DE2739187A1 - Steuerbarer halbleitergleichrichter mit einer mehrzahl von schichten unterschiedlichen leitfaehigkeitstyp - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Halbleitergleichrichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bereits ein lichtsteuerbarer Halbleitergleichrichter mit einer Mehrzahl von Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps bekannt, bei dein zwecks Vermeidung einer Zündung durch Storströme der durch optische Einstrahlung zündbare Boreich der katbodeiiseitigen η -Emitterschicht ein Kompensationspotential erhält, das mit dem Störpotential der benachbarten Zwischenschicht in gleicher· Richtung geht; hierdurch wird erreicht, daß trotz hoher Zündempfindlichkeit dxi/dt-Störziindungen und Zündungen durch hoho Sperrströme vermieden sind (DT-OS 25 Ί9 563). Der licht steuerbare Halbleitergleichrichter besteht aus vier Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, wobei die kathodenseitige η -Emitterschicht neben dem strahlungseinpfindlichen Bereich weitere Dereiche umfaßt, die über eine Hauptelektrode miteinander verbunden sind, die auch mit der dieser η -Emitterschicht benachbarten Zwischenschicht Kentakt hat, so daß für einen Teil dan· η -Eini <t nrisoni.r-lit Emitterkurzschlüsse gebildet sind. Um bei Auftreten von StörstroV.ien dem strah lung se mpf indlicijeii Ueroicl·. der η —EmitterscJiiclit ein dein Störpotentini der benachbartem Zwischenschicht entspx echundes Potential au erteilen, vircl das mn Rand tier benachbarten Zwischenschicht auftretende Potential mittels eines* ohmscheii Verbiiufxiiig an den ptrehlxt.nKsentpfiiidlichcn ßereich gelegt.

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Durch diners Kompenpavionsverfahren ist eine Entkopplung der optischen Zündeinpfindlichkeit von der Stör-Zündempfiridl.ichke.it erreicht , da das an der benachnarten Zwischenschicht am Rand auftretende Potential durch die Einstrahlung optischer Zümienergie nicht beeinflußt wird, jedoch durch die St ör.st röine , wie vorstehend erläutert.

Durch die auftretenden Störströme kann das Störpotential der benachbarten Zwischenschicht beträchtliche Werte annehmen; das hcrangczofpiK! Randpotential der benachbart en Zwischenschicht soll nun möglichst genau dom maximal auftretenden Potential der /v^ischenschicht innerhalb ties strahlungsempfindlioheii Bereichs eier η -Emitterschicht ent r.precheu, da sich Unterschiede dieser Potentiale als unzurci chondc Kompensation ausv/irkt und dor Halbleitergleichrichter dann doch immer noch stiir7,iindri3pfii?(!].ich ist. Bei hoch licht zündempfindlichen HaIblcj.tovgleichrichtern der beschriebenen Art entsteht ein dement sp7 cclioji.d auch besondere holies Störpotential in der benachbarten Zwischenschicht, das nur durch ein entsprechend hohes, den stralilungscüinf i.mild chen. Boroich beeinflussendes Potont.ial kotii])fv, .es-i fj.i.'t i.^T''i"rtc>j' kfiiinj box dci) auf'tret enden holirn Potentialen ist die Einstellung des das Sterpotentinl kompensiereiKlcn Potentials mit S'clivd.origköiteii verbunden, lvie nachsr.c;bfi)d näher nr.läutert (-'ird.

Box den Leistungsbixuelenient cn di r vorr-tehend genannten Art tictcii beispielsveie« du/dt -Auf oj df rungoji von über 10Ü0 ν/με

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(bei 125 C) auf, welche Störströme hervorrufen mit einer kapazitiven Stromdichte-Spitze von einigen mA/mm . Bei Bauelementen ohne Kompensation des Störpotentials beträgt die zulässige Potentialerhöhung der benachbarten Zwischenschicht gegenüber der η -Emitterschicht bei 125 C < 0,4 V.

Andererseits muß für eine optische Zündung des Bauelementes bei etwa 25 C der optisch generierte Steuerstrom zu einer Potentialerhöhung von etwa 0,7 V führen; soll dither eine

/2 zündempfindliche Struktur (beispielsweise 0,5 inA/ram optisch generierte Steuarstromdichte) einer du/dt-Störung von etwa 2000 v/\is widerstehen, so müssen Störpotentinle in der Größenordnung von 7 V kompensiert Korden, wobei die Kompensationsspannung folglich >6,6 V betrogen muß; es ist jtMloch tJberkompensation zu vermeiden, damit das Element noch in ansteigende Spannungsflanken gezündet worden kann.

Die vorstehend genannten Werte für dc\r> Störpotential liegen in der Prexis nvegcn der unvermeidbaren technologischen Toleranzen oft noch höher; es ist sowohl schwierig, das Kompunsationspotential zu "treffen", als auch technisch aufwendig, dieses in der erforderlich ;n Höhe zu erzeugen (selektives Einätzen eines Bereiches mit definiertem Flfichojiwiderstuud).

