DE2822336A1 - Thyristor mit verstaerkender gateanordnung - Google Patents
Thyristor mit verstaerkender gateanordnungInfo
- Publication number
- DE2822336A1 DE2822336A1 DE19782822336 DE2822336A DE2822336A1 DE 2822336 A1 DE2822336 A1 DE 2822336A1 DE 19782822336 DE19782822336 DE 19782822336 DE 2822336 A DE2822336 A DE 2822336A DE 2822336 A1 DE2822336 A1 DE 2822336A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- thyristor
- auxiliary
- capacitor
- main
- gate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 63
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 16
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 13
- 238000007599 discharging Methods 0.000 claims description 3
- 241000251730 Chondrichthyes Species 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 4
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 3
- 230000003685 thermal hair damage Effects 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 101100189378 Caenorhabditis elegans pat-3 gene Proteins 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000001960 triggered effect Effects 0.000 description 1
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
- H01L29/7404—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action structurally associated with at least one other device
- H01L29/7408—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action structurally associated with at least one other device the device being a capacitor or a resistor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
- H01L29/74—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
- H01L29/7428—Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action having an amplifying gate structure, e.g. cascade (Darlington) configuration
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Thyristors (AREA)
Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit verstärkendem Gate, insbesondere auf einen Thyristor, der während
des Überganges beim Einschalten mit hoher Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt arbeitet.
Wenn an Anode und Kathode eines Thyristors eine in Durchlaßrichtung
gerichtete Spannung angelegt und Gate und Kathode des Thyristors eine Triggersignalspannung zugeführt wird,
so schaltet der sich ergebende, zwischen Gate und Kathode fließende Gatestrom den zuvor in Durchlaßrichtung ausgeschalteten
Thyristor ein. Der Übergang des Thyristors aus dem ausgeschalteten in den leitenden Zustand wird als Einschalten
des Thyristors bezeichnet. Der Einschaltvorgang des Thyristors verläuft folgendermaßen. Der sich ergebende Gatestrom
schaltet zunächst einen kleinen Bereich des Thyristors ein, der dem Gateanschluß am nächsten und am Umfang des
Kathodenanschlusses liegt. Der so erzeugte leitende Bereich dehnt sich mit der Zeit über den gesamten Thyristor aus.
Bei großer Anstiegsgeschwindigkeit des Stroms in Durchlaßrichtung,
d.h. bei großem di/dt, fließt ein starker Strom in Durchlaßrichtung durch einen kleinen leitfähigen Bereich.
Die Stromdichte wird hierdurch so hoch, daß der Leistungsverlust im leitenden Bereich beträchtlich wird. In extremen
Fällen kann es vorkommen, daß der Thyristor durch den mit hoher Dichte fließenden Leitungsstrom zerstört werden kann.
Um dies zu verhindern, wurden verschiedenerlei Gateanordnungen vorgeschlagen. Ein typisches Beispiel einer solchen Gateanordnung
ist der Thyristor mit verstärkendem Gate.
Der Stand der Technik und die Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 den Querschnitt eines herkömmlichen Thyristors mit
verstärkendem Gate;
Fig. 2 das Ersatzschaltbild des Thyristors der Fig. 1j
Fig. 2 das Ersatzschaltbild des Thyristors der Fig. 1j
809848/0945
Fig. 3 den Querschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Thyristors mit verstärkendem Gate;
Fig. 4 das Ersatzschaltbild des Thyristors der Fig. 3;
Fig. 5a die Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thyristors;
Fig. 5b den Querschnitt Vb-VlD der Fig. 5a;
Fig. 6 die Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thyristors;
Fig. 7 den Schnitt VII-VII der Fig. 6;
Fig. 8 das Elektrodenmuster bei einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Thyristors;
Fig. 9 in vergrößertem Maßstab einen Teil des Elektrodenmusters der Fig. 8;
Fig.10a
und 10b den Querschnitt Xa - Xa bzw. Xb - Xb in Fig. 9;
Fig.11a
bis 11c in Diagrammen den Verlauf des Hilfs- und des Kauptstromes
während des Einschaltens eines herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Thyristors mit verstärkendem
Gate;
Fig.12a
und 12b den Temperaturanstieg im Hilfsthyristorabschnitt eines
herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Thyristors mit verstärkendem Gate.
Fig. 1 zeigt ein Beispiel einer verstärkenden Gateanordnung und Fig. 2 das Ersatzschaltbild des Beispiels der Fig. 1.
