DE2739187C2

DE2739187C2 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einer Mehrzahl von Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps

Info

Publication number: DE2739187C2
Application number: DE2739187A
Authority: DE
Inventors: Karl-Julius Ing.(Grad.) 6000 Frankfurt Finck; Marius Ing.(grad.) 6078 Neu-Isenburg Füllmann; Dieter Dr.-Ing. 6055 Hausen Silber; Ing.(grad.) Wolfgang 6236 Eschborn Winter
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: EUPEC GmbH
Priority date: 1977-08-31
Filing date: 1977-08-31
Publication date: 1981-10-29
Also published as: SE437313B; DE2739187A1; SE7809003L; US4208669A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Halbleitergleichrichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1; vgl. DE-OS 25 49 563.

Dieser bekannte Halbleitergleichrichter ist lichtsteuerbar; bei ihm erhält zwecks Vermeidung einer Zündung durch Störströme der durch optische Einstrahlung zündbare Bereich der kathodenseitigen η+-Emitterschicht ein Kompensationspotential, das mit dem Störpotential der benachbarten Steuerbasisschicht in gleicher Richtung geht; hierdurch wird erreicht, daß trotz hoher Zündempfindlichkeit du/df-Störzündungen und Zündungen durch hohe Sperrströme vermieden sind (DE-OS 25 49 563). Der lichtsteuerbare Halbleitergleichrichter besteht aus vier Schichten unterschiedlichen Leitungstyps, wobei die kathodenseitige η+-Emitterschicht neben dem strahlungsempfindlichen Bereich weitere Bereiche umfaßt, die über eine Hauptelektrode miteinander verbunden sind, die auch mit der dieser n+-Emitterschicht benachbarten Steuerbasisschicht Kontakt hat, so daß für einen Teil der η+-Emitterschicht Emitterkurzschlüsse gebildet sind. Um bei Auftreten von Störströmen dem strahlungsempfindlichen Bereich der η+-Emitterschicht ein dem Störpotential der benachbarten Steuerbasisschicht entsprechendes Potential zu erteilen, wird das am Rand der benachbarten Steuerbasisschicht auftretende Potential mittels einer ohmschen Verbindung an den

strahlungsempfindlichen Bereich gelegt

Durch dieses Kompensationsverfahren ist eine Entkopplung der optischen Zündempfindlichkeit von der Stör-Zündempfindlichkeit erreicht da das an der benachbarten Steuerbasisschicht am Rand auftretende Potential durch die Einstrahlung optischer Zündenergie nicht beeinflußt wird, jedoch durch die Störströme, wie vorstehend erläutert

Durch die auftretenden Störströme kann das Störpotential der benachbarten Steuerbasisschicht beträchtliche Werte annehmen; das herausgezogene Randpotentia! der benachbarten Steuerbasisschicht soll nun möglichst genau dem maximal auftretenden Potential der Steuerbasisschicht innerhalb des strah lungsempfindlichen Bereichs der n+-Emitter-«hicht entsprechen, da sich Unterschiede dieser Potentiale als unzureichende Kompensation auswirken und der Halbleitergleichrichter dann noch immer noch störzündempfindlich ist Bei hoch lichtzündempfindlichen HaIb- leitergleichrichtern der beschriebenen Art entsteht ein dementsprechend auch besonders hohes Störpotential in der benachbarten Steuerbasisschicht das nur durch ein entsprechend hohes, den strahlungsempfindlichen Bereich beeinflussendes Potential kompensiert werden kann; bei den auftretenden hohen Potentialen ist die Einstellung des das Störpotential kompensierenden Potentials mit Schwierigkeiten verbunden, wie nachstehend näher erläutert wird.

Bei den Leistungsbauelementen der vorstehend

genannten Art treten beispielsweise du/di-Anforderungen von über 1000 \l\is (bei 125° C) auf, weiche Störströme hervorrufen mit einer kapazitiven Stromdichte-Spitze von einigen mA/mm². Bei Bauelementen ohne Kompensation des Störpotentials beträgt die zulässige Potentialerhöhung der benachbarten Zwischenschicht gegenüber der n+-Emitterschicht bei 125° C weniger als 0,4 V.

Andererseits muß für eine optische Zündung des Bauelements bei etwa 25° C der optisch generierte Steuerstrom zu einer Potentialerhöhung von etwa 0,7 V führen; öoll daher eine zündempfindliche Struktur (beispielsweise 0,5 mA/mm² optisch generierte Steuerstromdichte) einer du/df-Störung von etwa 2000 V/us widerstehen, so müssen Störpotentiale in der Größen- Ordnung von 7 V kompensiert werden, wobei die Kompensationsspannung folglich >6,6V betragen muß, es ist jedoch Überkompensation zu vermeiden, damit das Element noch in ansteigende Spannungsflanken gezündet werden kann.

