DE2627440C2 - Halbleiterschalteeinrichtung - Google Patents
HalbleiterschalteeinrichtungInfo
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Description
zugszeichen rgb bezeichnet ein Spannungsabfallelement,
So welches ein lineares oder nichtlineares Impedanzelement sein kann, z. B. ein Widerstandselement oder ein
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterschalteinrich- Induktivitätselement, das zwischen der Steuerelektrode
tung mit einem zu einem Thyristor parallelgeschalteten G und der Basiselektrode B liegt. Dieses Spannungsab-
Transistor sowie einer Steuervorrichtung, die zwecks fallelement rgb kann Teil einer Halbleitereinrichtung
Abschalten der Halbleiterschalteinrichtung ein Durch- 55 sein, wie dies weiter unten näher erläutert werden wird,
steuern des Transistors bewirkt, wie sie aus »SCR Ma- Die Bezugszeichen D\ und Di bezeichnen Dioden, wel-
nual«, der General Electric, 2. Ausgabe, 1961, Seite 72, ehe zusammen mit dem Spannungsabfallelement rgb ei-
insbesondere Fig. 5.6B bekannt ist. ne Anschlußeinrichtung 200 bilden. Die Anode A und
Bei dieser bekannten Halbleiterschalteinrichtung er- die Kathode K des Thyristors CR sind mit dem Kollekfolgt
das Abschalten durch einen Nebenschluß des Last- 60 tor bzw. dem Emitter des Transistors 77? verbunden und
stromes um den Thyristor herum durch den durchge- der Transistor und der Thyristor sind somit parallelgesteuerten
Transistor. Dabei muß der Transistor einen schaltet
Kollektoremitterspannungsabfall bei voller Last haben, Es soll nun angenommen werden, daß bei der Schal-
der kleiner als der Spannungsabfall in Durchlaßrichtung tung gemäß F i g. 1 eine Steuerspannung v/„ und ein
des Thyristors ist, da sonst derselbe Laststrom im Thyri- 65 Steuerstrom im welche in Fig. 2(aXi) und (ii) gezeigt
stör fließt und der Thyristor nicht abgeschaltet werden sind, anliegen. Wenn der Strom /,>, positiv ist, so fließt
kann. dieser Strom als Basisstrom ibON über die Diode Eh zur
Herkömmliche Leistungstransistoren führen zu ei- Basiselektrode des Transistors TR. Ein Teil des Stroms
3 4
über das Spannungsabfallelement/^ zur Steuerelektro- In diesem Stadium gibt der Transistor jedoch noch
de des Thyristors CR. Somit werden der Transistor TR
nicht seine gespeicherten Ladungsträger frei, da die Be-
und der Thyristor CR durch den Basisstrom/fojv und den aufschlagung der Basis in Sperrichtung durch den Wi-
terspannung VM gesenkt Dieser Einsahaltvorgang fin- nun die Gesamtmenge des Hauptstroms /*# einschließ-
det während der Zeit fi bis is statt wie durch die Dia- lieh des Stroms iat, welcher zuvor durch den Thyristor
gramme (iii) und (iv) in Fig.2(a) gezeigt Die Aufstel- floß, durch den Transistor TR.
lung des Stroms auf den Transistor und auf den Thyri- Dieser Stromnebenschluß erfolgt während der Zeit ti
stör, & h. das Verhältnis der Ströme des Transistors und io bis fo wie in F i g. 2(a) gezeigt Dieser einseitige Strom-
des Thyristors hängt ab von dem Wert des Impedanz- nebenschluß auf den Transistor führt dazu, daß La-
elements />*, sowie vom Verhältnis der Stromkapazitä- dungsträger vom Transistor freigegeben werden und
ten (Strombelastbarkeit, Stromaufnahme) des Thyri- der die Basis des Transistors in Sperrichtung beauf-
stors und des Transistors (insbesondere vom Verhältnis schlagende Strom über das Impedanzelement rgb steigt
der Fläche der Steuerelektrodenschicht zur Fläche der 15 aufgrund eines Anstiegs der Sperrspannung Θ Vgk(zwi-
spanne von ii bis fc befinden sich der Transistor TR und Diese Vorgänge fördern das Freiwerden des Transistors
der Thyristor Ci? jeweils im EIN-Zustand und teilen den von in ihm gespeicherten Ladungsträgern und einen An-
der Basisstrom des Transistors TR unzureichend ist, so 20 CA und EK. Aus diesem Grunde sinkt der Hauptstrom
fließt der Hauptstrom zu einem größeren Anteil durch i'm und der Transistorstrom wird abgeschaltet Dieses
den Transistor als durch den Thyristor. Wenn der Ausschalten des Transistors erfolgt während der Zeit f»
reicht, so wird der Hauptstrom auf den Transistor und F i g. 1 veranschaulicht ein Beispiel einer Schaltung,
den Thyristor in einem Verhältnis aufgeteilt, welches 25 bei der die Basiselektrode und die Steuerelektrode
dem Verhältnis der Flächen der Halbleiterscheiben der durch eine Steuereinrichtung angesteuert werden, welbeiden Halbleiterelemente entspricht. Wenn nun der ehe zwei Anschlüsse umfaßt Bei einer alternativen Aus-Hauptstrom noch weiter anwächst so wird der Basis- führungsform können diese beiden Elektroden jedoch