Wenn an den Gateanschluß 4 und den Kathodenanschluß 2 bei in Durchlaßrichtung vorgespannter Strecke zwischen Kathodenan-^
Schluß 2 und Anodenanschluß 3 ein Triggersignal angelegt wird,
so fließt der Gatestrom in über den Gateanschluß 4, die pleitende
Basis 9, den η-leitenden Hilfsemitter 12, den Hilfskathodenanschlu-ß
5» die p-leitende Basis 9, den n-leitenden
Hauptemitter 8 und den Kathodenanschluß 2. Das heißt, es wird zunächst ein Hilfsbereich 14 eingeschaltet, der einen Hilfsstrom
i fließen läßt. Der Hilfsstrom schaltet einen Thyristorbereich
15 mit großer Fläche unterhalb des Hilfskathoden-
109848/0946
anschlusses 5 ein, so daß ein Hauptstrom i. fließt. Der in
Durchlaßrichtung fließende Strom wird daher in dem frühzeitigen Stadium des Einschaltvorganges in zwei Komponenten geteilt,
von denen die eine über den Hilfsthyristorbereich und die andere über den Hauptthyristorbereich fließt. Die
Schaltenergie wird auf die beiden Bereiche verteilt, so daß die Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt in dem frühzeitigen
Stadium des Einschaltvorganges ziemlich hoch ist.
Es hat sich gezeigt, daß die verstärkende Gateanordnung die Stromänderungsgeschwindigkeit verhältnismäßig gut verbessert.
Jedoch kann auch bei einem solchen Thyristor mit verstärkender Gateanordnung eine elektrische und/oder thermische
Beschädigung und/oder ein Durchbruch des Hilfsthyristors oder in dessen Nähe auftreten, insbesondere wenn versucht
wird, den steigenden Anforderungen an die Hochspannungsfestigkeit,
die Strombelastbarkeit und die hohe Arbeitsgeschwindigkeit gerecht zu v/erden. Es ist daher schwierig,
eine hinreichende Stromanstiegsgeschwindigkeit zu erreichen. Der Grund hierfür ist folgender.
Die Stromänderungsgeschwindigkeit di/dt eines Thyristors mit verstärkendem Gate ist abhängig davon, ob im frühzeitigen
Stadium des Schaltvorganges die vom leitenden Bereich des Hilfsthyristors 14 oder die vom leitenden Bereich des Hauptthyristors
15 je Flächeneinheit verbrauchte Energie größer ist.
Ist der Wert des WiderStandes Rp (Fig. 2) klein, so wird vom
Hilfsthyristör 14 ein ausreichender Steuerstrom für den Hauptthyristor
15 bereitgestellt. Macht man daher die einander gegenüberliegenden Teile des Hilfskathodenanschlusses 15 und
des η-leitenden Emitters 8 ausreichend lang, so ist wahrscheinlich, daß die anfänglich leitende Fläche leicht vergrößert
und der Temperaturanstieg ebenfalls begrenzt wird. Bei einem Hilfsthyristor jedoch, bei dem die zueinander parallelen
Teile des Gateanschlusses 4 und des n-leitenden
809848/0945
Hilfsemitters 12 lang sind, wird ein großer Gatestrom nötig.
Kleine Gateströme führen nämlich zu einem ungleichmäßigen Startverhalten beim Einschaltvorgang und zu örtlichen Einschaltungen
des Hilfsthyristors 14, so daß die anfänglich
leitende Fläche nicht vergrößert werden kann. Da ferner der Hilfsstrom i selbst nach Einschalten des Hauptthyristors
15 weiter durch den Hilfsthyristor 14 fließt, führt eine Erhöhung
der Stromanstiegsgeschv/indigkeit des Hauptstromes notwendig zu einer Erhöhung des Hilfsstromes. Dies hat den
Nachteil zur Folge, daß die vom Hilfsthyristor 14 verbrauchte Schaltenergie weiter ansteigt. Wird andererseits der Wert
des Widerstandes R~ (Fig. 2) groß gemacht, so kann der Strom
durch den Hilfsthyristor 14 bis auf einen bestimmten Wert abgesenkt werden. Die vom Querwiderstand R« erzeugte Wärme ist
dabei jedoch verhältnismäßig groß; außerdem wird der dem Gate des Hauptthyristors 15 aufgedrückte Gatestrom klein, so daß
das Einschalten des Thyristors verzögert wird. Weil außerdem der größte Teil des Hilfsstromes iQ durch den Hilfsthyristor
14 fließt, bis der Hauptthyristor 15 eingeschaltet ist, kann die vom Hilfsthyristor 14 verbrauchte Schaltenergie nicht erhöht
werden.