Die vorstehend genannten Werte für das Störpotential liegen in der Praxis wegen der unvermeidbaren technologischen Toleranzen oft noch höher; es ist sowohl schwierig, das Kompensationspotential zu »treffen«, als auch technisch aufwendig, dieses in der erforderlichen Höhe zu erzeugen (selektives Einätzen eines Bereiches mit definiertem Flächenwiderstand).

Es ist auch bereits ein optisch zündbarer Halbleitergleichrichter bekannt, der eine Vierschichtenstruktur aufweist und bei dem zwischen der Kathodenelektrode und der Steuerbasiselektrode ein ohmscher Widerstand angeordnet ist, durch den die optische Zündempfindlichkeit und auch die Störzündempfindlichkeit einstellbar ist; ein relativ hoher Widerstand ergibt eine entsprechend hohe Zündempfindlichkeit da bereits geringe Steuerströme (sowohl optisch generierte als auch Störströme) ein entsprechend hohes Steuerbasispotential erzeugen. Wegen seiner Störzündanfälligkeit bei den technisch erforderlichen optischen Zündempfind-

lichkeiten wird dieser Halbleitergleichrichter nur in einem kleinen Leistungsbereich eingesetzt (SCR MANUAL 1972, General Electric Comp, S.414bis417).

Schließlich sind auch durch einen Steuerstrom zündbare Halbleitergleichrichter bekannt, die mit einer Zündelektrode ausgerüstet sind, an der die Zündung durch den Steuerstrom erfolgt (Dynamische Probleme der Thyristortechnik, VDE-Verlag GmbH, Berlin 1971, S. 128-138).

Wird ein derartiger Halbleitergleichrichtei für gernge Steuerle'-Stungen ausgelegt, so ist dieser auch im du/df-Störfall entsprechend zündempfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei steuerbaren Halbleitergleichrichtern nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 die Kompensation zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß nach der im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahme gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfii.jung nach dem Hauptanspruch sind den Unteransprüchen zu 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 Abgleichempfindlichkeit stark vermindert ist Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Randelektrode der Steuerbasisschicht nunmehr wegen des geringen, von ihr zu liefernden Kompensationspotentials besonders günstig als Steuerelektrode benutzbar ist; dies ist beim bekannten störpotentialkompensierten, lichtzündbaren Halbleitergleichrichter durch die hohen, an dieser Elektrode auftretenden Kompensationspotentiale erschwert, die eine relativ hochohmige Abtrennung dieser Elektrode erfordern, so daß eine Aufzündung über diese Elektrode mit relativ niedrigen Spannungen nicht möglich ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Kompensationspotential nicht mehr vom Randbereich des Halbleitergleichrichters abgenommen zu werden braucht und damit große Freiheit in seiner Bauform besteht

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert

Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht eines störpotentialkompensierten, lichtsteuerbaren Halbleitergleichrichters,

F i g. 2 zwei Diagramme mit dem bei Auftreten von Störströmen am Halbleiterkörper gemäß F i g. 1 entstehenden Stör- und Kompensationspotentialen und deren so Begrenzung,

Fig.3a eine bekannte Ausbildung eines nicht störpotentialkompensierten, lichtsteuerbaren Halbleitergleichrichters in Schnittansicht,

F i g. 3b den Halbleitergleichrichter nach der F i g. 3a mit einer Störpotentialkompensation,

Fig. 4 ein Diagramm ζιτ Verdeutlichung der Arbeitsweise des Halbleitergleichrichters nach der F ig. 3b,

Fig.5 eine weitere Ausbildung eines lichtsteuerbaren, störpotentialkompensierten Halbleitergleichrichters in Draufsicht und Schnittansicht,

Fig.6 ein Potentialdiagramm zur Ausbildung nach der F i g. 5,

F i g. 7 eine Ausbildung eines stromzündbaren, störpotentialkompensierten Halbleitergleichrichters in Schnittansicht,

Fig.8 ein Diagramm mi: den bei Auftreten von Störströmen am Halbleiterkörper nach F i g. 7 entstehenden Stör- und Komperisationspotentialen und deren Begrenzung,

F i g. 9 die Ausbildung einer bei den Halbleitergleichrichtern verwendeten integrierten Halbleiterdiode.