strom des Transistors unzureichend und das Verhältnis auch unabhängig voneinander gesteuert Werden. Allerics/irR gemäß dem der Hauptstrom auf den Thyristor 30 dings ist bei der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform
und den Transistor aufgeteilt wird, wächst Bei Ankunft die Steuereinrichtung 100 dadurch vereinfacht, daß man
eines großen Stromstoßes fließt dieser überwiegend ein Steueranschlußpaar verwendet Diese Steuereinzum Thyristor, d. h. das Verhältnis i'cr/itr steigt noch richtung ist insbesondere günstig, wenn die Elektroden
weiter an. Im Bereich großer Ströme steigt der Span- durch eine isolierende Einrichtung hindurch angesteuert
nungsabfall zwischen der Steuerelektrode und der Ka- 35 werden. Darüber hinaus kann eine Steuereinrichtung
thode des Thyristors, so daß der Strom durch den Wi- dieses Typs leicht zusammen mit einem Transistor TR,
derstand rgb (zwischen Steuerelektrode und Basis) und einem Thyristor CR und Dioden D\ und Ih und einem
die Dioden D\ und D2 zur Basis B des Transistors fließt Impedanzelement rgb usw. zu einer integrierten Schal-Durch diese Wechselwirkung wird der Transistor vom tung zusammengefaßt werden.
Thyristor her mit Basisstrom versorgt, so daß das 40 Fig. 2(b) zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung
Stromführungsverhälten des Transistors TR im Bereich einer anderen Schalteinrichtung. Bei dieser erfolgt das
hoher Ströme verbessert wird. Einschalten des Transistors duch den Steuerstrom des
Im folgenden soll das Löschen dieser Schaltereinrich- Thyristors. Andererseits erfolgt das Ausschalten des
tung beschrieben werden. Zum Abschalten oder Lö- Thyristors dadurch, daß man die Steuerelektrode des
sehen dieser Schaltereinrichtung wird eine negative 45 Thyristors in Sperrichtung beaufschlagt und der Basis
Steuerspannung Θ V1n von der Steuereinrichtung 100 des Transistors einen Impulsstrom zuführt und dann die
bereitgestellt Aufgrund dieser Spannung wird die Steu- Basis des Transistors in Sperrichtung beaufschlagt Geerelektrode des Thyristors über die Diode A in Sper- nauer gesprochen, wird die Steuerelektrode des Thyririchtung beaufschlagt, wodurch ein Sperrstrom igOFF
stors CR zum Zwecke des Zündens des Thyristors mit fließt Der Thyristor CR ist derart aufgebaut, daß das 50 einem impulsförmigen Steuerstrom igON beaufschlagt,
über die Steuerelektrode anliegende Sperrpotential die worauf der Hauptstrom fließt Wenn ein Widerstandsgesamte Sperrelektrodenschicht oder die As-Schicht in element />£, (zwischen Steuerelektrode und Basis) vorge-Pf/vWvyTransistoren und P-Steuerelektroden-Thyri- sehen ist, so fließt aufgrund des Thyristorhauptstroms
stören beeinflußt Zu Beginn wird die Spannung zwi- ein ig~b unter der Spannung Vok (zwischen Steuerelekschen der Steuerelektrode des Thyristors und der Ka- 55 trode und Kathode des Thyristors). Dieser Strom /c-.b
thode niedrig gehalten und zwar aufgrund der inneren fließt als Basistrom k des Transistors TR, wodurch der
Impedanz der Steuereinrichtung 100 und der Freigabe Transistor in einem gewissen Maße leitend gesteuert
von in dem Thyristor gespeicherten Ladungsträgern. wird. Der Einschaltvorgang des Transistors schreitet
Während dieser Zeitdauer fließt ein großer Sperrstrom nun in dem Maße weiter voran, in dem der Widerstand
igOFF- Der Strom igoFF beginnt in dem Maße zu sinken, in 60 des Strompfades, in dem das Impedanzelement rgb liegt,
dem das Freigeben von Ladungsträgern djrch den Thy- geringer wird und der Thyristorstrom größer wird. Dieristor (das Freiwerden von Ladungsträgern) fortschrei- ser Effekt führt zu einer geringen Verzögerung des Antet. Demzufolge steigt die Sperrspannung QVck zwi- stiegs des Stroms/Vr des Transistors,
sehen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyri- Zum Zwecke des Löschens wird die Steuerelektrode
stors. Mit weiter fortschreitendem Freiwerden des Thy- 65 des Thyristors mit einem Sperrstrom igOFF beaufschlagt
ristors von Ladungsträgern wird der Thyristorstrom /c« und die Basis des Transistors wird mit einem Durchlaßschließlich abgeschaltet Dieser Thyristorlöschvorgang strom ibON beaufschlagt, wobei der Hauptstrom im über
findet während der Zeit fi bis f9 statt den Transistor nebengeschlosstn 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
Transistors abgeschaltet wird.
