossen wird und somit der Thyristor gelöscht wird.

Die Erfindung "betrifft Halbleiterschaltereinrichtungen und insbesondere Halbleiterschaltereinrichtungen, welche einen Thyristor und einen Transistor in Kombination enthalten.

Herkömmliche Leistungstransistoren führen zu einem großen Spannungsabfall im Bereich hoher Ströme. Sie haben daher eine geringe Fähigkeit Spitzenstromstöße auszuhalten. Auch herkömmliche Thyristoren sind nicht sehr praktisch, da es schwierig ist, sie über die Steuerelektrode zu löschen und die erforderlichen Löscheinrichtungen sind kompliziert. Außerdem ist es schwierig, herkömmliche über die Steuerelektrode löschbare Thyristoren herzustellen, welche eine große Stromkapazität haben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Betrieb der Steuerelektrode in Sperrichtung beim Löschen des Thyristors eine Stromkonzentrierung induziert und somit zu heißen Flecken in einem von der Steuerelektrode räumlich getrennten Bereich führt.

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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine HaIbleiterschaltereinrichtung zu schaffen, welche einen Thyristor mit in Sperrichtung betreibtarer Steuerelektrode und einen Transistor in Kombination umfaßt und bei dem der Spannungsabfall im Bereich hoher Ströme verringert ist und das Löschen des Thyristors erleichtert ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2a und 2b Wellenformdiagramme zur Veranschaulichung der bei der Schaltung gemäß Fig. 1 ablaufenden Steuervorgänge ;

Fig. 3 bis 5 schematische Prinzipdiagramme zur Veranschaulichung des Aufbaus der erfindungsgemäßen Halbleiterschalter-einrichtungen;

Fig.6a bis 6c ein Schaltbild und zugehörige graphische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltereinriehtung;

Fig.7a bis 7d schematische Darstellungen der Bauweise der erfindungsgemäßen verbesserten Halbleiterschaltereinrichtungen und

Fig. Sa und 8b schematische Darstellungen einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

In den Figuren 1 bis 8 sind gleiche oder sich entsprechende Teile mit gleichen Bezugsζeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Thyristor CR, dessen Steuerelektrode in Sperrichtung betreibbar ist sowie einen Transistor TR und eine zu steuernde Lastschaltung 1, 2, welche z. B. eine Stromquelle und eine Last umfaßt. Das Bezugszeichen 100 bezeichnet eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Steuerelektrode G des Thyristors CR oder der Basiselektrode B des ■Transistors TR. Das Bezugszeichen rgb bezeichnet ein Spannimgsab fall element, welches ein lineares oder niehtlineares

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Impedanzelement sein kann, z. B. ein Widerstandselement oder ein Induktivitätselement, das zwischen der Steuerelektrode G und der Basiselektrode B liegt. Dieses Spannungsabfallelement rgb kann Teil einer Halbleitereinrichtung sein, wie dies weiter unten näher erläutert werden wird. Die Bezugszeichen D. und Dp "bezeichnen Dioden, welche zusammen mit dem Spannungsabfallelement rgb eine Anschlußeinrichtung 200 "bilden. Die Anode A und die Kathode K des Thyristors CR sind mit dem Kollektor "bzw. dem Emitter des Transistors TR verbunden und der Transistor und der Thyristor sind somit parallelgeschaltet.

Es soll nun angenommen werden, daß "bei der Schaltung gemäß Pig. 1 eine Steuerspannung v. und ein Steuerstrom i. , welche in Fig. 2(a)(i) und (ii) gezeigt sind, anliegen. Wenn der Strom i. positiv ist, so fließt dieser Strom als Basisstrom i^q-m- über die Diode D₂ zur Basiselektrode des Transistors TR. Ein Teil des Stroms gelangt über das Spannungsabfallelement rgb zur Steuerelektrode des Thyristors CR. Somit werden der Transistors TR und der Thyristor CR durch den Basisstrom i-, ^ und den Steuerelektrodenstrom I_x, ,_

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eingeschaltet, so daß der Hauptstrom i„ fließen kann. Hierdurch wird die Sehalterspannung V™ gesenkt. Dieser Einschaltvorgang findet während der Zeit t.. bis t^- statt wie durch die Diagramme (iii) und (iv) in Pig. 2(a) gezeigt. Die Aufteilung des Stroms auf den Transistor und auf den Thyristor, d. h. das Verhältnis der Ströme des Transistors und des Thyristors hängt ab von dem Wert des Impedanzelements rgb, sowie vom Verhältnis der Stromkapazitäten (Strombelastbarkeit, Stromaufnahme) des Thyristors und des Transistors (insbesondere vom Verhältnis der Fläche der Steuerelektrodenschicht zur Fläche der Basisschicht) sowie von anderen Faktoren. In der Zeitspanne von t[- bis tg befinden sich der Transistor TR und der Thyristor CR jeweils im EIN-Zustand und teilen den Hauptstrom i,,. Wenn der Hauptstrom i„ klein ist und der Basisstrom des Transistors TR unzureichend ist, so fließt der Hauptstrom zu einem größeren Anteil durch den Transistor als durch den Thyristor. Wenn der Hauptstrom