Der Halbleitergleichrichter I nach der F i g. 1 besteht aus einer ersten η+-Emitterschicht 2 mit einer ersten ringförmigen Hauptelektrode 3, die auch ohmschen Kontakt mit einer benachbarten p-Steuerbasisschicht 4 macht, der eine n-Schicht 5 folgt, an die sich eine zweite ρ+-Emitterschicht 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 4 ist eine Ring-Elektrode 11 angeordnet, die über eine Leitung 12 mit der Elektrode 10 des Bereiches 9 der η+-Emitterschicht 2 verbunden ist

Bei Auftreten von du/dr-Störströmen oder Vorwärts-Sperrströmen entsteht im Mittelteil der p-Steuerbasisschicht 4 ein Störpotential g>_rap, das eine Störzündung bewirkt; um dies zu vermeiden, wird dem Zündbereich 9 der η+-Emitterschicht 2 ein etwa dem Störpotential φ_αρ entsprechendes Kompensationspotential ψ comp erieilt; dieses Potential tritt an der Randelektrode 11 auf und wird über die Leitung 12 und Elektrode 10 an den Bereich 9 der η+-Emitterschicht 2 gelegt

Die bisher beschriebene Ausbildung des Halbleitergleichrichters und des.sen Wirkungsweise ist bekannt

Gemäß der Erfindung wird nun das Stöi potential qo_rap der p-Steuerbasisschicht 4 begrenzt; dies kann auf verschiedene Weise erfolgen. Beim Halbleitergleichrichter nach der F i g. 1 ist die p-Steuerbasisschicht 4 in Nähe des strahlungsempfindlichen Bereiches 9 der n+-Emitterschicht 2 mit einer Ring-Elektrode 13 versehen, die über ein Bauelement 14 mit nichtlinearer Charakteristik mit der Hauptelektrode 3 der n+-Emitterschicht 2 verbunden ist Die nichtlineare Strom-Spannungs-Charakteristik des Bauelementes ist dabei derart gewählt daß unterhalb einer vorgegebenen Spannung ein großer differentieller Ersatzwiderstand besteht, oberhalb der vorgegebenen Spannung jedoch ein kleinen Das Bauelement 14 kann beispielsweise eine Silizium-pn-Diode sein.

Die Wirkungsweise des Halbleitergleichrichters 1 wird anhand der Diagramme nach der F i g. 2 näher erläutert; zum Verständnis sind in F i g. 1 die zwischen dem Bereich 9, der Elektrode 13 liegenden Flächenwiderstände Ra, Rb mit den zugeordneten mittleren Ersatz-Kapazitäten C,, Cb der entsprechenden Bereiche des pn-Überganges (zwischen 4 und 5) und zwischen der Randelektrode 11 und der Hauptelektrode 3 ein Flächenwiderstand R_k mit Kapazität C* angedeutet

In den Diagrammen sind das gewollte Zündung hervorrufende Zündpotential φ_ορι, das eine ungewollte Zündung hervorrufende Störpotential φ cap, das dem Störpotential zugeordnete Kompensationspotential φ comp und die Begrenzung q>u_m des Störpotentials in bezug auf den Halbleiterkörper dargestellt.

In der F i g. 2a ist ein Störpotential φ_αρ solcher Größe angenommen, dem zwar ein Kompensationspotential (fcomp gegengeschaltet ist, das aber noch nicht begrenzt zu werden braucht

Mit ψ_Ε sind die zwischen den Emitterkurzschlüssen auftretenden Störpotentiale angedeutet, die keinen Einfluß haben.

Das optische Zündpotential φ_ορ, hat seinen Nullpunkt am Innenrand 15 (Fig. 1) der auf Nullpotential liegenden Hauptelektrode 3; durch die anschließende

Ätzvertiefung 16 wird der anfängliche Verlauf des optischen Zündpotentials φ_ορ, eingestellt, der sich über die Elektrode 13 nicht ändert, dann aber relativ steil ansteigt und in der Mitte des Halbleiterkörpers sein Maximum, d. h. die Zündgrenze von etwa 0,7 V, erreicht.

Das optische Zündpotential φ_ορ, steigt also zum Anfang relat ν flach und dann wesentlich steiler an; der Grund dieses Verlaufes wird näher in Verbindung mit dem Diagramm nach F i g. 2b erläutert.

Das Störpotential <p_cap hat seinen Nullpunkt ebenfalls am Innenrand 15 der Hauptelektrode 3, steigt bis zur Elektrode 13 relativ steil an, verbleibt über dieser auf gleicher Höhe und steigt dann nochmals auf ein Maximum a. Das Störpotential q>_cap ist bei einer hier angenommenen Störung größer als das optische Zündpctcniiai <p_op, und würde daher zu ungewollten Zündung führen; dies wird verhindert durch das von der Randelektrode 11 abgenommene Kompensationspotential ψοοωρ, das den Bereich 9 der η+ -Emitterschicht 2 in Nähe des Störpotentials y_csp anhebt, so daß zwischen diesem Bereich 9 und dem benachbarten Teil der p-Steuerbasisschicht 4 nur noch eine Potentialdifferenz b besteht, die kleiner als das erforderliche Zündpotential ist, so daß der Halbleitergleichrichter trotz Vorliegen eines Störpotentials <p_iap, das größer ist als das zur gewollten Zündung erforderliche optische Zündpotential q>„_pl, nicht zündet.