Gemäß F i g. 1 kann zwischen dem Kollektor und der Basis des Transistors 777 ein kapazitives Impedanzelement Zcb 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 ibON unzureichend ist oder wenn der Strom ibON von außen her nicht
fließt. !5
Die erfindungsgemäße Einrichtung ist auch anderen Schaltsteuerverfahren, weiche 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 Gesamtspannungsabfall verringert wird. Dies bedeutet mit anderen Worten, daß der Spannungsabfall in Durchlaß-
richtung 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, & h. des Quotienten aus dem Gesamt-
strom und der Gesamtfläche der Halbleiterscheiben. Auf diese Weise wird die Fähigkeit einem Spitzenstoßstrom zu widerstehen, verbessert
Darüber hinaus ergeben sich erhebliche Vorteile in bezug auf den Löschvorgang. Die Steuerelektrode des
Thyristors wird in Sperrichtung beaufschlagt ehe der Thyristor vollständig ausgeschaltet ist, so daß der Thyristorstrom schon zuvor verringert wird. Demzufolge
wird der Anstieg der beim Löschen wieder angelegten Spannung (von der Seite des Thyristors her gesehen)
unterdrückt (oder verzögert, so daß das Löschen des Thyristors erleichtert wird. Dies bedeutet mit anderen
Worten, daß durch Nebenschluß des Hauptstroms auf den Transistor die Ausschaltleistung des Thyristors verringert wird und der Ausschaltstrom der Steuerelektro-
de 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 Ze« des Thyristors CA zurr. Nenr.strorn /7« des Thyristors
77? in bezug auf eine fortlaufende Gleichstromleitung im Bereich von 1 :03 bis 10 liegt. Wenn das Verhältnis
Itr/Jcr δ 03 gilt so kann der Thyristors derart betrieben werden, daß der Nennstrom ausgeschaltet werden
kann. Wenn die Beziehung Ttr/Tcr SlO gilt so wird 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 Verhältnis der Flächen der beiden Halbleiterscheiben der integrierten
Halbleiterstruktur.
Fig.3 zeigt schematisch den Aufbau eines zusammengesetzten Halbleiterelementes gemäß vorliegender
Erfindung. F i g. 3(b) eigt die zweite Fläche (Rückseite) der Scheibe von der Seite des Emitters und der Kathode
her gesehen. Ne 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 Kathodenschicht. 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 Pb bezeichnet die zweite und sechste Halbleiterschicht (Halbleiterschichten mit gemeinsamem Anschluß) eines zweiten Leitungstyps. Dabei handelt es sich um die freiliegenden Flächen der Basisschicht und der Steuerelektrodenschicht. Ein Basiskontakt (zweiter Kontakt) 4 und ein Steuerelektrodenkontakt (fünfter Kontakt) 6 dienen als gemeinsame Elektrode und sind mit einem gemeinsamen Steueranschluß GB
verbunden. F i g. 3(a) zeigt einen Schnitt entlang der Linie X-X der Fig.3(b). Gemäß Fig.3(a) umfaßt der
Transistorteil eine erste Halbleiterschicht (Kollektorschicht) Nc 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) Pbb von einem zweiten Leitungstyp dessen freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt Ferner umfaßt der Transistorteil eine dritte Halbleiterschicht
(Emitterschicht) Nee (die erste Region von Ne) eines ersten Leitungstyps, deren freiliegende Fläche in der
zweiten Fläche liegt Der Thyristorteil umfaßt eine vierte Halbleiterschicht (Anodenschicht) Pe 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 Konakt 3 verbunden ist) der mit
dem ersten Hauptstromanschluß CA verbunden ist Ferner umfaßt der Thyristorteil eine fünfte Halbleiterschicht Nb (Fortsetzung der Kollektorschicht Nc) eines
ersten Leitungstyps sowie eine sechste Halbleiterschicht (Steuerschicht) Pbg eines zweiten Leitungstyps
deren freiliegende Fläche in der zweiten Fläche liegt Ferner umfaßt der Thyristorteil eine siebte Halbleiterschicht (Kathodenschicht) Nek 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 Aufwachsmethoden.
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 der Fig.3(d) zeigt, so daß der Steuerstrom in die Pb-Schicht eintreten kann. Zu diesem Zweck sind Streifenwiderstände mit einer Dicke von 10 bis 30 μ über den
Trennbereichen Y der /VSchicht vorgesehen. Mit dieser Anordnung wird ein Widerstand />* eines gewünschten Wertes zwischen der Steuerregion Pbg und der Basisregion Pbb vorgesehen.