Demgemäß können elektrische und/oder thermische Beschädigungen und/oder Durchbrüche im Hilfsthyristor oder in dessen Nachbarschaft
auftreten, wenn die Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt des Anodenstroms (i - i^) hoch ist, selbst wenn ein Thyristor
mit verstärkender Gateanordnung benutzt wird.
Zur Verhinderung derartiger elektrischer und/oder thermischer Zerstörungen des Hilfsthyristors wurde durch die US-PS
3 526 815 bereits vorgeschlagen, zwischen Haupt- und Hilfsthyristor (Fig. 6 der Druckschrift) einen Widerstand einzufügen;
gemäß Fig. 2 der JA-OS 135 678/76 soll zwischen Haupt- und Hilfsthyristor eine Induktivität eingefügt werden. Auch
diese Vorschläge sind jedoch in vielerlei Hinsicht unbefriedigend.
«Q9848/0Ö45
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Mangel und Nachteile des Standes der Technik möglichst weitgehend zu
beseitigen. Insbesondere soll ein von den obigen Nachteilen freier Thyristor geschaffen werden, bei dem die zulässige
Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt während des Einschaltvorganges möglichst hoch ist.
Erfindungsgemäß wird der Gatestrom den Umfangsbereichen des
Emitters unterhalb der Kathode durch den Hilfsemitter des
Hilfsthyristors und einen mit dem Hilfsemitter verbundenen Kondensator zugeführt. Infolgedessen wird der durch den eingeschalteten
Hilfsthyristör fließende Hilfsstrom über den
Kondensator dem gleichen Umfangsteil zugeführt und so der Hauptthyristor eingeschaltet. Wenn jedoch der Kondensator
aufgeladen ist, so wird der Hilfsstrom unterbrochen, und der
durch den anfänglichen Zündbereich des verstärkenden Hilfsthyristors fließende Strom schnell abgesenkt, wo die Temperatur
ihr Maximum erreicht.
Durch die Erfindung wird also erreicht, daß ein starker Strom mit steiler Anstiegscharakteristik in oder in der Nähe des
Umfangsteils des Emitters unterhalb der Kathode fließt, so daß der Einschaltvorgang auf einer großen Fläche begonnen
und der Strom durch den anfänglichen Einschaltbereich des verstärkenden Hilfsthyristors nach dem Einschalten schnell
vermindert wird. Durch die Erfindung wird also ein Thyristor mit hoher Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt geschaffen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 3 zeigt den schematischen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels
des erfindungsgemäßen Thyristors mit verstärkendem Gate, Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild des Thyristors.
Ein Hilfskathodenanschluß 5 ist auf einem n-leitenden
Emitter 12 angeordnet, der von einem mit einem Kathodenanschluß 2 in Berührung stehenden Hauptemitter 8
809848/0945
— Q —
getrennt ist. Ein zweiter Gateanschluß 6 ist auf einer pleitenden Basis 9 vorgesehen, die parallel zum Hauptemitter
8 angeordnet ist. Der Hilfskathodenanschluß 5 und der zweite Gateanschluß β sind über einen Kondensator C miteinander
verbunden. Der Kondensator C ist durch eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R und einem Schalter 13 zum Entladen
des Kondensators C überbrückt.