Der Strom durch die Diode 14 nimmt bei einem Potential <p/,_m Werte an, die die Größenordnung der Querströme in der p-Basisschicht 4 erreichen und oberhalb von <p/,_OT überschreiten; (je nach Art der verwendeten Diode variiert der Strom in einem Potentialbereich ±0.1 V um Faktoren zwischen 50 und 2500 [bei 300 KJ, so daß diese Näherung eines Bezugspotentials berechtigt ist). Im in der Fig. 2a angenommenen Fall nimmt nun jedoch das Störpotential (fcp an der Begrenzungsstelle einen Wert c unterhalb von (pi,_m an, so daß die Wirkung der Diode 14 vernachlässigbar klein bleibt.

Eine Begrenzung des Störpotentials φ_ιαρ tritt also 4n nicht ein.

In der F i g. 2b ist angenommen, daß im Mittelteil der p-Steuerbasisschicht 4 ein Störpotential tp'_Ca_P auftritt, das mehrfach größer als das nach der Fi g. 2a ist; dem Störpotential <p'_cap wird ein Kompensationspotential 4S <f'cnm_P gegengeschaltet, so daß sich wieder eine Potentialdifferenz b zwischen dem Bereich 9 der η *-Emitterschicht 2 und dem Mittelteil der p-Steuerbasisschicht 4 ergibt, die nicht zur Zündung führt.

Gemäß der Erfindung wird das Störpotential so begrenzt; wie aus der Fig. 2b ersichtlich ist, ist dieses Störpotential <p'„,„ so groß, daß an der Ring-Elektrode 13 ein solches Potential q>'a,_p>q>um auftritt, daß die Diode 14 leitend und dadurch das hohe Störpotential φ'_αρ auf das niedere Störpotential ψ"αρ. um begrenzt wird: daher braucht das Kompensationspotential φ'comp nur die Größe φ"'comp anzunehmen. Wiederum wirkt zwischen dem Mittelteil der p-Steuerbasisschicht 4 und dem Bereich 9 der η+-Emitterschicht 2 nur die Potentialdifferenz b von Störpotential φ"αρ. im und wi Kompensationspotential φ" comp, die nicht zum Zünden führen kann.

Die Kurvenform des Störpotentials φ"&_Ρ. im, ist durch die Flächenwiderstände R„ R_b mit zugeordneten Ersatz-Kapazitäten C₃, Cb und die Diode 14 bestimmt b5 (F i g. 1 \ Die Kapazitäten C₁ und Cp ergeben sich durch die Bereiche des mittleren pn-Uberganges und sie liefern im Störfall die Störströme /_c* Ick die Ersatz-Kapazitäten C C* stehen im Verhältnis von etwa 1:10. Der Störstrom l_c, fließt über den Flächenwiderstand R_a, dessen Spannungsanteil Ic, χ Ra nicht von der Diode 14 begrenzt wird, so daß der Anteil 5 (Fig. 2b) des Störpotentials g)"_cdp./,_m je nach Größe der Störung ebenfalls unterschiedlich groß sein wird; da die Diode 14 parallel zum Flächenwiderstand Rb (Elektroden 10, 3) liegt, wird bei Erreichen oder Überschreiten des der Diode 14 eigenen Potentials q)/,_m an der Elektrode 10 die Diode 14 leitend und begrenzt damit den sich aus (U-j + leb) χ Rb ergebenden Spannungsanteil ßdes Störpotentials (j)"_rai>. /m>(F i g. 2).

Durch bestimmte Gestaltung der Geometrie des Bereiches 9 und des diesem Bereich zugeordneten Mittelteiles der benachbarten p-Steuerbasisschicht 4 (Ätzzone !6, Anordnung der Elektrode J3) ist ferner erreicht, daß die Begrenzung q>i_im des Störpotentials <p"ca_P.iim nicht auf das optische Potential φ_ορι wirkt: wie aus der F i g. 2b ersichtlich, sind die Kurvenformen des optischen Potentialverlaufs φ_ορ, und des Störpotentialverlaufes φ"μ,,.um deutlich verschieden; die mittlere Breite des Teils C des optischen Zündpotentialverlaufs φ,,ρ, ist geringer als die mittlere Breite des Anteils 5des Störpotentialverlaufs <p"_iip.i,_m Das Begrenzungspotential (pum kann damit erniedrigt werden, beispielsweise bis etwa zum Punkt φ'ι,ηι, ohne daß damit auch eine Begrenzung des optischen Zündpotentials tp„_p, auftritt. Dadurch ist es insbesondere auch möglich, mit dem optischen Zündpotential <p_opi geringfügig die Zündgrenze zu überschreiten, um so ein schnelles Einschalten des Halbleitergleichrichters zu erzielen. Da die Begrenzung des Störpotentials φ'Ό,ρ.ΐίη, allein in dessen unteren Anstieg gelegt ist und der Anteil Sunbeeinflußi gelassen ist, wird das optische Zündpotential ψ_ορι, selbst wenn es größer als das Potential φα,,, wird, von der Begrenzung nicht ungünstig beeinflußt.