Zu Beginn des Einschaltvorgangs erfolgt die Einschaltung von der Steuerelektrodenseite des Thyristors her
und der Basisstrom, welcher zum Transistors 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
7 8
F i g. 1 und 2(a). storregion und F i g. 5(c) zeigt einen Querschnitt entlang
F i g. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer ver- der Linie Xi-Xi der Transistorregion und F i g. 5(d) zeigt
besserten Ausführungsform der erfindungsgemäßen einen Schnitt entlang der Linie Xy X3 über die Thyri-
Halbleiterschaltereinrichtung, wobei ein Trennbereich storregion und die Transistorregion. Ein Emitterkontakt
Y zwischen der vierten Schicht und der dritten Schicht s 5 und ein Kathodenkontakt 7 sind einstückig ausgebil-
des Thyristors vorgesehen ist. Ziel dieser Anordnung ist det und mit dem zweiten Hauptstromanschluß EK ver-
es, zu verhindern, daß Ladungsträger in die Basisschicht bunden. Ein Basiskontakt 4 ist über eine Zenerdiode
Ne auf der Seite der Thyristoranode injiziert und diff un- ZDi mit dem Steueranschluß GB verbunden. Ein Steu-
diert werden, so daß auf diese Weise die Abschaltcha- erkontakt 6 ist über eine Diode D\ mit dem Steueran-
rakteristik (Stromausschaltcharakteristik) der Thyri- io schluß GB verbunden. Die Dioden Dt und ZD1 können
storregion verbessert wird. Somit dient mit anderen installiert werden, indem man eine Diodenhalbleiterpa-
Worten die Trennregion Y zur Begrenzung eines Phä- stille mit der Kontaktfläche verlötet oder verbindet. Die
nomens durch das der Kollektorstrom welcher durch Diode ZDi wird (wie in F i g. 1) zu Beginn des Löschvor-
den Widerstand tnbc fließt (der der Ausbreitung der gangs nicht eingeschaltet, wobei der Sperrstrom zwi-
Ladungsträger entgegenwirkt), sowie der Kollektor- 15 sehen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyri-
strom, welcher durch die Schichten Pe-Nb-Pbb fließt, stors gering ist (aufgrund einer Ladungsträgerfreigabe
durch »Faltung« (duch einen gewundenen Strom) ne- vom Thyristor). Wenn die Sperrspannung zwischen der
bengeschlossen wird. Ferner verhindert dies eine La- Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors gegen
dungsträgerdiffusion in die Λ/β-Schicht (was einer La- Ende der Ladungsträgerfreigabe vom Thyristor an-
dungsträgerrekombination in der Region rNBc züge- 20 steigt, so wird die Zenerdiode ZDi eingeschaltet, so daß
schrieben wird). die Basis-Emitter-Strecke des Transistors in Sperrich-
Ein offener Emitter (oder ein partiell kurzgeschlosse- tung beaufschlagt wird. Auf diese Weise geht einer Bener
Emitter) N0 kann in der Region zwischen der Thyri- aufschlagung des Transistors in Sperrichtung mit Sistorskathodenschicht
und der Transistoremitterschicht cherheit die Abschaltung des Thyristors voran, so daß
vorgesehen sein. Dies erlaubt den Widerstand rgb zwi- 25 eine optimale Aufeinanderfolge der Abschaltvorgänge
sehen der Steuerschicht Pbc und der Basisschicht Pbb auf oder Löschvorgänge gewährleistet wird,
den gewünschten Wert einzustellen. F i g. 6 zeigt schematisch eine weitere erfindungsge-
den gewünschten Wert einzustellen. F i g. 6 zeigt schematisch eine weitere erfindungsge-
Die Wirkung der Trennung zwischen dem Thyristor- mäße Halbleiterschaltervorrichtung, bei der ein Schalteil
und dem Transistorteil kann verbessert werden, in- tungsnetzwerk 200 zwischen der Steuerelektrode des
dem man den Widerstand rgb so hoch wie möglich wählt. 30 Thyristors und der Basis des Transistors liegt Dabei
Wenn man diesen Aufbau zum Zwecke einer Erhöhung handelt es sich vorzugsweise um Schaltungselemente
des Ausschaltgrenzstroms anwendet so können der der Art der Fig. 1 (Dt, Di und r^oder der F ig. 3 und 4
Thyristor und der Transistor gemäß F i g. 2(b) unabhän- (rgb) oder der F i g. 5 (D\ und ZDi) oder um die Ausfühgig
gesteuert werden. Wenn andererseits die obige An- rungsformen (i), (ii) oder (iii) der F i g. 6(c) od. dgl. Diese
Ordnung zum Zwecke einer Herabsetzung oder Elimi- 3s Schaltungselemente dienen dazu, den Einschalt- und
nierung der Basisstromzufuhr zum Transistor verwen- Ausschaltsteuerstrom und die Einschalt- und Ausdet
wird (ein solcher Basisstrom wird ständig zugeführt, schaltsteuerspannung in geeigneter Weise auf die Steuum
den Transistor leitend zu halten), so ist es erforder- erelektrode und die Basis aufzuteilen. Für diese Steuelich,
in die Schaltung zwischen dem Thyristorsteueran- rung genügt ein Paar von Steueranschlüssen,