Im folgenden sei nun der Einsehaltvorgang des Thyristors
beschrieben. Zunächst ist der Schalter 13 geöffnet. Wird zwischen Gateanschluß 4 und Kathodenanschluß 2 eine in
Durchlaßrichtung gerichtete Spannung angelegt, während zwischen Anodenanschluß 3 und Kathodenanschluß 2 eine in
Durchlaßrichtung gerichtete Spannung anliegt, so fließt der Gatestrom i über den Gateanschluß 4, die Basis 9, den
Hilfsemitter 12, den Hilfskathodenanschluß 5, den Kondensator
C, den zweiten Gateanschluß 6, die Basis 9 und über den Hilfsemitter 8 zum Kathodenanschluß 2 (Fig. 3). Der Hilfsstrom
i fließt über den Hilfskathodenanschluß 5, den Kondensator C, den zweiten Gateanschluß 6 und den Hauptemitter
8, so daß im Hauptthyristor 15 der Einsehaltvorgang in dem
großflächigen Umfangsteil des Hauptemitters 8 gegenüber dem zweiten Gateanschluß 6 eingeleitet wird und der Hauptstrom
i, fließen kann. Da der Kondensator C geladen ist, fällt der Hilfsstrom i schnell ab. Hat sich der leitende Bereich
vom Umfang des Hauptemitters 8 ausreichend ausgedehnt, so wird der Schalter 13 geschlossen und der Kondensator C
über den Widerstand R entladen, dessen Wert verhältnismässig groß ist. Wenn der Hauptthyristor 15 ausgeschaltet wird,
so wird der Schalter 13 wieder geöffnet und die Schaltung so für den nächsten Einschaltvorgang vorbereitet. Der Kondensator
C braucht nur während einer Periode vom anfänglichen Einschaltaugenblick des Hauptthyristors 15 zum nächsten
Einschaltaugenblick des Hilfsthyristors 14 entladen zu werden; der Schalter 13 kann in noch zu beschreibender Weise
unter Ausnutzung des Thyristors im Halbleitersubstrat realisiert werden.
809848/09AS
Durch die Zufuhr des Hilfsstromes zum Hauptemitter 8 über
den Kondensator C entstehen folgende Wirkungen.
1. Wird zwischen Gateanschluß 4 und Kathodenanschluß 2 eine
in Durchlaßrichtung gerichtete Spannung angelegt, so ist
die Impedanz des Kondensators C gering, so daß ein ausreichend hoher Strom mit schneller Anstiegscharakteristik dem
Hauptemitter 8 zugeführt werden kann.
2. Da der zur Verstärkung durch den Hilfsthyristor 14 fliessende
Strom, der zunächst eingeschaltet wird und gegen Zerstörung anfällig ist, nach dem Einschalten des Hauptthyristors
15 schnell absinkt, ist der Temperaturanstieg im Hilfsthyristor 14 gering, und die zulässige Stromanstiegsgeschwindigkeit
di/dt ist sehr hoch.
Fig. 5a und 5b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Thyristors mit verstärkendem Gate. Hierbei ist die Reihenschaltung aus dem Schalter 13 und dem
V/iderstand R in das Halbleitersubstrat integriert. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem der Fig. 3
nur dadurch, daß der Hilfskathodenanschluß 5 einen Teil
oder eine Nasa 7 aufweist, der als Entladungsstrecke für
den Kondensator C dient; dieser Teil berührt die p-leitende Basis 9. Der Hilfskathodenanschluß 5, die Entladestrecke
7, die Basis 9 und der zweite Gateanschluß 6 bilden einen Widerstand R1 zur Entladung des Kondensators C; der Wert
des Widerstandes R1 ist verhältnismäßig hoch. Wenn daher
dem Gateanschluß 4 ein Steuersignal zugeführt wird, so fließt der größte Teil des sich ergebenden Stromes über den
Kondensator C, und nur ein kleiner Bruchteil des Stroms fließt über den Entladewiderstand R'. Wenn der verstärkende
Hilfsthyristor 14 eingeschaltet wird, um die Einschaltung des Hauptthyristors einzuleiten, so wird der Kondensator
C geladen, und es entsteht an diesem eine Spannung von einigen zehn Volt.
Demzufolge steigt das Potential an dem Teil der Basis 9
809848/0945
unter dem Hilfskathodenanschluß 5, so daß von diesem Teil
ein Strom zum Hauptemitter 8 fließt, der gegenüber dem Hilfsemitter 12 angeordnet ist, wodurch die Einschaltung eingeleitet
-wird. Dabei findet in den Teilen der p-leitenden Basisschicht. 9 zwischen dem zweiten Gateanschluß 6 und dem
Kathodenanschluß 2 sowie zwischen dem Kathodenanschluß 2 und dem Hilfskathodenanschluß 5 eine Leitfähigkeitsmodulation
statt, so daß der Wert des Widerstandes R! vermindert wird. Demzufolge wird der Kondensator C über den Entladewiderstand
R' entladen.