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

Durch die Möglichkeit der Wahl des Begrenzungspotentials φΊ,η können als Begrenzungsmittel auch Metall-Halbleiter-Dioden, wie beispielsweise Schottky-Diodcn verwendet werden, ohne daß die optische Zündempfindlichkeit herabgesetzt wird.

Der bekannte optische zündbare Halbleitergleichrichter nach der F i g. 3a hat eine Vierschichtenstruktur mit einer η+ -Emitterschicht 30, einer p-Steuerbasisschicht 31, einer n-Hauptbasisschicht 32 und einer p-Emitterschicht 33. Die η+ -Emitterschicht 30 ist mit einer Kathodenelektrode 34, die p-Steuerbasisschicht 31 mit einer Steuerbasiselektrode 35 und die p-Emitterschicht 33 mit einer Anodenelektrode 36 versehen. Die Lichteinstrahlung 37 erfolgt seitlich im Bereich 38 der Schichten 31, 32. Die η+ -Emitterschicht 30 stellt den zündbaren Bereich des Bauelementes dar.

Die Kathodenelektrode 34 liegt auf Nullpotential und die Anodenelektrode 36 auf positivem Potential. Zwischen der Kathodenelektrode 34 und der Steuerbasiselektrode 35 ist ein Widerstand 39 (beispielsweise etwa 500 Ω) angeordnet, durch den die optische Zündempfindlichkeit und auch die Störzündempfindlichkeit einstellbar ist. Wie bereits erwähnt, ist dieser Halbleitergleichrichter relativ störzündanfällig.

Bei dem Halbleitergleichrichter gemäß F i g. 3b, der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, kann ein relativ hoher Widerstand 39 gewählt werden, so daß hohe optische Zündempfindlichkeit bei gleichzeitig hoher du/dz-Störsicherheit durch die Begrenzung des Störpotentials und die Kompensation des verbleibenden

Störpotentials erreicht ist.

Nach Fig.3b ist zwecks Kompensation des Störpotentials der p-Steuerbasisschicht 31 ein aus einem Kondensator 40 und einem Widerstand 41 bestehender /?C-Kreis vorgesehen wobei der Kondensator 40 an die Anodenelektrode 36 ι nd die Kathodenelektrode 34 und der Widerstand 41 an die Kathodenelektrode 34 und die Nullpotentialklemme 42 geschaltet ist. Der flC-Kreis ist an die internen Kapazitäten und Querwiderstände des Bauelementes angepaßt.

Die Begrenzung des Störpotentials der Steuerbasisschicht 31 erfolgt mittels einer Diode 14, die parallel zum an der Steuerbe.siselektrode 35 und Klemme 42 liegenden Widerstand 39 geschaltet ist.

Durch den WC-Kreis 40,41 wird im du/df-Störfall ein externer kapazitiver Strom und damit ein Kompensationspotential tfcomp geschaffen, das dem Störpotential der p-Steuerbasisschi:ht 31 entspricht und in gleicher Richtung verläuft. Dieses am Widerstand 41 auftretende Kompensationspoteniial gwnp wirkt an der Elektrode 34 der n⁺-Emitterschicht 30, so daß an diese Schicht ein Potential gelegt isl, das dem Störpotential der Steuerbasisschicht in der Richtung entspricht und so eine Zündung verhindert ist.

Da der Kondensator 40 eine feste Kapazität hat, während die pn-Übergangskapazität der Schichten 31, 32 spannungsabhängig ist, wird ein geeigneter Mittelwert für die Kapazität des Kondensators 40 gewählt.

Die Potential-Kompensation wird verbessert durch die Potential-Begrenzungsdiode 14, da das zu kompensierende du/df-Störpotential der Schicht 31 wesentlich erniedrigt wird. Der Kondensator 40 und der Widerstand 41, welcher sich im Lastkreis befindet, können also durch Anwendung der potentialbegrenzenden Diode 14 wesentlich kleiner bernessen werden.

Anhand der Fig.4 wird die Wirksamkeit der Begrenzung näher erläutert.

Auf der Ordinate ist der Zündstrom und auf der Abszisse die zwischen der Klemme 42 und der Elektrode 35 auftretende Spannung aufgetragen. Dargestellt ist die Stromkennlinie h_b des Widerstandes 39, die Stromkennlinie Id der Diode 14 und die Stromkennlinie Ig der Kombination von Widerstand 39 und Diode 14.

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 Begrenzungspotential g>//_m entspricht so wird die Diode 14 voll leitend und es fließt ein Strom > 3,0 mA.