schluß und der Transistorbasis einen externen Wider- 40 In F i g. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 300 eine exstand mit geringem Widerstandswert eine Diode oder terne Einrichtung zur Unterdrückung det wieder angeein anderes geeignetes Element einzusetzen. Auf diese legten Spannung, welche z. B. eine Diode 9, einen Wi-Weise kann die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen derstand 10 und einen Kondensator 8 umfaßt. Hier-Schaltereinrichtung modifiziert werden. Der Kathoden- durch wird die Ausschaltleistung des Thyristors 7"Ä geanschlußiCund der Emitteranschluß Ekönnen getrennt 45 senkt Fig. 6(b) zeigt das Ausschalt-Rückstromstoßvorgesehen sein. Eine solche Anordnung erlaubt den Diagramm, wobei der Strom i'tr gegen die Spannung Vm Anschluß einer erforderlichen Schaltung zwischen den aufgetragen ist Diese Figur veranschaulicht den Überbeiden Anschlüssen, so daß die Gesamtschaltungscha- gang vom normalen EIN-Zustand (ON) bis zum vollen rakteristik in geeigneter Weise modifiziert werden AUS-Zustand (OFF) über den Thyristorgrenzpunkt kann. Man kann z. B. eine Hilfsimpulsspannung anlegen, 50 (CR OFF). Die Spannung Vi im Grenzpunkt des Transiderart, daß beim Löschen die Seite K ein positives Po- stors (im Abschaltpunkt des Transistors) beim Transitential annimmt und die Seite E ein negatives Potential storsstrom i'tr (gleich dem Gesamtstrom im beim Abannimmt Hierdurch kann die Löschcharakteristik ver- schalten) wird kleiner gemacht als die endgültige AUS-bessert werden. Diese Hilfsimpulsspannung kann von Spannung V2 (OFF). Hierdurch ist es möglich, einen einem Impulstransformator zwischen dem Kathodenan- 55 Strom (oder eine Spannung) auszuschalten, welcher so schluß K und dem Emitteranschluß E verwirklicht wer- groß ist daß er nicht durch den Transistor alleine ausgeden oder durch ein Induktivitätselement mit gegenseiti- schaltet werden könnte. Somit kann erfindungsgemäß ger induktiver Kopplung od. dgL zwischen dem Katho- ein Strom (oder eine Spannung) ausgeschaltet werden, denanschluß K und dem Emitteranschluß K Dies kann welcher den Grenzpunkt (den Sperrgrenzpunkt) eines geschehen, ohne daß hierdurch die normale Stromlei- eo Thyristors, welcher durch Beaufschlagung der Steuertung beeinträchtigt wird. elektrode in Sperrichtung eingeschaltet wird, bei wei-
schluß und der Transistorbasis einen externen Wider- 40 In F i g. 6 bezeichnet das Bezugszeichen 300 eine exstand mit geringem Widerstandswert eine Diode oder terne Einrichtung zur Unterdrückung det wieder angeein anderes geeignetes Element einzusetzen. Auf diese legten Spannung, welche z. B. eine Diode 9, einen Wi-Weise kann die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen derstand 10 und einen Kondensator 8 umfaßt. Hier-Schaltereinrichtung modifiziert werden. Der Kathoden- durch wird die Ausschaltleistung des Thyristors 7"Ä geanschlußiCund der Emitteranschluß Ekönnen getrennt 45 senkt Fig. 6(b) zeigt das Ausschalt-Rückstromstoßvorgesehen sein. Eine solche Anordnung erlaubt den Diagramm, wobei der Strom i'tr gegen die Spannung Vm Anschluß einer erforderlichen Schaltung zwischen den aufgetragen ist Diese Figur veranschaulicht den Überbeiden Anschlüssen, so daß die Gesamtschaltungscha- gang vom normalen EIN-Zustand (ON) bis zum vollen rakteristik in geeigneter Weise modifiziert werden AUS-Zustand (OFF) über den Thyristorgrenzpunkt kann. Man kann z. B. eine Hilfsimpulsspannung anlegen, 50 (CR OFF). Die Spannung Vi im Grenzpunkt des Transiderart, daß beim Löschen die Seite K ein positives Po- stors (im Abschaltpunkt des Transistors) beim Transitential annimmt und die Seite E ein negatives Potential storsstrom i'tr (gleich dem Gesamtstrom im beim Abannimmt Hierdurch kann die Löschcharakteristik ver- schalten) wird kleiner gemacht als die endgültige AUS-bessert werden. Diese Hilfsimpulsspannung kann von Spannung V2 (OFF). Hierdurch ist es möglich, einen einem Impulstransformator zwischen dem Kathodenan- 55 Strom (oder eine Spannung) auszuschalten, welcher so schluß K und dem Emitteranschluß E verwirklicht wer- groß ist daß er nicht durch den Transistor alleine ausgeden oder durch ein Induktivitätselement mit gegenseiti- schaltet werden könnte. Somit kann erfindungsgemäß ger induktiver Kopplung od. dgL zwischen dem Katho- ein Strom (oder eine Spannung) ausgeschaltet werden, denanschluß K und dem Emitteranschluß K Dies kann welcher den Grenzpunkt (den Sperrgrenzpunkt) eines geschehen, ohne daß hierdurch die normale Stromlei- eo Thyristors, welcher durch Beaufschlagung der Steuertung beeinträchtigt wird. elektrode in Sperrichtung eingeschaltet wird, bei wei-
F i g. 5 zeigt in schematischer Darstellung ein Halblei- tem übersteigt
terelement einer anderen Ausführungsform der Erfin- Fig. 7 zeigt in schematischer Darstellung eine weite-