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etwa den maximal zulässigen Wert erreicht, so wird der Hauptstrom auf den Transistor und den Thyristor in einem Verhältnis aufgeteilt, welches dem Verhältnis der Flächen der Halbleiterscheiben der beiden Halbleiterelemente entspricht. Wenn nun der Hauptstrom noch weiter anwächst, so wird der Basisstrom des Transistors unzureichend und das Verhältnis iQ-^/igiR gemäß dem der Hauptstrom auf den Thyristor und den Transistor aufgeteilt wird, wächst» Bei Ankunft eines großen Stromstoßes fließt dieser überwiegend sum Thyristor, d. h„ das Verhältnis ipo/imo steigt noch weiter an. Im Bereich großer S'tröme steigt der Spannungsabfall zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors, so daß der Strom durch den Widerstand rgb (zwischen Steuerelektrode und Basis) und die Dioden D₁ und B₀ zur Basis B des Transistors fließt. Durch diese Wechselwirkung wird der Transistor vom Thyristor her mit Basisstrom versorgt, so daß das Stromführungsverhalten des transistors TR Im Bereich hoher Ströme verbessert wird.

Im folgenden soll das Löschen dieser Sehaltereinrichtung beschrieben werden. Zum Abschalten oder Löschen dieser Schaltereinrichtung wird eine negative S teuer spannung 0 V. von der Steuereinrichtung 100 bereitgestellt. Aufgrund dieser Spannung wird die Steuerelektrode des Thyristors über die Diode D. In Sperrichtung beaufschlagt, wodurch ein Sperrstrom I^Qpp fließt, 3er Thyristor CR ist derart aufgebaut, daß das über die Steuerelektrode anliegende Sperrpotential die gesamte Spsrrelektrodenschicht oder die P~-SeMelit In P-pFgP-gSig-ThyrIstoren und P-8teuerelektroden-ThyrIstoren beeinflusst. Zu Beginn wird die Spannung zwischen der Steuerelektrode des Thyristors und der Kathode niedrig gehalten und swar aufgrund der Inneren Impedanz der Steuereinrichtung 100 nnd der Freigabe von In dem Thyristor gespeicherten I-aaT2E.,g3trägsra. Während dieser Zeitdauer fließt ein großer ü^errstr-om !,_„_. Der Strom i -._,,

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beginnt in dem Maße zu sinken.,, Is. äem das Freigeben von Ladungsträgern durch den Thyristor (das Freiwerden von Ladungsträgern} fortschreitet. Demzufolge steigt die Sperispamung -1 "L,.- switches, der Stsus^slsIitirsaLs mid der !Cathode äes

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Thyristors. Mit weiter fortschreitendem Freiwerden des Thyristors von Ladungsträgern wird der Thyristorstrom i_CR schließlich abgeschaltet. Dieser Thyristorlöschvorgang findet während der Zeit t_fi "bis t_q statt.

In diesem Stadium gibt der Transistor jedoch noch nicht seine gespeicherten Ladungsträger frei, da die Beaufschlagung der Basis in Sperrichtung durch den Widerstand rgb "begrenzt ist oder durch den verzögerten Anstieg der Spannung Y„~ verzögert ist. Somit fließt nun die Gesamtmenge des Hauptstroms i_M einschließlich des Stroms i_CR, welcher zuvor durch den Thyristor floss, durch den Transistor TR.

Dieser Stromnebenschluß erfolgt während der Zeit t„ "bis t„ wie in Pig. 2(a) gezeigt. Dieser einseitige Stromnebenschluß auf den Transistor führt dazu, daß Ladungsträger vom Transistor freigegeben werden und der die Basis des Transistors in Sperrrichtung beaufschlagende Strom über das Impedanzelement rgb steigt aufgrund eines Anstiegs der Sperrspannung (-) V_&^ (zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors). Diese Vorgänge fördern das Freiwerden des Transistors von in ihm gespeicherten Ladungsträgern und einen Anstieg der Spannung V„ zwischen den Hauptelektroden CA und EK. Aus diesem Grunde sinkt der Hauptstrom i_M und der Transistorsstrom wird abgeschaltet. Dieses Ausschalten des Transistors erfolgt während der Zeit tg bis t^ gemäß Fig. 2(a).

Fig. 1 veranschaulicht ein Beispiel einer Schaltung, bei der die Basiselektrode und die Steuerelektrode durch eine Steuereinrichtung angesteuert werden, welche zwei Anschlüsse umfaßt. Bei einer alternativen Ausführungsform können diese beiden Elektroden jedoch auch unabhängig gesteuert werden. Allerdings ist bei der in Fig. 1 gezeigten Ausfliirungsform die Steuereinrichtung 100 dadurch vereinfacht, daß man ein Steueranschlußpaar verwendet. Diese Steuereinrichtung ist Insbesondere günstig, wenn die Elektroden durch eine isolierende Einrichtung hindurch angesteuert werden. Darüber hinaus

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kann eine Steuereinrichtung dieses Typs leicht zusammen mit einem Transistor TR, einem Thyristor CR und Dioden D. und D₂ und einem Impedanzelement rgb usw. zu einer integrierten Schaltung zusammengefaßt werden.