Versuche haben gezeigt, daß ohne den Entladungsweg 7 der Kondensator C wegen Leckströmen usw. innerhalb einiger hundert
Mikrosekunden entladen wird. Ein mit Netzfrequenz zu
betreibender Thyristor braucht daher nicht stets mit einer Entladestrecke versehen zu werden. Auch kann der Kondensator,
statt ihn als Einzelelement extern anzuschließen, als integriertes Element ausgebildet werden,in dem nacheinander eine
dielektrische Schicht und ein Kondensatoranschluß auf dem zweiten Gateanschluß 6 oder dem Hilfßkathodenanschluß 5 ausgebildet
werden. Bei Versuchen ist festgestellt worden, daß der geeignete Kapazitätsbereich des Kondensators C unter
Berücksichtigung der Anstiegsgeschwindigkeit des Anoden-stroms beim Einschalten des Thyristors bestimmt wird.
Während der Verzögerungszeit (einige Mikrosekunden) vom Einschalten
des Hilfsthyristors 14 bis zum Einschalten des
Hauptthyristors 15 und während der Anstiegszeit des Anodenstromes, wenn die Spannung zwischen Anodenanschluß 3 und *·
Kathodenanschluß 2 auf einige zehn Volt vermindert wird, wird der Kondensator C durch den Hilfsstrom i aufgeladen.
Wenn die Kapazität des Kondensators C gering ist, wird er bis zu dem Zeitpunkt überladen, bis die Anoden-Kathodenspannung
auf den obigen Wert abnimmt, mit dem Ergebnis, daß die Spannung am Kondensator C zu hoch wird. Dies kann zu
einem Durchbruch des Emitter-Basis-Überganges und des Kondensators C führen. Wenn andererseits die Kapazität des
809848/0945
Kondensators C hoch ist, steigt der Ladestrom des Kondensators C und damit die Schaltfähigkeit im Hilfsthyristör 14.
Somit läßt sich der geeignete Kapazitätsbereich des Kondensators folgendermaßen bestimmen. Der maximal zulässige Anstieg
des Anodenstroms sei di»/dt (A/us) , die Verzögerungszeit des Hauptthyristors 15 td Ous), die Anstiegszeit des
Anodenstroms tr (yus) und die Kapazität des Kondensators C
OuF). Während der Verzögerungszeit muß der Strom über den Kondensator in den Hauptthyristor 15 fließen,und am Ende der
Verzögerungszeit muß die Spannung am Kondensator C unter die Durchbruchspannung des Emitter-Basis-Uberganges und des Kondensators
fallen. Ist die maximal zulässige Spannung am Kondensator VC1, so ergibt sich die untere Grenze C. der Kapazität
des Kondensators aus folgender Gleichung:
1Ä
1 2 · VC1 dt
Darin ist «λ. ein fester Wert, der durch den Verlauf des Anodenstroms
während der Verzögerungszeit des Hauptthyristors 15 bestimmt wird. Die tatsächliche Anstiegsgeschwindigkeit
di./dt des Anodenstroms ist mit $- = 0,4 geringer als der
errechnete Wert. Die Verzögerungszeit ist wenigstens etwa 1,2 ^us, selbst nachdem für längere Zeit der Steuerstrom
geflossen ist. Die maximal zulässige Spannung am Kondensator C liegt unter 200 V. Damit ergibt sich folgende Gleichung:
C1 % 0,0015 (diAdt)
Darin sind die Dimensionen der Kapazität C und die Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstroms diA/dt in ^uF bzw. AAis.
Die obere Grenze der Kapazität des Kondensators C ergibt
sich aus folgender Betrachtung. Ist die Kapazität des Kondensators C höher, so fließt selbst dann ein Strom über
809848/0945
den Kondensator C, nachdem der Hauptthyristor 15 eingeschaltet ist, so daß unnötige Schaltverluste im Hilfsthyristor
14 auftreten. Der in den Hauptthyristor 15 fließende Hilfsstrom ±& soll nur bis zum Ende der Anstiegszeit
des Anodenstroms fließen. Nach dieser Zeit braucht der Hilfsstrom
i nicht zu fließen. Hierzu sollte die Ladespannung am Kondensator C wesentlich größer sein als die Anoden/Kathodenspannung
am Ende der Anstiegszeit des Anodenstroms. Somit fließt, weil der Kondensator auf diese Spannung aufgeladen
ist, der größte Teil des Anodenstroms über den Hauptthyristor 15 statt über den Hilfsthyristor 14. Ist der minimal
zulässige Wert der Spannung am Kondensator C am Ende der Anstiegszeit des Anodenstroms gleich V ~ unt^ ^ie Anstiegszeit
tr (jus), so ergibt sich für die obere Grenze der Kapazität des Kondensators C folgender Ausdruck:
η < *■ -td(td + tr) + ßtr2 /dl
2 ' Vc2 dt
In diesem Ausdruck ist die Anstiegszeit tr (p.s) selbst bei
einem Thyristor mit hoher Durchbruchspannung maximal 3 /us. Da der Spannungsabfall des Thyristors in Durchlaßrichtung
im stationären Zustand mehrere Volt beträgt, muß die wenigstens zulässige Grenzspannung Vp mindestens 20 V betragen.