dung. Fig.5(b) zeigt die Rückseite der Halbleiterein- re Schaltsteuermethode und den zugehörigen Aufbau
richtung mit einem Muster von freiliegenden Flächen 65 der erfindungsgemäßen Halbleitereinrichtung. F ig.7(a)
der PB-SchichtfjPß&PiMsJund der Λ/f Schicht (Nek. ΝεεΧ zeigt ein Steuerschaltbild bei Einschaltbetrieb, wobei
wobei die Kontakte nicht gezeigt sind. F i g. 5(a) zeigt die Steuerströme der Steuerelektrode und der Basis von
einen Querschnitt entlang der Linie Xt-Xi der Thyri- einer Spannung Von zugeführt werden, und zwar über
einen Schalter Son und über eine Diode Eh und einen
Widerstand rg bzw. über eine Diode D* und einen Widerstand Tb. Wenn der Thyristor im wesentlichen in Betrieb ist, wobei der Thyristor am Hauptstrom teilhat, so
liegt eine Spannung Von, über einen Schalter Son, an der Thyristor-Steuerelektrode an, wie durch die gestrichelte Linie dargestellt ist In diesem Falle wird dem
Thyristorteil ein Einschaltsteuerstrom zugeführt und zwar aufgrund der Basis-Emitter-Kippcharakteristik
(Zenerdiodencharakteristik) des Transistors.
Beim Auschaltbetrieb liegt eine Spannung Voff zwischen Steuerelektrode und Basis, so daß die Thyristorbasis in Durchlaßrichtung oder Vorwärtsrichtung beaufschlagt wird und die Steuerelektrode des Thyristors
in Sperrichtung beaufschlagt wird.
Diese Haibleitereinrichtung umfaßt eine /VSchicht
zur Bewirkung einer Trennung zwischen dem Thyristorteil und dem Transistorteil und eine Pas-Schicht, welche
mit den Emitterkontakten 5 und 7 verbunden ist. F i g. 7(b) zeigt eine Ansicht der Rückseite mit einem
Muster der freiliegenden Flächen der Halbleiterschicht und F i g. 7(c) zeigt ein Muster von Kontakten 4 bis 7
entsprechend dem in Fig.7(b) gezeigten Muster. Die freiliegende Fläche Pbs der Trennregion Pb gemäß
F i g. 7(b) steht dabei in Ohm'schem Kontakt mit den Emitter-Kathoden-Kontakten 5 und 7 gemäß F i g. 7(c).
Beim Ausschaltbetrieb oder Löschbetrieb arbeitet die Einrichtung gemäß Fig.7(d) wobei der Steuerstrom
entlang einer Schleife fließt, welche durch Pfeile markiert ist:
, 7)-Nek-Pbg-G
wie durch die gestrichelte Linie dargestellt wird. Bei diesem Betrieb fließt der Steuerstrom durch die Kontakte S und 7, da die Dicken der
Pb- (Pbb. Paa Pas>Schicht
und der
beträchtlich geringer sind als die Breiten der Streifenmuster gemäß F i g. 7(b) und F i g. 7(c). Zum Beispiel ist
gemäß F i g. 7(d) der seitliche Ausbreitungswideretand wesentlich höher als der Longitudinalwiderstand.
Diese 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 den Strom, weicher auf
Ladungsträger zurückgeführt wird, die von dem Thyristor zufolge der Steuerelektrodenbeaufschlagung freigegeben werden. Der Hauptstrom iu 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 Dannn wird schließlich der Hauptstrom abgeschaltet Sedann wird der Schalter Soff 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 Haupt
stroms auf den Transistor gleichzeitig und in Form eines automatischen Vorgangs.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen 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 einem Transistor vom PN P-Typ kombinieren. Ferner kann
man einen Thyristor mit einer Steuerschicht vom N-Typ
to und einen Transistor vom NPN-Typ kombinieren oder einen Thyristor mit einer Steuerschicht vom P-Typ und
einen Transistor vom PN P-Typ kombinieren. Jede dieser Kombinationen kann ir '. :pt gemeinsamen Halbleiterscheibe ausgebildet sein. Zum Beispiel kann ein Thy-
ristor 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 Λ/β-Schicht auf der Anodenseite parallel zur /^Schicht freiliegt und eine N-Steuerelektrode installiert ist. Ein Thyristor mit einer
Steuerschicht vom P-Typ und ein Transistor vom PNP-
Typ können in Kombination derart ausgeführt sein, daß
eine /ΈΕ-Schicht (in gleicher Höhe wie die Thyristor
Pf-Schicht) anstelle der ΛΉ-Schicht auf der Λ/c-Seite
vorgesehen wird und daß die Nc-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 F i g. 4 kann der Thyristorteil modifiziert sein. Einmal kann ein kleiner Verteilungsbereich (ein Kurzschlußemitter (short emitter) auf
der Anodenseite) der Λ/β-Schicht vorgesehen sein, welche sich durch die /^Schicht erstreckt und mit dem
Anodenkontakt kurzgeschlossen ist Zum anderen kann ein kleiner Verteilungsbereich (ein Kurzschlußemitter
auf der Kathodenseite) der PßG-Schicht vorgesehen
sein, welche sich durch die Nat-Schicht erstreckt und
zum Kathodenkontakt kurzgeschlossen ist Durch eine derartige Anordnung kann die Löschcharakteristik und
die Spannungsblockierungscharakteristik verbessert werden.