Es ist auch bereits ein optisch Kündbarer Halbleitergleichrichter bekannt, der eine Vierschichconstruktur aufweist und bei dem zwischen der Kathodenelektrode und der Steucr-

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basiselektrode ein ohinscher Widerstand angeordnet ist, durch den die optische Ziindempfindlichkeit und auch die Störzündemprindlichkeit einstellbar ist j ein relativ hoher Widerstand ergibt eine entsprechend hohe ZündempfindIi chkeit , da bereits geringe Steuerströme (sowohl optisch generierte, als auch Störströme) ein entsprechend hohes Steuerbasispotontial erzeugen, liegen seiner Störzündanfälligkoit bei den technisch erforderlichen optischen Zündempfindlichkeiten wird dieser Halbleitergleichrichter nur in einem kleinen Leistungsbereich eingesetzt (SCIi MANUAL 1972, General Electric Comp., S. ^lh l'i bis 417).

Schließlich sind auch durch einen Steuerstrom zündbare Hiilbleitergleichrichter bekannt, die mit einer Zündelektrode ausgerüstet sind, an der die Zündung durch den Steuerstrom erfolgt (Dynamische Probleme der Thyristorteohnik, VDE-Verlag GmbH, Berlin 1971) S. 128-13Ö).

Wird e.i η derartige!' Halbleitergleichrichter für geringe Steuer.Leistungen ausgelegt, so ist dieser auch im du/dt-Störfall entsprechend zündempfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei hoch zündungcuinpfindiichen steuerbaren Halblcitergleichrichtern beliebiger konstruktiver Ausbildung mii/hoher du/dt -Belastung und entsprechend hohen Störpotentialen der Steuerbasissch.icht eine Kompensation dieser Störpotentiale zu erzielen und bei bereits störkompensierten steuerbaren Halbleitergleichrichter!! die Kompensation zu vereinfachen. _

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Diese Aufgabe vii'd erfiridungsgemäß nach der im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahme gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind den Vnteransprüchen z.u entnehmen.

Der durch die Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß durch die Begrenzung nur noch relativ niedrige Stör- und Kompensationspotentiale erreicht sind, so daß die Abgleichempfindlichkoit stark vermindert ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Handelektrode der benachbarten Zwischenschicht nunmehr wegen des geringen, von ihr zu liefernden Kompensationspot. entiols besonders günstig als Steuerelektrode benutzbar ist; dies ist beim bekannten ctörpotentialkoinpensiert.cn , licht zündbaren Halb] oitcrglnichrichter durch die hohen, an dieser Elektrode auftretenden Kompensationspotentiale erschwert , die eine relativ hoehohinige Abtrennung dieser Elektrode erfordern, so daß ciiie Auf zündung über tlip.se Elektrode init relativ niedr.i.gen Spannungen nicht möglich ist. Ein weiterer Vorteil bestellt darin, daß das I'oiirnensiitiomspotential nieVi+. mehr v«i". Haudbcrcirh des Halb·· leitorj^leichrichtcrs abgenommen zu werden braucht und diinijt große Freiheit in seiner D.vuforci besieht.

Die Erfindung wird nachstellend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbcispiclen näher erläutert .

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Ee zeigen

Fig* 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen

liebt steuerbaren Ilalbleitergleichricht ers , Fig. 2 zwei Diagramme mit den bei Auftreten von Störströmen aüi Halbleiterkörper entstehenden Stör-

uncJ Koiapensationpotentialen und deren Begrenzung, Fig<3& eine bekannte Ausbildung eines nicht störpotentialkompensierten, lichtsteuerbaren Halblcitergloich-

richters in Schnittansicht,
Fig.3b den Halbleitergleichrichter nach der Fig. 3a mit

einer Störpotentialkomponsation, Fig. 't ein Diagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise

de;? Ualbleitergleichrichters nach der Fig. 3b, Fig. 5 eine Λν-eitere Ausbildung eines lichtsteuerbaren, störpotentia!kompensierten Halbleitergloichrichters in Draufsicht und Schnitt.ansichi: ,

Fig. G ein Potentialdj agramiii zur Ausbildung nacli der Fig. 5·, Fig. 7 eim? Ausbildung einet; stromziindbaren, stöx*potentio.lkompensi crt en Ilalbleiterglcichrichtcrs in Schnitt -■

an?jeht,
Fig. 8 nisi DiagrciiKin mit dcjt bei Auftreten von Stdrströitien elin Halbleiterkörper nach Fig. 7 entstehenden Stör-

unc! K oiUjjons-.a+". ion spot oiitialon und deren Begrenzung, Fig. 9 die Ausbildung einer bei άοη Halbleitergleichrichter« ν*ίΐ·κ<; iid υ ton int ügriertcn Halbleiterdiode .

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Der Halbleitergleichrichter 1 nach der Fig. 1 besteht aus einer ersten η -Emitterschicht 2 mit einer ersten ringförmigen Hauptelektrode 3» die auch ohir.schen Kontakt mit einer benachbarten p-Steuerbasisschicbt k macht, der eine n-Schicht|5 folgt, an die sich eine zweite ρ -Emitter-· schicht 6 mit einer zweiten Hauptelektrode 7 anschließt. Die η -Emitterschicht 2 hat einen der Lichtstrahlung 8 ausgesetzten Bereich 9 mit einer Ring-Elektrode 10. Am Rand der p-Steuerbasisschicht k ist eine Ring-Elektrode 11 angeordnet, die über eine Leitung 12 mit der Elektrode 10 des Dereiches 9 der η -Emitterschicht 2 verbunden ist.