Der feste Wert ist das Teilungsverhältnis des Anodenstroms zwischen dem Hauptthyristor 15 und dem Hilfsthyristor
14 und muß zu weniger als 0,2 gewählt werden. Ist dieser Wert höher, so steigt der Schaltverlust im Hilfsthyristor
14. Entsprechend ergibt sich für die obere Grenze der Kapazität des Kondensators C folgender Ausdruck:
C2 £ 0,15 (diA/dt)
809848/094S
Darin sind die Dimensionen der Kapazität C- und der Anstiegsgeschwindigkeit
des Anodenstroms ^uF bzw. A/yus.
Mit diA/dt = 100 A/Jus ist 0,15 = C ^ 15 uF.
Fig. 6 und 7 zeigen die Draufsicht bzw. den Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Thyristors
mit verstärkendem Gate, bei dem der Kondensator C in das Halbleitersubstrat integriert ist. Diese Ausführungsform unterscheidet
sich von der zweiten nur dadurch, daß der Kondensator als integrierte Schaltung im Halbleitersubstrat ausgebildet
ist. Dar η-leitende Hilfsemitter 12 ist so verlängert
und vergrößert, daß er den unteren Anschluß 12A des Kondensators C bildet. Auf dem unteren Anschluß 12A ist
eine dielektrische Schicht 17 ausgebildet. Der zweite Gateanschluß 6 ist bis auf die dielektrische Schicht 17 verlängert
und bildet den oberen Anschluß 6A des Kondensators. Bei dieser Ausbildung sind der Kondensator C und die zugehörige
Verdrahtung integriert. Der Thyristor arbeitet ebenso wie der des zweiten Ausführungsbeispiels.
Als dielektrische Schicht 17 wird vorzugsweise ein Siliciumdioxidfilra
(SiOp) verwendet. Der SiOo-FiIm kann durch Erhitzung
von Silicium in einer Sauerstoffatmosphäre mit einer geringen Menge Wasserdampf gebildet werden. Ort und
Küster des SiOp-Films werden nach der bekannten Fotoätztechnik
bestimmt. Durch Ausbildung eines Metallanschlusses*, auf dem SiOp-FiIm mittels Vakuumaufdampfung wird der Kondensator
vervollständigt.
Fig. 8 zeigt die Draufsicht des Elektrodenmusters einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen verstärkenden Gateanordnung,
angewandt auf einen Thyristor. Fig. 9 zeigt in vergrößertem Maßstab etwa einen Viertelkreis-Ausschnitt des
Thyristors der Fig. ß. Fig. 10a und 10b zeigen die Querschnitte Xa-Xa bzw. Xb-Xb der Fig. 9. Wie bei dem Ausfüh-
809848/0945
rungsbeispiel der Fig. 6 besteht der Kondensator C aus dem unteren Anschluß 12A als Verlängerung des Hilfsemitters 12,
dem auf dem unteren Anschluß 12A ausgebildeten SiOp-FiIm 17 und dem oberen Anschluß als Teil des zweiten Gateanschlusses
6, der konzentrisch zwischen dem Kathodenanschluß 2 und dem Hilfskathodenanschluß 5 .angeordnet ist.