Treten an der Steucrbasiselektrode 35 also etwa 0,5 V auf und ist angenommen, daß am Ersatz-Widerstand R, ein zusätzliches Potential von etwa 0,2 V auftritt, so wird der Halbleitergleichrichter zwar gezündet (etwa 07 V), jedoch erfolgt durch die Diode 14 keine merkliche Beeinträchtigung der optischen Zündempfindlichkeit, da die Kombination von Diode 14 und Widerstand 39 bei 0,5 V einem Strom Ig von etwa 1,4 mA führt, der nur unwesentlich größer als der allein durch den Widerstand 39 fließende Strom Ir (etwa 1,0 mA) ist

Die Wirkung der Kombination Diode 14, Widerstand 39 tritt erst bei 0,6 V an der Steuerbasiselektrode 35 auf und das Störpotential wird auf diesen Wert begrenzt.

Das am Widerstand 41 im du/di-Störfall entstehende Kompensationspotential muß daher im wesentlichen nur das am Ersatz-Widerstand R, zusätzlich auftretende Störpotential ausgleichen.

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

An die Klemmen 44, 45 kann beispielsweise in bekannter Weise ein steuerbarer Leistungs-Halbleitergleichrichter geschaltet werden, für den der optisch zündbare Thyristor gemäß F \ g. 3b einen externen »Gate-Verstärker«, also einen primär gezündeten Pilotthyristor, darstellt.

Der lichtzündbare Halbleitergleichrichter 1 nach der F i g. 5 unterscheidet sich von dem nach der F i g. 1 dadurch, daß das Kompensationspotential q>_Com_P nicht vom Rand des Halbleiterkörpers, sondern von einer Stelle abgenommen ist, an der ein Potential entsteht, welches an sich zur Kompensation des hohen auftretenden Störpotentials y_cap viel zu klein ist, jedoch durch die herangezogene Begrenzung des Störpotentials in seiner Größe durchaus ausreicht.

Durch die Begrenzung des Störpotentials ergibt sich also die Möglichkeit, zwecks Kompensation desselben praktisch beliebige, und nur relativ geringe Kompensationspotentiale ergebende Stellen der Steuerbasisschicht 4 zu wählen, deren Potential an den dem Lichteinfall ausgesetzten Bereich der η ⁺-Emitterschicht 2 gelegt wird.

Der Halbleitergleichrichter 1 unterscheidet sich ferner von dem nach der F i g. 1 durch eine zusammenhängende n+-Emitterschicht 2 mit den zusammenhängenden Bereichen 51, 52, wobei der Einstrahlungsbereich 51 nicht mehr vom Gesamtbereich 52 abgetrennt ist, so daß die Zündausbreitung auch per Trägerdiffusion vom Bereich 51 zum Bereich 52 ablaufen kann und so bei kleinen, am Gleichrichter anliegenden Klemmenspannungen ausdiffundieren kann.

Trotzdem bei einem derartigen Halbleitergleichrichter nur relativ niedrige Kompensationspotentiale auftreten und damit eigentlich nur eine relativ niedrige Lichtempfindlichkeit wegen der niedrig zu haltenden Störpotentiale erzielbar ist, ist nummehr eine hohe Lichtempfindlichkeit erreichbar, denn hohe Störpotentiale treten jetzt wegen der Begrenzung nicht mehr auf, da sie in die Größe der erhältlichen Kompensationspotentiale gebracht werden.

Die Höhe des Kompensationspotentiale an der Elektrode 53 ist gegeben durch die Ersatzwiderstände Rk 3 und Rk 2, denen ein weiterer Ersatzwiderstand Rk 3 parallel liegt der durch die zusammenhängenden Bereiche 51,52 der η+-Emitterschicht 2 gebildet ist und

so nicht groß gewählt werden kann.

Für das Kompensationspotential an der Elektrode 53 liegt also eine RC- Kombination vor, die aus der Ersatz-Kapazität Ck und den paral'elgeschaltcicri Ersatzwiderständen Rk ι. ζ 3 besteht

Die Elektrode 53 ist U-förmig ausgebildet und dient gleichzeitig als Folgegate mit folgender Wirkungsweise: Mit 54 ist der Zündbereich des optisch gezündeten Teils des Halbleiters bezeichnet Hat dieser Bereich 54 unter hoher Betriebsspannung durchgeschaltet, so tritt sofort auch ein entsprechend hoher Strom auf und der Zündbereich 54 erhält einen großen Teil dieses Stromes von der Elektrode 53 über eine Verbindung 55 und eine im Einstrahlbereich 54 befindliche Elektrode 56, wobei dieser Strom als Steuerstrom für den Rest-Halbleitergleichrichter wirkt und diesen in der gesamten Berandung der Elektrode 53 zündet so daß die Zündung in diesem großen Aufwand dafür sorgt, daß der Halbleitergleichrichter mit nur sehr geringer Zeitverzö-

ίο

gerung (<1 μβ) den Laststrom übernimmt und damit dem optischen Bereich 54 entlastet.