Bei Auftreten von du/dt-Störströmen odsr Vorwäi-ts-Sperrstrcmen entsteht im Mittelteil der p-SteuerbaaxKSchicht ¹I ein Störpotential ψ , das eine Störzündung bewirkt; um dies zu ver-/ cap

meiden, wird dem Zündbereich 9 der η -IDinitterschicht 2 ein etwa dem Störpotential ψ entsprechendes Kompens&tions-

potential ψ erteilt; dieses Potential tritt an der Rand-/comp '

elektrode II auf und wird über die Leitung 12 und Elektrode an den Bereich 9 der η -Emitterschicht 2 gelegt.

Die bisher beschriebene Ausbildung d«iS Iialbleitergleichrichters und dessen Wirkungsweise ist bekannt.

Gemäß der Erfindung wird nun das Störpoteutial tt der p-Steuerbasisschicht 4 begrenzt; dies kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beim Halbleitergleichrichter nach der Fig.

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- ϊθ ■

ist die p-Steuerbasisschicht h in Nähe des strahlungsempfindlichen Bereiches 9 der η -Emitterschicht 2 mit einer Riη<τ-Elektrode 13 versehen, die über ein Bauelement lA mit nichtlinearer Charakteristik mit der Hauptelektrode 3 der η -Er.iitterschicht 2 verbunden ist. Die nichtlineare Strooi-Spannung-Charakterti.stik des Bauelementes ist dabei derart gewählt, daß unterhalb einer vorgegebenen Spannung ein großer differentieller Ersatzwiderstand besteht, oberhalb der vorgegebenen Spannung jedoch ein kleiner. Das«Bauelement \k kann beispielsweise eine Silizium-pn-Diode sein.

Die Wirkungsweise des Halbleitergleichrichters 1 wird anhand der Diagrr.jainc nach der Fig. 2 näher erläutert; zum Verständnis sind in Fig. 1 die zwischen dem Bereich 9i der Elektrode 13 liegenden Flächenwiderstände R , R, mit den zugeordneten mittleren Ersatz-Kapazitäten C , C. der entsprechenden

a ö

Bereiche des pn-Uberganges (zwischen k und 5) und zwischen der Randelektrode 11 und der Hauptelektrode J ein Tlächonv:iderstaiid IL nit Kapazität. C. angedeutet.

In den Diagrammen sind das eine geA^ollte Zündung hervorrufende Zündpotential a> , das eine ungewollte Zündung hervorrufende Störpotential φ ^ , das dem Störpotential züge-

« cap

ordnete Kompensationspotentialcp und die Begrenzung ψ . eins StÖA-potentials in bezug auf den Halbleiterkörper dargestellt.

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In der Fig. 2a ist ein Störpotential φ solcher Größe an-^β • cap

genommen, dem zwar ein Kompensationspotential ψ gegenge-

f CO IHJ)

schaltet ist, das aber noch nicht begrenzt zu werden braucht.

Mit Cp_p sind die zwischen den Eniitterkurzschlussen auftretenden Störpotentiale angedeutet, die keinen Einfliiß haben.

Das optische Zündpotential ψ hat seinen Nullpunkt am Innenrand 15 (Fig. 1) der auf Nullpotential liegenden Hauptelektrode 3; durch die anschließende Xtzvertiefung l6 wird der anfängliche Verlauf des optischen Zündpotentials ψ . eingestellt, der sich über die Elektrode 13 nicht ändert, dann aber relativ steil ansteigt und in der Mitte des Halbleiterkörper« sein Maximum, d. h. die Zündgrenzc von etwa 0,7 V₁ erreicht.

Das optische Zündpotential ψ steigt also zum Anfang relativ flach und dann wesentlich steiler tin j der Grund dieses Verlaufes wird naher in Verbindunginit dom Diagramm nach Fig. 2b er läutert.

Das Störpotential γ hat seinen Nullpunkt ebenfalls cm

« cap

Innenrand 15 der Hauptelektrode 3» steigt bis zur Elektrode relativ steil an, verbleibt über dieser auf gleicher Hoho und steigt dann nochmals auf ein Maximum a. Das Störpotential

f> ist bei einer hier angenommenen Störung größer als das cap

optische Zündpotential ψ . und würde daher zur ungewollten Zündung führen; dies wird verhindert durch dos von der Hand-

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elektrode 11 abgenommene Kompensationspotential ψ , das den Bereich 9 der η -Emitterschient 2 in Nähe des Störpotcntia.Ts ψ anhebt, so daß zvischcn diesem Bereich 9 und dein benachbarten Teil der p-Steuorbasi sschicht k nur noch eine Potcntialdif foi'enz b besteht, die kleiner als das erforderliche Zündpotential ist, so daß der Halbleitergleichrichter trotz Vorliegen eines Störpctentials (JP ,

/ cap

dan großer ist als das zur gewollten Zündung erforderliche optische Zündpotential Φ . , nicht zündet.

Der Strom durch die Diode l'l nimmt bei einem Potential ψ. .