Wenn zwischen Gateanschluß 4 und Kathodenanschluß 2 eine in Durchlaßrichtung gerichtete Spannung angelegt wird,
fließt der Gatestrom in vom Gateanschluß 4 über die Basis
9, den Hilfsemitter 12, die Hilfskathode 5, den Kondensator
C, den zweiten Gateanschluß 6, die Basis 9 und den Hauptemitter 8 zum Kathodenanschluß 2 (Fig. 10a, 10b). Entsprechend
wird der Hilfsthyristor 14 eingeschaltet, so daß der
Hilfsstrom i_ vom Kathodenanschluß 5 über den Kondensator C, den zweiten Gateanschluß 6, die Basis 9 und den Hauptemitter
8 zum Kathodenanschluß 2 fließt. Dementsprechend zündet der Umfang des Kathodenanschlusses gegenüber dem zweiten
Gateanschluß 6 über eine große Fläche. In diesem Fall wird die Entladestrecke 7 des Kondensators C durch Verlängerung
eines Teils des Hilfskathodenanschlusses 5 bis zum
Erreichen der Basis 9 und ohmsche Verbindung der beiden gebildet. Die Kapazität des Kondensators C ergibt sich aus
folgender Gleichung:
- EiA.
C =
Darin sind d die Stärke des Siliciumdioxidfilms, A die Fläche der Elektroden und £ die Dielektrizitätskonstante des <
Siliciumdioxidfilms (0,34 χ 10"^ pF/cm).
2 Betragen beispielsweise d = 1 /um und A = 1 cm , so beträgt
die Kapazität C des so gebildeten Kondensators 0,34 pF. Die
Stehspannung des Kondensators beträgt etwa 100 V. Bei einer Kapazität von etwa 0,3/aF ergibt sich ein zum Zünden des
Hauptthyristors ausreichender Steuerstrom. Diesbezügliche Meßergebnisse werden im folgenden noch angegeben. Bei die-
809848/0945
ser Ausführungsform sind die GateanSchlüsse auf dem Umfang
des Substrats ausgebildet; die Erfindung ist jedoch ebenso ausführbar, wenn die Gates im mittleren Bereich der Substratoberfläche
ausgebildet werden.
Fig. 11a zeigt die tatsächlich gemessenen zeitlichen Änderungen des Hilfsstroms i und des Hauptstroms i·. , die während
des Einschaltvorganges durch einen herkömmlichen Thyristor mit verstärkendem Gate fließen, wie er in Fig. 1 gezeigt
ist. Fig. 11b und 11c zeigen die tatsächlich gemessenen zeitlichen
Änderungen des Hilfsstroms i und des Hauptstroms i,
bei einem erfindungsgemäßen Thyristor (Fig. 3). Die ausgemessenen Thyristoren haben einen Durchmesser von 60 mm,
eine Sperrspannung in Durchlaßrichtung von 4 kV, einen Leitungsstrom von 800 A und einen Hilfsemitter mit einer Fläche
von etv/a 2 cm . Die Kapazität des Kondensators C beträgt bei dem Thyristor der Fig. 11b 1 juF und bei dem der Fig. 11c
0,2 yuF.
Bei dem bekannten Thyristor (Fig. 11a) nimmt der Hilfsstrom i auch nach dem Zünden des Hauptthyristors, so daß der
Hauptstrom i, gezogen wird, nur geringfügig ab. Bei den erfindungsgemäßen Thyristoren dagegen nimmt gemäß den Fig.
11b und 11c der Hilfsstrom ia nach dem Zünden des .Hauptthyristors
sehr stark ab, so daß die vom Hilfsthyristor verbrauchte
Schaltenergie wesentlich verringert wird. Dabei hat, obwohl der Hilfsstrom i nach dem Zünden des Hauptthyristors
abnimmt, die Änderung des Hilfsstroms i nur einen geringen Einfluß auf die Art, in der der Hauptthyristor
gezündet wird. Dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Anstiegscharakteristik des Haupt-(Anoden}stroms i-^ beim
herkömmlichen Thyristor fast gleich ist mit dem Anodenstrom Ij3 beim erfindungsgemäßen Thyristor (Fig. 11a bis 11c). Bei
diesen Beispielen sollte der Kondensator vorzugsweise eine Kapazität von 0,1 bis 1 jüF haben..
809848/0945
Fig. 12a und 12b zeigen die tatsächlich gemessenen zeitlichen Temperaturänderungen in den Hilfsthyristören des herkömmlichen
und des erfindungsgemäßen Thyristors bei einer Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt =125 A/us. Bei dem herkömmlichen
Thyristor mit verstärkendem Gate steigt die Temperatur auf einen Maximalwart von 1(5 C, während bei dem erfindungsgemäßen
Thyristor (C= 0,2 iuF) die höchste Temperatur 1,5°C,
d.h. ein Zehntel des Maximalwerts des herkömmlichen Thyristors beträgt. Da durch die Hauptthyristorabschnitte beider Thyristoren
ausreichende Gateströme fließen, ist das Maß des Temperaturanstiegs in den Hauptthyristorabschnitten des herkömmlichen
und des erfindungsgemäßen Thyristors gleich. Durch die Erfindung wird also die mögliche Stromanstiegsgeschwindigkeit
di/dt beträchtlich verbessert.