Dicht am Bereich 54 ist auf der an die Oberfläche gezogenen Steuerbasisschicht 4 eine den optischen Bereich 54 teilweise umgreifende Elektrode 57 angeordnet, an die eine das Störpotential der Steuerbasisschicht 2 begrenzende Diode 14 geschaltet ist, die über eine Leitung 59 mit der Kathodenelektrode 3 verbunden ist; entsprechend tritt auch eine umgreifende Potentialbegrenzung dieses Bereiches 54 auf.

Auch die n-Hauptbasisschicht 5 ist in einem sehr schmalen Bereich 80 an die Oberfläche gezogen, wodurch erreicht ist, daß die in der Schicht 4 unterhalb des Bereiches 54 erzeugten optischen Ströme nur in Richtung des Emitterkurzschlusses 82' abfließen können und ein Abfließen in anderen Richtungen verhindert ist.

Nachstehend wird die Wirkungsweise des Halbleitergleichrichters anhand des Diagramms nach der F i g. 6 näher erläutert.

Wie ersichtlich, tritt im Störungsfall ohne Begrenzung ein relativ hohes kapazitives Störpotential <p_Cap mit annähernd parabolischem Anstieg (Halbparabel) auf, während das Kompensationspotential gwip relativ niedrig ist; das optische Potential φ_ορ, hat wie das Störpotential q>_Ca_P näherungsweise halbparabolischen Verlauf.

Durch die Potentialbegrenzung <p/,_mder Diode 14 wird das Störpotential <p'_cap an der Elektrode 57 auf das Begrenzungspotential qo/,_m festgelegt, welches beispielsweise bei Verwendung einer Si-pn- Diode bei etwa 0,5 bis 0,6 V liegt.

Im Beispiel ist angenommen, daß das optische Potential φ_ορι etwas größer als das Begrenzungspotential φ im ist, so daß das optische Potential q>_opt geringfügig, jedoch nicht im Maximum, begrenzt wird.

Wenn die Diode 14 vorhanden ist, fließt ein kapazitiver Strom /, sowohl über die Reihenschaltung von Ersatzwiderstand R_q2 und Diode 14 als auch über Ersatzwiderstand R_q ι zur Elektrode 3 ab, während ohne Diode 14 der Strom /, allein über den Ersatzwiderstand Rqi abfließen würde, so daß sich ein größeres Störpotential <p_cap ergäbe. Der im wesentlichen zu kompensierende Teil A des Störpotentials q>'_cap ist also beträchtlich kleiner als das unlimitierte Störpotential ψαρ-

Die Querleitfähigkeit der n+'Emitterschicht 2 ergibt den Ersatzwiderstand Rk α der zu den Ersatzwiderständen Rk 1.2 parallel liegt Dadurch wird von der Elektrode 53 über die Leitung 55 zur Elektrode 56 ein Strom übertragen, der über die η⁺-Emitterbereiche 51,52 zur Kathodenelektrode 3 abfließt Dadurch entsteht innerhalb des Bereiches 51 zwischen den Elektroden 56 und 3 ein ortsabhängiges Kompensationspotentiai qieomp. das seinen Nullpunkt an der von der Kathodenelektrode 3 überdeckten Stelle des Bereiches 51 hat und das über einen durch Ätzung in seiner Schichtdicke verminderten Bereich 81 bis zur Elektrode 56 ansteigt und dann konstant bleibt

Die Nullpunkte des Potentials der Steuerbasisschicht 4 liegen in den Emitterkurzschlüssen 82, insbesondere liegt der Nullpunkt der Störporentiale φ_αρ, φ'_αρ und des optischen Potentials g>_opt nicht notwendigerweise an der gleichen Stelle wie das Kompensationspotential ψα,π,ρ.

Der durch Steuerstrom zündbare Halbleitergleichrichter nach der Fig. 7 stimmt bis auf den Mittelteil 60 der n⁺-Emitterschicht 2 und p-Steuerbasisschicht 4 mit der Ausbildung nach der F i g. t übereia

Beim Halbleitergleichrichter nach der Fig.7 ist im zündbaren Bereich zwischen dem innersten ringförmigen η+-Bereich 61, 62 der n⁺-Emitterschicht 2 ein Teil 60 der p-Steuerbasisschicht 4 hochgezogen und dieser Teil 60 ist mit einer Zündelektrode 63 versehen, an der -, die Zündung durch einen Steuerstrom I_g erfolgt; dieser beispielsweise von einem elektronischen Schalter 64 eingespeiste positive Strom l_g fließt im Bereich 60 in die p-Steuerbasisschicht 4.
im Teil 60 herrscht keine Potentialdifferenz; entsprechend ergibt sich ein in der Spitze abgeflachtes Zündpotential φ_ζ, wie aus dem Diagramm nach den F i g. 8a, b ersichtlich ist.