/lim

Werte an, die die Größenordnung der Querströme in der p-Basissch.i cht h erreichen und oberhalb von (f' . überschrei-

/ lim

ton; (je nach Art der verwendeten Diode variiert der Strom in einem Potentialbereich - 0,1 V um Faktoren zwischen 50 und 25ü0 |bci 300 Kj , so daß diese Näherung eines Bczugspotent.i.als berechtigt ist). Im in der Fig. 2a angenommenen Fall nimmt nun jedoch das Störpotential Φ an der BegrenK'.tngs-

O «1 Jp

stu.llf^j ei.no.'i Wert c unterhalb von m, . an, so daß die Wir-

J\-i in

kung dor Diode l'l vernachlHssighor kl.oin bleibt.

Eine Begrenzung des Störpotcntials G5 tritt also nicht ein.

/ ce:p

In linr Fig. 2b ist nngen-ommeji, daß im Mittelteil der p-Steuerbasisschicht Ί ein Störpotential ψ auftritt, das mehrfach größer als das nach der Fig. 2g ist; dem Störpotcntiol Φ

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wird ein Kompensationspotential Φ gegengeschaltet, so daß sich wieder eine Potentialdifferenz b zwischen dem Bereich 9 der η -Emitterschicht 2 und dem Mittelteil der p-Steuerbasisschicht k ergibt, die nicht zur Zündung führt.

Gemäß der Erfindung wird das Störpotential begrenzt; wie aus der Fig. 2b ersichtlich, ist dieses Störpotential ψ so

* cap

groß, daß an der Ring-Elektrode 13 ein solches Potential γ " ₁. auftritt, daß die Diode JA leitend und dadurch das hohe

Störpotential Φ auf das niedere Störpotential Ψ ,.

* T cap /cap, Iiin

begrenzt wird; daher braucht das Kompensationspotential Φ nur die Größe Φ anzunehmen. Wiederum wirkt zw. J comp /comp

sehen dem Mittelteil der p-Steuerbasisscbicht k und dem Bereich 9 der η -Emitterschicht 2 nur die Potentialdifferenz b von Störpotential (P ,. und Kompensationspoteritial ψ ,

/cap,lim J comp

die nicht zum Zünden führen kann.

Die Kurvenform des Störpotentials ψ ,. ist durch die

^r /cap, lim

Flächenwiderstände R , R. mit zugeordneten Ersatz-Ks.pazi.ta-

a D

ten C , C, uncl die Diode lh bestimmt (Fig. l). Die Kapazi-

täten C und C. ergeben sich durch die Bereiche des mittleren a to

pn-Überganges und sie liefern im Störfall die Störströina

I^ , I_. ; die Ersatz-Kapazitäten C , C, stehen im Verhaltv* a κ* D a π

nis von etwa 1 : 10. Der Störstrom I„ fließt über den

Ca

Flächenwiderstand R , dessen Spannungsanteil I„ χ R nicht

a Ca a

von der Diode lk begrenzt wird, so daß der Anteil S (Fig. 2b)

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des Störpotentials Φ je nach Größe der Störung ebenfalls unterschiedlich groß sein wird; da die Diode lk parallel zum Flächenwiderrstand R, (Elektroden 10, 3) liegt, wird bei Erreichen oder Überschreiten des der Diode lk eigenen Potentials CP₁ . an der Elektrode 10 die Diode l'l leitend und begrenzt damit den sich aus (l_r + ergebend

(Fig.2).

rgebenden Spannungsanteil B des Störpotentials ψ ..

Durch bestimmte Gestaltung der Geometrie des Bereiches 9 und des diesem Bereich zugeordneten Mittelteiles der benachbarten p-Steuerbasisschicht k (Ätzzone 16, Anordnung der Elektrode 13) ist ferner erreicht, dpß die Begrenzung JP,.

des Störpotentials Φ* ,. nicht auch auf das optische

/cap,lim

Potential Φ , wirkt; wie aus der Fig. 2b ersichtlich, sind die Kurvenformen des optischen Potentialverlaufs ψ . und des Störpotentialverlaufes ψ . deutlich verschieden; dio mittlere Breite des Teils C des optischen Zündpoter>tial~

Verlaufs <P , ist geringer als die mittlere Breite des An-/opt

teils S dos Storpotenti alverlauf s Φ ι· · ^^as öes^reiizun£^s~ potential ψ-, . kann damit erniedrigt werden, beispielsweise bis etwa zum Punkt QP-j..., » ohne dciß damit auch eine Begrenzung des optischen Zündpctentials ψ auftritt. Dadurch ist es insbesondere auch möglich, mit dem optischen Zündpotential S^(!rinsfüsi.S die Zündgrenze zu überschreiten, um so ein

schnelles Einschalten des Halbleitergleichrichters zu erzielen. Da die Begrenzung dos Störpotentials ψ ...

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allein in dessen unteren Anstieg gelegt ist und der Anteil S unbeeinflußt gelassen ist, wird das optische Zündpotential ψ , , selbst wenn es größer als das Potential ψ^. wird, von der Begrenzung nicht ungünstig beeinflußt.

Das Störpotential ist also entscheidend verringert, ohne deß das optische Zündpotential beeinflußt ist.

Durch die Möglichkeit der Wahl des Begronzungspotentials CP₁ . können als Begrenzungsmittel auch Metall-Ilalbleiter-Dioden, wie beispielsweise Schottky-Diodcn verwendet werden, ohne daß die optische Zündempfindlichkeit herabgesetzt Λ/ird.