Fig. 2(b) zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung einer anderen Schalteinrichtung. Bei dieser erfolgt das Einschalten des Transistors durch den Steuerstrom des Thyristors. Andererseits erfolgt das Ausschalten des Thyristors dadurch, daß man die Steuerelektrode des Thyristors in Sperrichtung beaufschlagt und der Basis des Transistors einen Impulsstrom zuführt und dann die Basis des Transistors in Sperrichtung beaufschlagt. Genauer gesprochen, wird die Steuerelektrode des Thyristors CR zum Zwecke des Zündens des Thyristors mit einem impulsförmigen Steuerstrom i^>j beaufschlagt, worauf der Hauptstrom fließt. Wenn ein Widerstandselement rgb (zwischen Steuerelektrode und Basis) vorgesehen ist, so fließt aufgrund des Thyristorhauptstroms ein Strom igvg unter der Spannung V~_K (zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors. Dieser Strom invo fließt als Basisstrom i-, des Transistors TR, wodurch der Transistor in einem gewissen Maße eingeschaltet wird. Der Einschaltvorgang des Transistors schreitet nun in dem Maße weiter voran, in dem der Widerstand rgb geringer wird und der Thyristorstrom größer wird. Dieser Effekt führt zu einer geringen Verzögerung des Anstiegs des Stroms i_TR des Transistors.

Zum Zwecke des Löschens wird die Steuerelektrode des Thyristors mit einem Sperrstrom i .-.-o·™ beaufschlagt und die Basis des Transistors wird mit einem Durchlaßstrom iww beaufschlagt, wobei der Hauptstrom i„ über den Transistor nebengeschlossen wird. Der Thyristor CR wird gelöscht, während der Hauptstrom über den Transistor fließt. Nach diesem Vorgang wird der Transistorbasisstrom abgeschaltet oder die Basis des Transistors wird in Sperrichtung beaufschlagt, so daß der Transistor abgeschaltet wird.

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Erfindungsgemäß kann gemäß Fig. 1 zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors TR ein kapazitives Impedanzelement Z_CB geschaltet sein. Durch eine solche Anordnung wird der Effekt der Verlängerung der Spannungsanstiegszeit während des Löschvorgangs verbessert. Diese Verbesserung ermöglicht es, daß der zuvor beschriebene Ausschaltvorgang richtig ablaufen kann, selbst wenn der impulsförmige Basiseinschaltstrom i-uQjT unzureichend ist oder wenn der Strom ⁱb0N ^{Vön atlßen ner n}i^cirfc fließt.

Die erfindungsgemäße Einrichtung ist auch anderen Schaltsteuerverfahren, welche von dem oben beschriebenen Verfahren abweichen, zugänglich. Diese Steuerverfahren können folgendermaßen charakterisiert werden. Der Transistor und der Thyristor werden parallel zueinander geschaltet, wobei die Fähigkeit des Thyristors einen Teil des Stroms zu übernehmen im Bereich hoher Ströme verstärkt wird und somit der 9-esamtspannungsabfall verringert wird. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung im Bereich großer Ströme kleiner wird im Vergleich zu dem Fall bei dem dieser Spannungsabfall in Durchlaßrichtung nur vom Transistor abhängt, und zwar selbst unter dem Gesichtspunkt der mittleren Gesamtstromdichte, d. h. des Quotienten aus dem Gesamtstrom und der Gesamtfläche der Halbleiterscheiben. Auf diese Weise wird die Fähigkeit einem Spitsenstoßstrom su widerstehen, verbessert.

Darüber hinaus ergeben sich erhebliche Vorteile in Bezug auf den Löschvorgang. Die Steuerelektrode des Thyristors wird in Sperrichtung beaufschlagt ehe der Transistor vollständig ausgeschaltet ist, so daß der Thyristorstrom schon zuvor verringert wird. Demzufolge wird der Anstieg der beim Löschen wieder angelegten Spannung (von der Seite ies Thyristors her gesehen) unterdrückt (oder verzögert), so daß das Löschen des Thyristors erleichtert wird. Biss bedeutet mit anderen Worten, laß durch Nebenschluß des Hsjvipts^oais auf den Transistor die Ausschaltleistung des Thrr^ia^JzcT£ -srring^r''; 'srlz^l -and

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der Ausschalt strom der Steuerelektrode erhöht wird.

Darüber hinaus wird die Halbleiterscheibe effektiv genutzt, da im Steadystate-Betrieb der Strom auf den Thyristor und den Transistor aufgeteilt wird.

Es ist erwünscht, daß das Verhältnis des Nennstroms I_CR des Thyristors CR zum Nennstrom I_TR des Transistors TR in Bezug auf eine fortdauernde Gleichstromleitung im Bereich von 1:0,3 bis 10 liegt. ¥enn das Verhältnis ΐφρ/ΐπτ} = 0,3 gilt, so wird der Thyristor im wesentlichen derart betrieben, daß dieser Betrieb ausreicht, um den Nennstrom I_nx) = 1 auszu-

_ _ s schalten. Wenn die Beziehung Ι_φτ>/Χ =10 gilt, so wird

CR im wesentlichen der Transistor derart "betrieben, daß die Spitzenstoßstromkapazität erheblich erhöht werden kann im Vergleich zu alleinigen Verwendung eines Transistors. Bei dem genannten Nennstromverhältnis handelt es sich im wesentlichen um das Terhältnis der Flächen der beiden Halbleiterscheiben der integrierten Halbleiterstruktur.

Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau eines zusammengesetzten Halbleiterelementes gemäß vorliegender Erfindung. Fig. 3(b) zeigt die zweite Fläche (Rückseite) der Scheibe von der Seite des Emitters und der Kathode her gesehen. N- bezeichnet die dritte und die siebte Halbleiterschicht (Halbleiterschichten mit gemeinsamem Anschluß) eines ersten Leitungstyps. Dabei handelt es sich um die freiliegenden Flächen der Emitterschicht bzw. der KatliodenscMcht. Ein Emitterkontakt (dritter Kontakt) 5 und ein Kathodenkontakt (sechster Kontakt) 7 dienen als gemeinsame Elektrode und sind mit einem zweiten Hauptstromanschluß EK verbunden. Das Bezugszeichen P-o bezeichnet die zweite imd sechste Halbleiter- ±>

schicht (Haloleiterschiehten sit gemeinsamem Anschluß) eines zweiten Leitungstyps. Dabei handelt es sich um die freiliegenden Flächen der Basisschicht und der Steuerelektrodenschicht. Ein Basiskontakt (aweiter Kontakt) 4 und ein SteuerelektroQ.8P.kontaki; (fünfter Eontakt) 6 dienen als

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gemeinsame Elektrode und sind mit einem gemeinsamen Steueranschluß GB verbunden. Fig. 3(a) zeigt einen Schnitt entlang der Linie X-X der Fig. 3(b). Gemäß Pig. 3(a) umfaßt der Transistor teil eine erste HaIt)Ie it erschicht (Kollektorschicht) N„ von einem ersten Leitungstyp, dessen freiliegende Fläche in der ersten Region der ersten Fläche liegt und in Ohm'schem Kontakt mit einem Kollektorkontakt (erster Kontakt) 3 steht, welcher mit dem ersten Hauptstromanschluß CA verbunden ist. Ferner umfaßt der Transistorteil eine zweite Halbleiterschicht (Basisschicht) P-g-g von einem zweiten Leitungstyp dessen freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt. Ferner umfaßt der Transistorteil eine dritte Halbleiterschicht (Emitterschicht) N-g-g (die erste Region von N-g) eines ersten Leitungstyps, deren freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt. Der Thyristorteil umfaßt eine vierte Halbleiterschicht (Anodenschicht) Pg von einem zweiten Leitungstyp, deren freiliegende Fläche in der zweiten Region der ersten Fläche liegt und in Kontakt steht mit einem Anodenkontakt 3 (vierter Kontakt, welcher mit dem dritten Kontakt 3 verbunden ist) der mit dem ersten Hauptstromanschluß CA verbunden ist. Ferner umfaßt der Thyristorteil eine fünfte Halbleiterschicht N_B (Fortsetzung der Kollektorschicht N_ß) eines ersten Leitungstyps sowie eine sechste Halbleiterschicht(Steuersehicht) P™ eines zweiten Leitungstyps deren freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt. Ferner umfaßt der Thyristorteil eine siebte Halbleiterschicht(Kathodenschicht) N_EK eines ersten Leitungstyps, dessen freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt.

Eine solche Halbleitereinrichtung kann in herkömmlicher Weise hergestellt werden, z. B. durch Legierung, Diffusion und epitaktische Aufwaehsmethoden.

Fig. 3(c) zeigt ein Äquivalentschaltbild der vorbeschriebenen Halbleitereinrichtung mit Steuerelektroden- und Basiskontakten 4 und 6 in Form eines Dünnfilmwiderstandes (Spreizwiderstand). Wenn die Kontakte 4 und 6 aus einem dicken Film bestehen, so werden diese zwei Kontakte getrennt, wie das Kontaktmuster

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der !ig. 3(d) zeigt, so daß der Steuerstrom in die P_B-Schlcht eintreten kann. Zu diesem Zweck sind Streifenwiderstände mit einer Dicke von 10 "bis 30 μ über den Trennbereichen Y der P--Schicht vorgesehen. Mit dieser Anordnung wird ein Widerstand rgb eines gewünschten Wertes zwischen der Steuerregion und der Basisregion P-g-g vorgesehen.

Zu Beginn des Einschaltvorgangs erfolgt die Einschaltung von der Steuerelektrodenseite des Thyristors her und der Basisstrom, welcher zum Transistor fließt, kommt zu einem Teil von dem Thyristor-Anoden-Strom, welcher über die Steuerelektroden nebengeschlossen wird und zu einem Teil von dem Steuerstrom. Der Löschvorgang erfolgt in gleicher Weise wie in den Figuren 1 und 2(a).

Pig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer verbesser- · ten Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltereinrichtung, wobei ein Trennbereich Y zwischen der vierten Schicht und der dritten Schicht des Thyristors vorgesehen ist. Ziel dieser Anordnung ist es, zu verhindern, daß Ladungsträger in die Basisschicht N₃ auf der Seite der Thyristoranode injiziert und diffundiert werden, so daß auf diese Weise die Abschaltcharakteristik (Stromausschaltcharakteristik) der Thyristorregion verbessert wird. Somit dient mit anderen Worten die Trennregion Y zur Begrenung eines Phänomens durch das der Kollektorstrom welcher durch den Widerstand 3Vg_C fließt (der der Ausbreitung der Ladungsträger entgegenwirkt) , sowie der KollektorstrGm, welcher durch die Schichten Ijj^B^BB ^fließ-t» durch "Faltung" (durch einen gewundenen Strom) nebengeschlossen wird. Ferner verhindert dies eine Ladungsträgerdiffusion in die N-g-Schicht (was einer Ladungsträgerrekombination in der Region iVt-oq zugeschrieben wird).