In den Diagrammen sind die gleichen Störpotentiale ψηρ, φ'cap, φ"cup. um Kompensationspotentiale <p_romp, φ'αοη,ρ, φ"comp und Begrenzungspotentiale φ«™, <p'»_m angenommen, wie im Diagramm nach der Fig.2 und entsprechend tritt bezüglich der Kompensation der Störspannungspotentiale und der Begrenzung derselben die gleiche Wirkung wie beim optisch zündbaren Halbleitergleichrichter nach ier F i g. 1 auf.

In der F i g. 8a ist wieder angenommen, daß das Störpotential q>_cap an der Ringelektrode 13 nicht das der Diode 14 eigene Begrenzungspotential φ/_/π, erreicht und somit keine Begrenzung des Störpotentials <p_Cap erfolgt.

In der Fig.8b hat das Störpotential ψ\_αρ eine derartige Größe, daß eine Begrenzung desselben sinnvoll ist und durch die Diode 14 erfolgt; wie aus den Diagrammen ersichtlich, wird das Zündpotential φ* durch die Begrenzung nicht erfaßt und die Zündemp-

jo findlichkeit damit nicht beeinträchtigt.

Im du/df-Fall kann es vorkommen, daß aufgrund der Beschallung des steuerbaren Halbleitergleichrichters zusätzlich ein kapazitiver Störstrom über die Zündelektrode 63 eingekoppelt wird, durch den das Störpotential

weiter erhöht wird. Durch eine geringfügige Überkompensation kann diese Störeinkoppplung unwirksam gemacht werden.

Als Element mit nichtlinearer Charakteristik kann eine Halbleiter-Diode verwendet werden, deren Einschaltverzögerungszeit so gering sein muß, daß keine dynamische Überhöhung des Begrenzungspotentials q>Hm auftritt

Die Diode kann als hybrides oder integriertes Bauelement vorliegen.

Liegt ein hybrides Bauelement vor, so ist eine thermische Kopplung mit dem Halbleitergleichrichter zweckmäßig, da hierdurch das Begrenzungspotential q>r,_m und das Mindest-Zündpotential der Steuerbasis des Halbleitergleichrichters gleichsinnig mit der Temperatür variieren.

Als integriertes Bauelement bietet sich für die Diode 14 eine Metall-Halbleiterdiode an, die aus den Metaiieiektroden i3, 35, 57 (Fig. 1, 3, 5) und dem darunterliegenden Halbleitermaterial gebildet werden kann. Wegen der p-Diffusion, durch die die Steuerbasisschicht 4 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 F i g. 9 angedeutet ist, in welcher beispielsweise ein Teil des Halbleiterkörpers nach der Fig. 1 dargestellt ist

Die Diode 14' ist gebildet durch eine ringförmig eindiffundierte η+-Schicht 84, die mit einer Elektrode 85 versehen ist
Es muß aber verhindert werden, daß die abzuleiten-

den Störströme zu einer Störzündung aufgrund von Elektroneninjektionen aus der Schicht 84 führen. Dies kann verhindert werden, indem die p-Steuerbasisschicht 4 im Bereich unterhalb der Schicht 84 besonders hoch dotiert wird, da dadurch der Elektronen-Transportfaktor stark vermindert wird.

Die Störzündung kann auch verhindert werden, indem eine hohe Dich'.e von Rekombinationszentren in den Halbleiterkörper im Bereich E der Schicht 84 eingebracht wird, was beispielsweise durch eine lokale Bestrahlung mit hochenergetischen Elektronen (Energie >1 MeV) erfolgen kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einer Mehrzahl von Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyps, wobei die beiden Außenschichten mit Hauptelektroden versehen sind und eine der als Elektronen- oder Löscher-Emitier ausgebildeten Außenschichten einen durch die aufzubringende Steuerleistung zündbaren Bereich aufweist, der bei Auftreten von Störströmen ein Kompensationspotential erhält, das mit dem Störpotentia! der benachbarten Steuerbasisschicht im durch die Steuerleistung primär gezündeten Bereich in gleicher Richtung geht, gekennzeichnet durch ein eine nichtlineare Charakteristik aufweisendes, separates oder in den Halbleiterkörper integriertes Bauelement (14,14'), das mit der Steuerbasisschicht (4„ 31) und mit dem kathodenseitigen Anschlußkontakt (3, 42) des Halbleitergleichrichters (1) verbunden ist und zur Begrenzung des Störpotentials der Steuerbasisschicht (4,31) dient.

2, Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Bemessung der dem Zündbereich (9) benachbart liegenden Flächenwiderstände (Ersatzwiderstände R_b) im Bereich der an die Oberfläche tretenden Steuerbasisschicht (4) und der diesem Bereich zugeordneten Kapazitäten (Ersatz-Kapazitäten Cb) der Zündpotentialverlauf eine mittlere Breite hat die schmaler als die des begrenzten Störpotentialverlaufs ist und die Begrenzung in den Anstieg des Störpotentialverlaufs gelegt ist

3. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement (14, 14') mit nichtlinearer Charakteristik eine Halbleiterdiode mit kleiner Einschaltverzögerungszeit ist.