Der bekannte optische zündbare Halbleitergleichrichter nach der Fig. Jsx hat eine Vierschichtenstruktur mit einer η Eniitterschicht 30, einer p-Steucrbasisschicht 31» einer n-Hauptbasisschicht 32 und einer p-Eini tterschicht 33· Die η -Emitterschicht 30 ist mit einer Ki'thodenelektrode 3'l * die p-Steuei'basi .sschi cht 3 1 wit einer SteucrbaciseJ.cktrode 35 und die p-Emitterscbicht 33 «'it einer Anodenelektrode 36 versehen. J)io Lichtei iistro.hlung37 erfolgt seitlich in; Bereich 3i? der Schichten 31, J2. Die η -Eniitterschicht 30 stellt den zündbaren Bereich des Bauelnmeatcs dar.

Die Kathodcnelektrodo 3'l liegt auf Nullpotential und die Anodenelektrode JG auf positivem Potential. Zwischen der

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Kathodenelektrode 34 und der Steuerbasiselektrode 35 ist ein Widerstand 39 (beispielsweise etwa 500 Ω) angeordnet, durch den die optische Zündempfindlichkeit und auch die Störzündoinpfindlichkeit einstellbar ist. Wie bereits erwähnt, is^ dieser Halbleitergleichrichter relativ störzündanfällig.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann bei einem derartigen Halbleiterglaschrichtcr ein relativ hoher Widerstand 39 gewählt v.'crden, so daß holte optische Zünd empfindlichkeit bei gleichzeitig hoher du/dt-Störsicherheifc durch die Begrenzung des Störpotcntials und die Kompensation des» verbleibenden Störpotentials erreicht ist.

Nach Fig. 3'> ist zwecks Kompensation des StorpotRirfciais der P'-Steuc-rbasisschicht 31 ein aus einem Kondensator 4o und einem V.^Tid erst and Ί-1 bestehender JRC-Kreis vorgesehen, wobei der Kondensator ''iO an die Anodcnelektrodo 3& und die Kathodonolcktrodc 3'l imd der VMdGi*stand 4l an cJie KatJjodenolektrode j^t und cJie Nu.llpotentialklemme 42 geschaltet ist.. Der RC-Kreis ist an. dJ.c internen Kapazitäten und Qaunviüei stünde des Bauelementes angepaßt.

ΌΧ<· Ilpgronzung des Störpotentials ih;r Steusrbasisschiclit 31 erfolgt mittels einer Diode i-'t, die- pai~allel zum an der Steucz-bafeisilektrode 35 und Klemme 4 2 liegenden Widerstand ?>9 gnschaltot ist.

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Durch den RC-Kreis kO, hl wird im du/dt-Störfall ein externer kapazitiver Strom und damit ein Kompensationspotential tp_f>f ^ geschaffen, das dem Störpotential der p-Steuerbasisschicht entspricht und in gleicher Richtung verläuft. Dieses atn Widerstand kl auftretende Kompensationspotential oi> wirkt an der Elektrode "}^li der η -Eraitterschicht 30 > so daß an diese Schicht ein Potential gelegt ist , das· dein Störpotential der Steuerbasisschicht in der Richtung entspricht und so ein« Zündung verhindert ist.

Da der Kondensator kO eine feste Kapazität hat, während die pn-Übergangskapaxität der Schichten 31i 32 spannungsabhängig ist, wird ein geeigneter Mittelwert, für die Kapazität des Kondensators 4θ gewählt.

Die Potential-Kompensation wird verbessert durch die Potential-Begrenzungsdiode ik _t da das zu kompensierende du/dt-Störpotential der Schicht 31 wesentlich erniedrigt wird. Der Kondensator ^O und der Widerstand 'll, welcher sich inj Lastkreis befindet« können alsodurch Anwendung der poientialbegreiiüenden Diode I^ wesentlich kleiner bemessen werden.

Anhand der Fig. k wird die Wirksamkeit der Begrenzung näher erläutert.

Auf der Ordinate ist der Zündstrom und auf der Abzisse die zwischen der Klemme k2 und der Elektrode 35 auftretend?

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Spannung aufgetragen. Dargestellt ist die Stromkennlinie I_r des Widerstandes 39» die Stromkennlinie I_n der Diode l4 und die Stroiakejmlinie I_ der Kombination von Widerstand 39

und Diode l4.

Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, tritt bis etwa 0,5 V noch keine Wirkung der Diode (etwa 0,5 mA)-bzw. der Kombination Diode, Widerstand (etwa 1,5 mA) auf. Wird ein Potential von 0,6 V erreicht, das dem gewählten Segiennungspotential Φ, . entspricht, so wird die Diode l^li voll leitend und es fließt ein Strom > 3,0 mA.

Trete« an der Steuerbasiselektrode 35 also etwa 0,5 V auf und ist. angenommen, daß am Ersatz-Widerstand K. ein zusätzliches

et

Potential, von etva 0,2 V auftritt, so wird der Halbleitergleichrichter war gezündet (etwa 0,7 V), jedoch erfolgt durch die Diode l'i koine merkliche Beeinträchtigung der optischen Zündempf ind.lichkeit , da die Kombinat lon von Diode l4 und ividerst.iTMi 39 bei 0,5 V einen Strom I von etwa 1,4 mA führt, der nur unwesentlich größer als der allein durch den Widerstand 39 fließende Strom I₁₄ (etwa 1,0 mA) ist.