Ein offener Emitter (oder ein partiell kurzgeschlossener Emitter) N_Q kann in der Region zwischen der Thyristorkathodenschicht und der Transistoremitterschicht vorgesehen sein. Dies erlaubt den Widerstand rgb zwischen der Steuerschicht

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P-g_& und der Basisschicht P-g-g auf den gewünschten Wert einzustellen.

Die Wirkung der Trennung zwischen dem Thyristorteil und dem Transistorteil kann verbessert werden, indem man den Widerstand rgb so hoch wie möglich wählt. Wenn man diesen Aufbau zum Zwecke einer Erhöhung des Ausschaltgrenzstroms anwendet, so können der Thyristor und der Transistor gemäß Fig. 2(b) unabhängig gesteuert werden. Wenn andererseits die obige Anordnung zum Zwecke einer Herabsetzung oder Eliminierung der Basisstromzufuhr zum Transistor verwendet wird, (ein solcher Basisstrom wird ständig zugeführt, um den Transistor leitend zu halten), so ist es erforderlich, in die Schaltung zwischen dem Thyristorsteueranschluß und der Transistorbasis einen externen Widerstand mit geringem Widerstandswert, eine Diode oder ein anderes geeignetes Element einzusetzen. Auf diese Weise kann die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Schaltereinrichtung modifiziert werden. Der Kathodenanschluß K und der Emitteranschluß E können getrennt vorgesehen sein. Eine solche Anordnung erlaubt den Anschluß einer erforderlichen Schaltung zwischen den beiden Anschlüssen, so daß die Gesamtschaltungscharakteristik in geeigneter Weise modifiziert werden kann. Man kann z. B. eine Hilfsimpulsspannung anlegen, derart, daß beim Löschen die Seite K ein' positives Potential annimmt und die Seite E ein negatives Potential annimmt. Hierdurch kann die Löscheharakteristik verbessert werden. Diese Hilfsimpulsspannung kann von einem Impulstransformator zwischen dem Kathodenanschluß K und dem Emitteranschluß E verwirklicht werden oder durch ein Induktivitätselement mit gegenseitiger induktiver Kopplung oder dgl. zwischen dem Kathodenanschluß K und dem Emitteranschluß E. Dies kann geschehen, ohne daß hierdurch die normale Stromleitung beeinträchtigt wird.

Pig. 5 zeigt in schematischer Darstellung ein Halbleiterelement einer anderen Ausführungsform der Erfindung. J?ig.5(b) zeigt iie Rückseite der Halbleitersinriolitung mit einem

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Muster von freiliegenden Flächen der P^-Schicht (P_BG., P-g-g) und der N-g-Schicht (N-g_K, l%g)» wobei die Kontakte nicht gezeigt sind. Fig. 5(a) zeigt eine Querschnitt entlang der Linie X..-X.4 der Thyristorregion und Fig. 5(c) zeigt einen Querschnitt entlang der Linie X^'^-o ^der ^^T^^IiSis^^OTTeS^on und Fig. 5(d) zeigt einen Schnitt entlang der Linie X,-X~ über die Thyristorregion und die Transistorregion. Ein Emitterkontakt 5 und ein Kathodenkontakt 7 sind einstückig ausgebildet und mit dem zweiten Hauptstromanschluß EK verbunden. Ein Basiskontakt 4 ist über eine Zenerdiode ZD₂ mit dem Steueranschluß GB verbunden. Ein Steuerkontakt ist über eine Diode D. mit dem Steueranschluß GB verbunden. Die Dioden D. und ZD„ können installiert werden, indem man eine Diodenhalbleiterpastille mit der Kontaktfläche verlötet oder verbindet. Die Diode ZD„ wird (wie in Fig. 1) zu Beginn des Löschvorgangs nicht eingeschaltet, wobei der Sperrstrom zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors gering ist (aufgrund einer Ladungsträgerfreigabe vom Thyristor). Wenn die Sperrspannung zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors gegen Ende der Ladungsträgerfreigabe vom Thyristor ansteigt, so wird die Zenerdiode ZDp eingeschaltet, so daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors in Sperrichtung beaufschlagt wird. Auf diese Weise geht einer Beaufschlagung des Transistors in Sperrichtung mit Sicherheit die Abschaltung des Thyristors voran, so daß eine optimale Aufeinanderfolge der Abschaltvorgänge oder Löschvorgänge gewährleistet wird.

Fig. 6 zeigt schematisch eine verbesserte erfindungsgemäße Halbleiterschaltervorrichtung, bei der ein Schaltungsnetzwerk 200 zwischen der Steuerelektrode des Thyristors und der Basis des Transistors liegt. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Schaltungselemente dir Art der Fig. 1 (D., D₂ und rgb) oder der Figuren 3 und 4 (rgb) oder der Fig. 5 (D. und ZD_) oder um die Ausführungsformen (i), (ii) oder (iii) der Fig. 6(o) oder dgl. Diese Schaltungselemente dienen dazu, den Einschalt- Tand Ausschaltstsuerstrom und die Einschalt-

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und Ausschaltsteuerspannung in geeigneter Weise auf die Steuerelektrode und die Basis aufzuteilen. Für diese Steuerung genügt ein Paar von Steueranschliissen.