Wie F i g. 4 zeigt, kann die AtSchicht und die Nb-Schicht in eine Schicht mit hohem spezifischem Widerstand und eine Schicht mit niedrigem spezifischem Widerstand n+ unterteilt sein.
re Ausführungsform der Erfindung, welche für eine
Halbleiterschaltervorrichtung für hohe Leistungen in Form eines flachen Pakets geeignet ist F i g. S(b) zeigt
eine Draufsicht des Musters der zweiten Fläche (Boden), wobei die Grenze zwischen den Kontakten in ei-
nem vergrößerten Kreisausschnitt gezeigt ist Die Kathodenkontaktfläche K und die Emitterkontaktfläche E
sind durch einen gemeinsamen Kontakt miteinander verknüpft und stehen in Berührung mit den Afex-Schichten und den Afe-Schichten der Rückseite. Die Steuer-
kontaktfläche G und die Basiskontaktfläche B sind getrennt und stehen mit der Pec-Schicht bzw. der Pbb-Schicht unterhalb deren freiliegenden Flächen in Berührung. Eine /^Schicht ist auf der ersten Fläche (Oberseite) links von einer ersten Grenzlinie (gestrichtelte Linie
Yi- Ki) zwischen dem Thyristorteil und dem Transistorteil angeordnet Eine freiliegende Fläche der Trennregion der Pfl-Schicht besteht zwischen der zweiten
Grenzlinie (Y2-Y2) und der ersten Grenzlinie (Yi-Yi)
11
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 Pas-Schicht handelt es sich
um die freiliegende Ρβ-Schicht, welche in die Pbg-Schicht des Steuerkontakts G übergeht. Die freiliegende Fläche der Ρββ-Schicht mit dem Basiskontakt B geht
über in die freiliegende Fläche der /VSchicht, und zwar
nur in dem kleinen Kreisbereich im Mittelteil. Somit besteht eine freiliegende Fläche der /VfE-Schicht im Bereich des Emitterkontakts 5 rechts von der zweiten
Grenzlinie (Yi-Yi). Die Halbleiterschichten, welche
durch diese Kontaktflächen bedeckt sind, sind in Klammern () angegeben.
Bei der soeben beschriebenen Bauweise kann der Basisanschluß und der Steueransch'.uß durch Punktkontakt
oder durch 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 erleich- 2s
tert wird. Somit eignet sich diese Schaltereinrichtung als Leistungsschaltereinrichtung, welche durch eine Halbleiterschaltereinrichtung 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. 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 ! ι aus einem über die Steuerelektrode löschbaren Thyri-S stör 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 Steuerspannung 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.
65
Claims (5)
1. Halbleiterschalteinrichtung mit einem zu einem nicht sehr praktisch, da es schwierig ist, sie über die
Thyristor parallelgeschalteten Transistors sowie ei- s Steuerelektrode zu löschen und die erforderlichen
ner Steuervorrichtung, die zwecks Abschalten der Löscheinrichtungen sind kompliziert Außerdem ist es
Halbleiterschalteinrichtung ein Durchsteuern des schwierig, herkömmliche über die Steuerelektrode
Transistors bewirkt, dadurch gekennzeich- löschbare Thyristoren herzustellen, welche eine große
net, Stromkapazität haben. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß zwischen der Steuerelektrode (G) des Thyristors io daß der Betrieb der Steuerelektrode in Sperrichtung
(CR) und der Basis (B) des Transistors (TR) eine beim Löschen des Thyristors eine Stromkonzentrierung
Impedanz (rgb, F i g. 1,3; 200, F i g. 5,6; γ# η* F i g. 7) induziert und somit zu heißen Flecken in einem von der
vorgesehen ist, Steuerelektrode räumlich getrennten Bereich führt
daß die Steuervorrichtung (100) zwecks Abschal- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eitung der Halbleiterschalteinrichtung die Steuerelek- 15 ne Halbleiterschalteinrichtung zu schaffen, welche einen trode (G) des Thyristors (CR) in Sperrichtung an- Thyristor mit in Sperrichtung betreibbarer Steuereleksteuert (F i g. 2(a) (i), F i g. 2(b) (i)) und trode und einen Transistor in Kombination umfaßt und daß die Steuervorrichtung (100) zuwecks Einschal- bei dem der Spannungsabfall im Bereich hoher Ströme tung der Halbleiterschalteinrichtung ein kurzzeiti- verringert ist und das Löschen des Thyristors erleichtert ges Zündsignal an die Steuerelektrode (G) des Thy- 20 ist Dies wird durch die im Anspruch I gekennzeichneristors (CR) (F ig. 3, Fig.2(b) (i)) oder ein Dauer- ten Merkmale erreicht