JK

Die Wirkung der Kombination Diode l'i, Widerstand 39 txitt erst bei 0,6 V an der Steuerbasiselektrode 35 auf und das Stcrpotential wird auf diesen Wert begrenzt.

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Das am Widerstand kl im du/dt-Störfa31 entstehende Kompensationspotential muß daher im wesentlichen nur das am Ersatz-Widerstand R zusätzlich auftretende Störpotential ausgleichen.

Damit entfallen Einschränkungen in der Bemessung dos Widerstandes 39» so daß dieser relativ hoch gewählt werden kann, und sich dadurch eine hohe optische Zündempfindlichkeit ergibt.

An die Klemmen 4'±, k$ kann beispielsweise in bekannter Vei.sc ein steuerbarer Leistungs-Halbleitorgleichrichter guschaltct werden, für den der erfindungsgemäße optisch kündbare Thyristor einen externen "Gate-Verstärker", also einen primär gezündeten Pilotthyristor, darstellt.

Der licht zündbare Halbleitergleichrichter 1 nach der Fig. 5 unterscheidet sich von dem nach dor Fig. 1 dadurch, daß das Kohipeiisati onspoteritial Φ nicht vom Rand des Halbleitor-

/ comp

körpers, sondern von einer Stelle abgsAoi-inien ist, an der ein Potential entsteht, welches an sich zur Kompensation de? hohen auftretenden Störpotentials <P viel vw klein, ist,

/ cap '

jedoch durch die herangezogene Begrenzung des Störpetentiair in seiner Größe durchaus ausreicht.

Durch die Begrenzung des Störpotwntials ergibt sich also die Möglichkeit, zwecks Kompensation desselben

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pi"aktiech beliebige, und nur relativ geringe Kompenscitioiispot.ent.iale ergebende Stellen der Steuerbasisschicht k zu wählen, deren Potential an den dem Lichteinfall ausgesetzton Dereich der η -Emitterschicht 2 gelegt wird.

Der Halbleitergleichrichter 1 unterscheidet sich ferner von dem nach dor Fig. 1 durch eine zusammenhängende η -Emitterscliicht 2 mit den zusammenhängenden Bereichen 51> 52, nobei der Einstrahlungsbereich 51 nicht mehl* vom Gesaititbereich 52 abgetrennt iει , so daß die Zündausbreitung auch per Tra'gordiffusion vom Bereich 51 zum Bereich 52 ablaufen kann und so bei kleinen, am Gleichrichter anliegenden Klcuinienspannunyen ausdiffundieren kann.

Trotzdem bei einem derartigen Halbleitergleichrichter nur relativ niedrige KoinpensationspotentiaJ e auftreten und damit eigentlich nur eine relativ niedrige Lichtempfindlichkeit wegen der aiiedrjg zu haltenden Stö.rpotenti ale erzislbar ist, ist nunmehr eins hohe Lichtempfindlichkeit erreichbar, denn hohe Störpotojitiale treten jetzt wegen der Begrenzung nicht wahr auf, da sie in die Grö/i^ der erhältlichen Koinpensationspotentiale gebracht werden.

Dio Höhe des KonipensatioTispotentinls an dor Elektrode 5'3 ist gegeben durch die ErsatZTiderstände I?, und JL _o, denen ein weiterer Ersat ^widerstand R, .. parallel liegt, dor durch die zusammenhängend en Bereiche ¹J "\ , 52 der υ -ISmittursehicht 2

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gebildet ist und nicht groß gewählt werden kann.

Für das Kompensationspoter.tial an dor Elektrode 53

also eine RC-Kombination vor, die aus der Ersatz-Kapazität C,

und den parallelgcschalteten Ersatzwiderstanden R _o

ι κ ι, α. > _>

besteht.

Die Elektrode 53 ist U-förmig ausgebildet und dient gleichzeitig als Folgegate mit folgender Wirkungsweise:
Mit 5^ ist der Zündbereich des optisch gezündeten Teils ugz Halbleiters bezeichnet. Hat dieser liereich $k unter hoher
Betriebsspannung durchgeschaltet, so tritt sofort auch ein entsprechend hoher Strom auf und der Zündbereich 5** erhält einen großen Teil dieses Stromes von d«r Elektrode 53 über eine Verbindung ^ und eine im Einstrahlbereich ^h befindliche Elektrode 56, wobei dieser Strom als Steuerstrom für den Rest-Halbleitergleichrichter wirkt und diesen in der
gesamten Berandung der Elektrode 53 mündet_f so daß die Zündung in diesem großen Außenrand dafür sorgt, c'aß der Halbleitergleichrichter mit nur sehr geringer Zeitverzögerung
(^ 1 μβ) dnn Last strom übernimmt und damit den optischen
Bereich 5'l entlastet.

Dicht am Bereich 5'± i«t auf deran die Oberfläche gtv_<:ogemoi Steuerbasisnchicht 4 eins den optischen Bereich $k teilweise umgreifende Elektrode 57 angeordnet, an die eine dan Störpotential der Stcuerbasisöchicht 2 begrenzende Diode ΐΛ

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op

geschaltet ist, die über eine Leitung 59 mit eier Kathodenelektrode 3 verbunden ist; entsprechend tritt auch eine umgreifende Potentialbegrenzung dieses Bereiches $k euf.

