DE2627440C2 - Halbleiterschalteeinrichtung - Google Patents

Description

zugszeichen r_gb 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 r_gb 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 r_gb 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 i_m 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

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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-

Steuerelektrodenstrom ib-g eingeschaltet, so daß der derstarid γ# begrenzt ist oder durch den verzögerten Hauptstrom i_M fließen kann. Hierdurch wird die Schal- 5 Anstieg der Spannung Van verzögert ist Somit fließt

terspannung V_M 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 r_gb steigt

der Fläche der Steuerelektrodenschicht zur Fläche der 15 aufgrund eines Anstiegs der Sperrspannung Θ Vgk(zwi-

Basisschicht) sowie von anderen Faktoren. In der Zeit- sehen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors),

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-

Hauptstrom /m· Wenn der Hauptstrom /m klein ist und stieg der Spannung Vm zwischen den Hauptelektroden

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»

Hauptstrom etwa den maximal zulässigen Wert er- bis fi 1 gemäß F i g. 2(a).

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 r_gb (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 r_gb 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 V_1n 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 igo_FF beginnt in dem Maße zu sinken, in 60 des Strompfades, in dem das Impedanzelement r_gb 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

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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 D_t 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 r_NBc 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-

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 r_gb 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 (D_t, Di und r^oder der F ig. 3 und 4 Thyristor und der Transistor gemäß F i g. 2(b) unabhän- (r_gb) 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-

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 r_g 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

Ne-(NeB Nae/Schicht

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.

F i g. 8 zeigt in schematischer Darstellung eine weite-

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)

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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.

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Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 nem großen Spannungsabfall im Bereich hoher Ströme. Patentansprüche: Sie haben daher eine geringe Fähigkeit Spitzenstromstöße auszuhalten. Auch herkömmliche Thyristoren sind

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 (r_gb, 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

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

oder der Basiselektrode B des Transistors TR. Das Be-