In Fig. 6 "bezeichnet das Bezugszeichen 300 eine externe Einrichtung zur Unterdrückung der wieder angelegten Spannung, welche z. B. eine Diode 9, einen Widerstand 10 und einen Kondensator 8 umfaßt. Hierdurch wird die Ausschaltleistung des Transistors TR gesenkt. Fig. 6(b) zeigt, das Ausschalt-Rückstromstoß-Diagramm, wobei der Strom im_R gegen die Spannung Vw aufgetragen ist. Diese Figur veranschaulicht den Übergang vom normalen EIN-Zustand (ON) bis zum vollen ATJS-Zustand (OFF) über den Thyristorgrenzpunkt (CR OFF). Die Spannung T₁ im Grenzpunkt des Transistors (im Abschaltpunkt des Transistors) beim Transistorstrom im_R (gleich dem Gesamtstrom i« beim Abschalten) wird kleiner gemacht als die endgültige AUS-Spannung V₂ (OFF). Hierdurch ist es möglich, einen Strom (oder eine Spannung) auszuschalten, welcher so groß ist, daß er nicht durch den Transistor alleine ausgeschaltet werden könnte. Somit kann erfindungsgemäß ein Strom (oder eine Spannung) ausgeschaltet werden, welcher den Grenzpunkt (den Sperrgrenzpunkt) eines Thyristors, welcher durch Beaufschlagung der Steuerelektrode in Sperrichtung eingeschaltet wird, bei weitem übersteigt.

Fig. 7 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Schaltsteuermethode und den zugehörigen Aufbau der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung. Fig. 7(a) zeigt ein Steuerschaltbild bei Einschaltbetrieb, wobei die Steuerströme der Steuerelektrode und der Basis von einer Spannung V_QN zugeführt werden, und zwar über einen Schalter S„,_T und über eine Diode D, und

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einen Widerstand r bzw. über eine Diode D. und einen Wider-

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stand r, . Wenn der Thyristor im wesentlichen in Betrieb ist, wobei der Thyristor am Hauptstrom teilhat, so liegt eine Spannung V_0n, über einen Schalter S^, an der Thyristor-Steuerelektrode an, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt ist. In diesem Falle wird dem Thyristorteil ein Ein-

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schaltsteuerstrom zugeführt und zwar aufgrund der Basis-Emitter-Kippcharakteristik (Zenerdiodencharakteristik) des Transistors.

Beim Ausschaltbetrieb liegt eine Spannung V_o:FF zwischen Steuerelektrode und Basis, so daß die Transistorbasis in Durchlaßrichtung oder Vorwärtsrichtung "beaufschlagt wird und die Steuerelektrode des Thyristors in Sperrichtung "beaufschlagt wird.

Diese Halbleitereinrichtung umfaßt eine P^-Schicht zur Bewirkung einer Trennung zwischen dem Thyristorteil und dem Transistorteil, und eine Pgg-Schicht, welche mit den Emitterkontakten 5 und 7 verbunden ist. Fig. 7(b) zeigt eine Ansicht der Rückseite mit einem Muster der freiliegenden Flächen der HaIbleiterschicht und Fig. 7(c) zeigt ein Muster von Kontakten 4" "bis 7 entsprechend dem in Fig. 7(b) gezeigten Muster. Die freiliegende Fläche P₅₃ der Trennregion ?■□ gemäß Fig. 7("b) steht dabei in Ohm'schem Kontakt mit den Emitter-Kathoden-Kontakten 5 und 7 gemäß Fig. 7(c).

Beim Ausschaltbetrieb oder Löschbetrieh arbeitet die Einrichtung gemäß Fig. 7(d) wobei der Steuerstrom entlang einer Schleife fließt, welche durch Pfeile markiert ist: ^G~^VOFF~^B~^PBB~^NEE~(⁵'⁷)~^NEK~^PB(T^G wie durch die gestrichelte Linie dargestellt wird. Bei diesem Betrieb fließt der Steuerstrom durch die Kontakte 5 und 7, da die Dicken der ^Pb~ (¹W ^PBG^{f P}BS^"^{Schicht und der N}E~(^NEE' ^NEK^~ ^Schiclrt beträchtlich geringer sind als die Breiten der Streifenmuster gemäß Fig. 7(b) und Fig. 7(c). Zum Beispiel ist gemäß Fig.7(d) der seitliche Ausbreitungswider stand wesentlich höher als der Longitudinalwiderstand.

Biese Schaltereinrichtung wird zum Zwecke des Löschens in der in Fig. 2(b) gezeigten Weise betrieben« Der Thyristorteil erhält eine Beaufschlagung der Steuerelektrode und der Transistorteil wird vollständig leitend gemacht und zwar durch

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den Strom, welcher auf Ladungsträger zurückgeführt wird, die von dem Thyristor zufolge der S t euer el ek trod ent) eauf schlagung freigegeben werden. Der Hauptstrom i„ kann sodann auf den Transistorteil verlagert werden, wie dies in Fig. 7(d) durch die ausgezogene Linie dargestellt ist. Mit fortschreitender Ladungsträgerfreigabe vom Thyristor und mit fortschreitendem Löschen des Thyristors sinkt der Transistor-Basisstrom und das Potential des Transistorteils steigt. Dann wird schließlich der Hauptstrom abgeschaltet. Sodann wird der Schalter Sqw geschlossen, wodurch der Steuerstrom abgeschaltet wird. Hierdurch wird der Löschvorgang beendet.