Auch die n-Hauptbasisschicht 5 ist in einem sehr schmalen Bereich 80 an die Oberfläche gezogen, wodurch erreicht ist , daß die in der Schicht k unterhalb des Dereiches ^k erzeugten optisch«?n Ströme nur in Richtung des F.mi tterkursrüschlusses 82· abfließen können und ein Abfließen in anderen Riehrungen verhindert ist.

Nachstehend wird die Wirkungsweise des HaJ b.l eit ergleichri enters anhand des Diagrammen nac3i der Fig. 6 näher erläutert.

Vie ersieht lieh, tritt im Störung .3 full ohne Begrenzung ein relativ hohes kapazitives Störpotential Ψ mit annähernd parabolischem Anstieg (IIa.lbparab.2l) auf, wahrend das Konpensationspotential γ relativ niedrig ist ; das optische Potential ψ hat wie das Störpotential 3P nährungsveise ha.lbparabolischen Verlauf.

Durch die Potentialbegren;'ung Cf , dar Diode l4 wird das Störpotential ψ an der Elektrode 57 auf das Begrenzungsputential ψ-,· festgelegt, welches beispielsweise bei Verwendung einer Si-pn-Diode bei etwa 0,5 bis 0,6 V liegt.

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Ira Beispiel ist angenommen, daß das optische Potential ψ etwas größer als das Begrenzungspotential 0?_ . ist, so daß das optische Potential ψ geringfügig, jedoch nicht im Maximum, begrenzt wird.

Wenn die Diode lk vorhanden ist, fließt ein kapazitiver Strom I sowohl über die Reihenschaltung von Ersatzwiderstand R _o und Diode lk als auch über Ercatzv.-idcrstand R . q2 ql

zur Elektrode 3 ab, während ohne Diode lk der Stroin I allein über den Ersatzwiderstanf] R . abfließen würde, so daß sich

ql

ein größeres Störpoteiitial ψ ergäbe. Der im wesentlichen

t zu kompensierende Teil A des StörpotentiaJ.s Φ iüt also

beträchtlich kleiner* als daw uii3.inü.·:ierte Störpoteiitial ψ ,

Die Querleitfähigkeit der η -Enritterschicht 2 ergibt, den Ersatzwiderstand R₁ _, der zu den Er.sat^widerständen H_{1 o} parallel liegt. Dadurch wird von ch;r Elektrode 53 über di e Leitung 55 zur Elektrode 56 ein Strom übertragen, der über die η -Eniitterbereicbp 55) ?2 zur Kt-i'»oc^reliAtrr?'?.'.» } abfließt. Dadurch entsteht innerhalb de.¹? Ber»-.iches 51 zwischen den Elektroden 56 und 3 oj.n ort.sßbbfi-njriges KompensntioriF-

potential Cp . das seinen Nullminkt an der von der Katho-

^r T comp *

denelektrode 3 überdeckton Stelle doa Bereiches 51 hat und das über einen'durch At^ung in sea «or Schichtdicke vermi:o.~ derten ?3ereich 8l bis zur Elektrode 5¹S ansteigt und dai:u konstant bleibt.

- 2't -

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- 2k -

Die Nullpunkte des Potentials der Steuerbasisschicht k liegen in den Emitterkurzschlüssen 82, insbesondere liegt

der Nullpunkt der StörpotentiaJe ψ , Φ und des opti- ^{1 l} /cap /cap ^l

sehen Potentials Φ . nicht notwendigerweise an der gleichen Stelle wie das Kompensationspotential (p

Der durch Steuerstrom zündbare Halbleitergleichrichter nach der Fig. 7 stimmt bis auf den Mittelteil GO der η -Emitter-Schicht 2 und p-Steuerbasisschicht 4 mit der Ausbildung nach der Fig. 1 überein.

Heim Halbleitergleichrichter nach der Fig. 7 ist im zündbaren Bereich zwischen dein innersten ringföx*migen η -Bereich 6l der η -Enid tterschi cht 2 ein T"il 6θ der p-Steuorbasisschicht k n und diesel" Teil 6θ ist mit einer Zündelektrode

vorsehen, an der die Zündung durch einon Steuerstrom I erfolgt ; diesel" beispielsweise von einem elektronischer Schalter 6'j eingespeiste positive Strom I fließt im Bereich 6ü in die p-£ieuerbaaisschicht 4.

Tm 7ci-.l Cu herrscht keine jf'otentia J.diifcyey\^ · ert sprechend ergibt sich ein in dar Spitze abgeflachtes Zündpotentia.l (p_r λΐϊ'.ί auf; dem Diagramm nach don Fig» 8 a, b ersichtlich ist.

In .den Diagrammen sind die gleichen Störpot antialo 9^~^

ψ' , φ'^! ,. , Koinpeiisationspotentiale Ψ , ψ' _s ψ'^:' leap , cap, lxiii ^J /comp /comp / c

omp - 2 «j -

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_ or

und Begrenzungspotentiale <P . , <p . angenommen, viie im Diagramm nach der Fig. 2 und entsprechend tritt bezüglich der Kompensation der Störspannungspotential« und der Begrenzung derselben die gleiche Wirkung wie beim optisch zündbaren Halbleitergleichrichter nach der Fig. 1 auf.