daß die Steuervorrichtung (100) zwecks Abschal- Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eitung der Halbleiterschalteinrichtung die Steuerelek- 15 ne Halbleiterschalteinrichtung zu schaffen, welche einen trode (G) des Thyristors (CR) in Sperrichtung an- Thyristor mit in Sperrichtung betreibbarer Steuereleksteuert (F i g. 2(a) (i), F i g. 2(b) (i)) und trode und einen Transistor in Kombination umfaßt und daß die Steuervorrichtung (100) zuwecks Einschal- bei dem der Spannungsabfall im Bereich hoher Ströme tung der Halbleiterschalteinrichtung ein kurzzeiti- verringert ist und das Löschen des Thyristors erleichtert ges Zündsignal an die Steuerelektrode (G) des Thy- 20 ist Dies wird durch die im Anspruch I gekennzeichneristors (CR) (F ig. 3, Fig.2(b) (i)) oder ein Dauer- ten Merkmale erreicht
steuersignal während der gewünschten Leitphase Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeich-
der Halbleiterschalteinrichtung an die Basis (B) des nung näher erläutert Es zeigt
Thyristors (CR)(F i g. 1, F i g. 2(a) (i)) abgibt F i g. 1 ein Schaltbild einer Ausführungsform der Er-
2. Halbleiterschalteinrichtung nach Anspruch 1, 25 findung,
dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Ausschaltung Fig.2a und 2b Wellenformdiagramme zur Verander
Halbleiterschalteinrichtung eine Gleichspan- schaulichunj der bei der Schaltung gemäß F i g. 1 ablaunungsquelle
(Voff) zwischen die Steuerelektrode fenden Steuervorgänge,
(G) des Thyristors (CR) und die Basis (B) des Transi- F i g. 3 bis 5 schematische Prinzipdiagramme zur Verstors
^7Ty geschaltet wird (F ig. 7). 30 anschaulichung des Aufbaus der erfindungsgemäßen
3. Halbleiterschalteinrichtung nach Anspruch 1, Halbleiterschalteinrichtungen,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kollek- F i g. 6a bis 6c ein Schaltbild und zugehörige graphi-
tor (C) und der Basis (B) des Transistors (TR) eine sehe Darstellungen einer weiteren Ausführungsform
kapazitive Impedanz (Zd) vorgesehen ist (F i g. 6). der erfindungsgemäßen Halbleiterschalteinrichtung,
4. Halbleiterschalteinrichtung nach Anspruch 1 35 F i g. 7a bis 7d schematische Darstellungen der Bauoder
3, dadurch gekennzeichnet daß eine Einrich- weise der erfindungsgemäßen verbesserten Halbleitertung
(8,9,10) zur Unterdrückung der wieder ange- Schalteinrichtungen und
legten Spannung zwischen dem Kollektor (C) und F i g. 8a und 8b schematische Darstellungen einer
dem Emitter (E) des Transistors (TR) vorgesehen ist weiteren Ausführungsform der Erfindung.
(F i g. 6). 40 In den Fig.! bis 8 sind gleiche oder sich entsprechen-
5. Halbleiterschalteinrichtung nach Anspruch 4, de Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen,
dadurch gekennzeichnet daß die Einrichtung (8, 9, F i g. 1 zeigt einen Thyristor CR, dessen Steuerelek-10) zur Unterdrückung der wieder angelegten Span- trode in Sperrichtung betreibbar ist sowie einen Transinung eine Diode (9) und einen zu ihr parallelgeschal- stör TR und eine zu steuernde Lastschaltung 1,2, welche teter, ohmschen Widerstand (10) umfaßt sowie zu 45 z. B. eine Stromquelle und eine Last umfaßt. Das Bedieser Parallelschaltung ein Kondensator (8) in Rei- zugszeichen 100 bezeichnet eine Steuereinrichtung zur he geschaltet ist (F i g. 6). Ansteuerung der Steuerelektrode G des Thyristors CR
dadurch gekennzeichnet daß die Einrichtung (8, 9, F i g. 1 zeigt einen Thyristor CR, dessen Steuerelek-10) zur Unterdrückung der wieder angelegten Span- trode in Sperrichtung betreibbar ist sowie einen Transinung eine Diode (9) und einen zu ihr parallelgeschal- stör TR und eine zu steuernde Lastschaltung 1,2, welche teter, ohmschen Widerstand (10) umfaßt sowie zu 45 z. B. eine Stromquelle und eine Last umfaßt. Das Bedieser Parallelschaltung ein Kondensator (8) in Rei- zugszeichen 100 bezeichnet eine Steuereinrichtung zur he geschaltet ist (F i g. 6). Ansteuerung der Steuerelektrode G des Thyristors CR
oder der Basiselektrode B des Transistors TR. Das Be-
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