Somit geschieht durch Zufuhr eines Abschaltsteuerstroms zwischen die Steuerelektrode und die Basis die Löschung oder Abschaltung des Thyristors und die Zufuhr des Impulsbasisstroms zur Umleitung des Hauptstroms auf den Transistor gleichzeitig und in Form eines automatischen Vorgangs.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausfiihrungsformen wurde die Kombination eines Thyristors mit einer Steuerschicht vom P-Typ und eines Transistors vom NPN-Typ beschrieben. Alternativ kann man auch einen Thyristor mit einer Steuerschicht vom N-Typ und einen Transistor vom PNP-Typ kombinieren. Ferner kann man einen Thyristor mit einer Steuerschicht vom N-Typ und einen Transistor vom NPN-Typ kombinieren oder einen Thyristor mit einer Steuerschicht vom P-Typ und einen Transistor vom PNP-Typ kombinieren. Jede dieser Kombinationen kann in einer gemeinsamen Halbleiterseheibe ausgebildet sein. Zum Beispiel kann ein Thyristor mit einer Steuerschicht vom N-Typ und ein Transistor vom PNP-Typ in Kombination ausgeführt sein, und zwar auf den einzelnen Halbleiterschichten, deren Leitfähigkeitstyp sich von Schicht zu Schicht umkehrt. Ein Thyristor mit einer Steuerschicht vom N-Typ und ein Transistor vom NPN-Typ können derart in Kombination ausgeführt sein, daß die Ng-Schicht auf der Anodenseite parallel zur Pg-Schicht freiliegt und eine N-Steuerelektrode installiert ist. Ein Thyristor mit einer Steuerschicht toe ?-Typ und ein Transistor

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vom PNP-Typ können in Kombination derart ausgeführt sein, daß eine Bg-g-Schicht (in gleicher Höhe wie die Thyristor Pg-Schicht) anstelle der Ng-g-Schicht auf der N^-Seite vorgesehen wird und daß die N_G-Schicht als Basisschicht freiliegt, auf der ein Basiskontakt vorgesehen ist. Ferner kann man eine P-Steuerschicht und eine N-Steuerschicht parallel anwenden.

Bei der Ausführungsform der Fig. 4 kann der Thyristorteil modifiziert sein. Einmal kann ein kleiner Verteilungsbereich (ein Kurzschlußemitter (short emitter) auf der Anodenseite) der N-o-Schicht vorgesehen sein, welche sich durch die P^-Schicht erstreckt und mit dem Anodenkontakt kurzgeschlossen ist. Zum anderen kann ein kleiner Terteilungsbereich (ein Kurzschlußemitter auf der Kathodenseite) der P^-Schicht vorgesehen sein, welche sich durch die N_EK-Schicht erstreckt und zum Kathodenkontakt kurzgeschlossen ist. Durch eine derartige Anordnung kann die Löschcharakteristik und die Spannungsblockierungscharakteristik verbessert werden.

Wie Pig. 4 zeigt, kann die ^-Schicht und die N-g-Schicht in eine Schicht mit hohem spezifischem Widerstand und eine Schicht mit niedrigem spezifischem Widerstand η unterteilt sein.

Pig. 8 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche für eine Halbleiterschaltervorrichtung für hohe Leistungen in Form eines flachen Pakets geeignet ist. Fig. 8(b) zeigt eine Draufsicht des Musters der zweiten Fläche (Boden), wobei die Grenze zwischen den Kontakten in einem vergrößerten Kreisausschnitt gezeigt ist. Die Kathodenkontaktfläche K und die Emitterkontaktfläche E sind durch einen gemeinsamen Kontakt miteinander verknüpft und stehen in Berührung mit den N^-Schichten und den N-g-g-Schichten der Rückseite. Die Steuerkontaktfläche G- und die Basiskontaktfläche B sind getrennt und stehen mit der Ρ,,,,-Schicht bzw. der P^-Schicht unterhalb deren freiliegenden

-DVi X)X)

Flächen in Berührung. Eine P^-Schicht ist auf der ersten

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Fläche (Oberseite) links von einer ersten Grenzlinie (gestrichelte Linie Y..-Y..) zwischen dem Thyristorteil und dem Transistörteil angeordnet. Eine freiliegende Fläche der Trennregion der P-g-Schicht besteht zwischen der zweiten Grenzlinie (Yp-Y₂)und der ersten Grenzlinie (Y₁-Y₁) und steht in Ohm'schem Kontakt mit den Kathoden-Emitter-Kontakten 5 und 7, wodurch eine Trennregion mit einem kurzgeschlossenen Emitter gebildet wird. Bei der freiliegenden Fläche der P^-Schicht handelt es sich um die freiliegende P^-Schicht, welche in die P-gQ-Sehicht des Steuerkontakts G übergeht. Die freiliegende Fläche der P^-Schicht mit dem Basiskontakt B geht über in die freiliegende Fläche der P^-Schicht, und zwar nur in dem kleinen Kreisbereich im Mittelteil. Somit besteht eine freiliegende Fläche der N-g-g-Schicht im Bereich des Emitterkontakts 5 rechts von der zweiten Grenzlinie(Yp-YJ. Die Halbleiterschichten, welche durch diese Kontaktflächen bedeckt sind, sind in Klammern () angegeben.