In der Fig. 8a ist wieder angenommen, daß das Störpotential <P an der Ringelektrode 13 nicht das der Diode lA eigene / cap

Begrenzungspotential Φ> . erreicht und somit keine Begrenzung des Störpotentials ψ erfolgt.

/ cap

1 In der Fig. 8b hat das Störpotential <p eine derartige Größe, daß eine Begrenzung desselben sinnvoll ist und durch die Diode lA erfolgt; wie aus den Diagrammen ersichllich, wird das Zündpotential Φ durch die Begrenzung nicht orfaßt und die Zündempfindlichkeit damit nicht beeinträchtigt.

Im du/dt-Fall kann es vorkommen, daß aufgrund der Beschaltung des steuerbaren Halbleitergleichrienters zusätzlich ein kapazitiver Störstrom über die Zündelektrode 63 cingü·· koppelt wird, durch den das Störpotential weiter erhöiit wii~d. Durch eine geringfügige Überkompensation kann diese Störeinkopplung: unwirksam gemacht werden.

Als Element mit nichtlinearer Charakteristik kann eine lialbleiter-Diode verwendet werden, deren Einschaltverzögerungszcit so gering sein muß, daß keine dynamisch· Überhöhung des

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fiegrenzungepotentials 00. . auftritt.

Die Diode kann als hybrides oder integriertes Bauelement vorliegen.

Liegtein hybrides Bauelement vor, so ist eine thermische Kopplung mit dem Halbleitergleichrichter zweckmäßig, da hierdurch das Begrenzungspotential Φ. . und das Mindest-Zündpotential der Steuerbasis des Halbleitergleichrichters gleichsinnig mit der Temperatur variieren.

Als integriertes Bauelement bietet sich für die Diode lk eine Metall-Halbleiterdiode an, die aus den Metallelektroden 13» 35f 57 (Fig. 1, 3, 5) und dem darunterliegenden Halbleitermaterial gebildet werden kann. Wegen der p-Diffusion, durch die die Steuerbasisschicht k im allgemeinen hergestellt wird, kann es erforderlich sein, im Elektrodenbereich die Schicht zusätzlich zu dünnen (Ätzen), um eine geeignete Charakteristik zu erzielen.

Die Halbleiterdiode kann auch durch eine eindiffundierte Schicht gebildet werden, wie dies schematisch in der Fig.9 angedeutet ist, in welcher beispielsweise ein Teil des Halbleiterkörpers nach der Fig. 1 dargestellt ist.

Die Diode lk· ist gebildet durch eine ringförmig eindiffundierte η -Schicht 84, die mit einer Elektrode 85 versehen ist.

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Es muB aber verhindert werden, daß die abzuleitenden Störströme zu einer Stor-zündung aufgrund von Elektroneninjektion aus der Schicht 84 führen. Dies kann verhindert werden, indem die p-Steuerbasisschicht k im Bereich unterhalb der
Schicht 81t besonders hoch dotiert vird, da dadurch der
Elektronen-Transport faktor stark vermindert wird.

Die Störziindung kann auch verhindert werden, indem eine hohe Dichte von Rekorabinationszentren in den Halbleiterkörper
im Bereich E der Schicht 8k eingebracht wird, was beispielsweise durch eine lolcale Bestrahlung mit hochenergetischen
Elektronen (Energie >· 1 MeV) erfolgen kann.

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it

Leerseite

Claims (4)

1. L i c e η t j. a'

   Patent-Vorwaltungκ-GmbH

   6 Frankfurt 70, Thcodor-Stcrn-Kai 1

   F 77A2 Patentansprüche

   ζ 1. ^Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einer Hehrzahl von Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, wobei die beideu Au» ens chi cht en mit Haupt elektroden vei-sehon sind und eine der als Elektronen- oder Löcher-Emitter ausgebildeton Außenschichton einen durch die aufzubringende Steuerleistunj zündbaren Bereich aufweist, üor bei Auftreten von Störetrötnen ein Koriipcnsationspotential orhält , das mit dem Störpotential dei benachbarten Zwisclien-CiChir-ht im durch die Steuerlei λ tu ng primär gezüjidettm Bereich in gleicher Richtung geht, dadurch gekennzeichnet, daß das StöVrjotcritial der beiiachbiti ten Zwischenschiclit (4) begrenzt wird.

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   ORIGINAL INSPECTED
2. 2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Zündpotentialverlauf eine mittlere Ureito hat, die schmaler als die des begrenzten Störpotent ialverlaufs ist und die Begrenzung in den Anstieg des Störpotentiniverlaufs gelegt ist.
3. 3. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ira Bereich des Auftretens des Störpotentialα der benachbarten Zwischenschicht (4, Jl) ein das Störpotential begrenzendes Element mit nichtlinearer Charakteristik (l'i, l4' ) vorgesehen ist, das mit dem kathodcnseitigen Anschlußkontnkt (3i 90) de.* llnlbleitergleichrichters verbunden ist«
4. 4. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 bis 3i dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit nicht linearer Charakteristik eine Halbleiterdiode ( l'i , l'i · ) mit kleiner EinschaltA'erzögerungszeit ist.

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