Bei der soeben beschriebenen Bauweise kann der Basisanschluß und der Steueranschluß durch Punktkontakt oderdurch Löten ausgeführt sein. Der Emitter und die Kathode können mittels eines Zwischenabstandsleiterelementes des gleichen Musters herausgeführt sein oder mittels eines Punktkontakts.

Erfindungsgemäß werden wie oben beschrieben ein Transistor und ein Thyristor mit in Sperrichtung beaufschlagbarer Steuerelektrode in Parallelkombination verwendet, wodurch der Löschvorgang durch Beaufschlagung der Steuerelektrode in Sperrichtung erleichtert wird. Somit eignet sich diese Schaltereinrichtung als Leistungsschaltereinrichtung, welche durch eine Steuerelektrode gelöscht oder ausgeschaltet werden kann. Somit können erfindungsgemäß Schalterelemente für große Ströme leicht verwirklicht werden. Bei dieser Halbleiterschaltereinrichtung kann der Spannungsabfall im Bereich großer Ströme leicht reduziert werden und zwar im Gegensatz zu Halbleiterschalterelementen, welche einzig von einem Transistor mit Selbstabschaltvermögen gebildet sind.

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Somit kann mit anderen Worten durch die erfindungsgemäße Einrichtung der Spitzenstoßstrom erhöht werden. Ferner können mit der erfindungsgemäßen Einrichtung Schalterelemente für große Stromstärken leichter verwirklicht werden als mit einer Schaltereinrichtung, welche einzige aus einem über die Steuerelektrode löschbaren Thyristor besteht.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung wird darin gesehen, daß die Steuerelektrode des Thyristors in Sperrichtung betrieben werden kann, wodurch der Hauptstrom auf den Transistor umgeleitet wird. Dies hat zur Folge, daß die Spannung oder der Strom für das Löschen des Thyristors über die Steuerelektrode herabgesetzt werden kann.

Ferner kann erfindungsgemäß der Thyristor und der Transistor in Kombination in der gleichen Halbleiterscheibe ausgebildet sein und zwar für die verschiedensten Schaltanwendungen . Somit können diese beiden Halbleiterelemente in Kombination im selben Paket untergebracht sein, wodurch die zugehörige Schaltung wesentlich vereinfacht werden kann.

Ferner kann man eine Verbindungseinrichtung 200 zwischen der Basis des Transistors und der Steuerelektrode des Thyristors installieren, wodurch die Schaltsteuerbarkeit verbessert werden kann. Ferner kann man eine S teuer spannung zwischen der Steuerelektrode des Thyristors und der Basis des Transistors anlegen, wodurch die Effizienz der Umleitung des Stroms vom Thyristor auf den Transistor verbessert werden kann.

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Claims

PATENTANSPRUCH E

f 1. Halbleitersclialtereinrichtung, gekennzeichnet durch ^—' einen Transistor (TR) mit einer Basis (B), einem Kollektor (C) und einem Emitter (E), einem Thyristor (CR) mit einer Steuerelektrode (G),

einem stromführenden Leistungspfad (1,2), welcher mit dem Transistor (TR) und dem Thyristor (CR) verbunden ist, wobei der Transistor (TR) und der Thyristor (CR) parallel geschaltet sind und

mit einer Einrichtung (100) zur Beaufschlagung der Steuerelektrode (G) des Thyristors (CR) in Sperrichtung unter gleichzeitiger Umleitung des Stroms des Leistungspfades (1,2) auf den Transistor (TR).
2. Halbleiterschaltereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (TR) eine Halbleiterscheibe mit drei Schichten umfaßt und daß der Thyristor (CR) eine Halbleiterscheibe mit -vier Schichten umfaßt.
3. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (200), welche die Basis (B) des Transistors (TR) mit der Steuerelektrode (G) des Thyristors (CR) verbindet.
4. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Anspräche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (V₀J₁J₁) mit der während des Löschvorgangs zwischen der Basis (B) und der Steuerelektrode (G) eine Löschsteuerspannung angelegt werden kann, welche in Bezug auf die Steuerelektrode (G) in Sperrichtung und in Bezug auf die Basis (B) in Durchlaßrichtung wirkt.
5. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine kapazitive Impedanz (Z J

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zwischen dem Kollektor (C) und der Basis (B) des Transistors (TR).
6. Halbleiterschaltereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine externe Einrichtung (8-10) zur Unterdrückung der wieder angelegten Spannung zwischen dem Kollektor (C) und dem Emitter (E) des Transistors (TR).
7. Halbleiterschaltereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die externe Einrichtung (8-10) zur Unterdrückung der wieder angelegten Spannung eine Diode (9) und einen hierzu parallel geschalteten Widerstand (10) umfaßt sowie einen zu dieser Parallelschaltung in Reihe geschalteten Kondensator (8).
8. HalbleiterSchaltereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Anlegen eines Impulsstroms zwischen Basis (B) und Emitter (E) des Transistors (TR) während des Löschvorgangs.

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