Statt auf einen Thyristor, bei dem Hilfs- und Hauptthyristorabschnitt
14 bzw. 15 in ein einziges Halbleitersubstrat integriert sind, ist die Erfindung ebenso anwendbar, wenn die beiden
Abschnitte in getrennten Halbleitersubstraten ausgabildet sind.
809848/0945
-/IS-
Leerseite
Claims (1)
- PATENT/ NV'ÄLTCSCH|FF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINSHAUS FINCKMARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 OI 6O, D-8OOO MÜNCHEN 95KARL LUDWIQ SCHIFFDIPL. CHEM. DH. ALEXANDER V. FUNE=RDIPL. ING. PETER STREHLDIPL. CHEM. DR. URSULA SCHUEiEL-HOPFDIPL. IN<3. DIETER EBB1NGHAUSDR. INQ. DIETER FINCKTELEFON (089)43 20 54TELEX B-23 565 AURO DTELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHENDA-14280 HITACHI, LTD. 22. Mai 1978Thyristor mit verstärkender Gateanordnung1.) Thyristor mit einem Halbleitersubstrat, bestehend aus vier Schichten abwechselnden Leitfähigkeitstyps, zwischen denen jeweils ein pn-übergang gebildet ist, wobei das Halbleitersubstrat zwei einander gegenüberliegende Hauptoberflächen aufweist, von denen die eine aus der freiliegenden Oberfläche der einen äußeren Schicht und der freiliegenden Oberfläche der an die äußerste Schicht angrenzenden Zwischenschicht und die andere Hauptoberfläche aus der freiliegenden Oberfläche der anderen äußeren Schicht besteht, und wobei die erste äußerste Schicht aus einem Hauptbereich und einem Hilfsbereich besteht, der vom Hauptbereich durch die Zwischenschicht isoliert ist und der Hilfsbereich eine kleinere Fläche aufweist als der Hauptbereich, mit einom mit dem Haupbbereich in der ersten Haiiptobarflache des809848/0948Halbleitersubstrats in. ohmschem Kontakt stehenden Kathodenanschluß, mit einem mit der anderen äußersten Schicht in der zweiten Hauptoberfläche des HalbleiterSubstrats in ohmschem Xontakt stehenden Anodenanschluß, mit einem mit einem Teil der Zwischenschicht in der Nähe das Hilfsbereichs in der ersten Hauptoberfläche des Kalbleitersubstrats in ohmschem Kontakt stehenden ersten Gateanschluß, mit einer mit dem Hilfsbereich in der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats in ohmschem Kontakt stehenden Hiliskathodenanschluß, und mit einem mit der ersten äußersten Schicht in der ersten Hauptoberfläche des Halbleitersubstrats in ohmschem Kontakt stehenden zweiten Gateanschluß, gekennzeichnet durch einen zwifjchen Hilfskathodonanschluß (5) und den zweiten Gateanschluß (6) geschalteten Kondensator (C), und durch eine Einrichtung (R, 13) zürn Entladen des Kondensators.?.. Thyristor n-.ich Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sntladungse.inrichtunp; aus einer Reihenschaltung aus einem Schalter (13) und einem V/iderstand (R) besteht, die zu dem Kondensator (C) parallel geschaltet ist.3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c hn e t, daß die Entladungseinrichtung in die Zwischenschicht (9) zwischen Hilfskathodenanschluß (5, 7) und zweiten Gateannchluß (6A) ingetriert ist.'^. Thyristor η?, oh Anspruch 1, dadurch gskennzeic h-809848/0945net, daß der Kondensator aus einem durch Verlängerung und Erweiterung des Hilfsbereichs gebildeten unteren Anschluß (12A) einer auf dem unteren Anschluß gebildeten dielektrischen Schicht (17) und einem auf der dielektrischen Schicht durch Verlängerung des zweiten Gateanschlusses (6) bis auf die dielektrische Schicht gebildeten oberen Anschluß (6A) besteht.5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfskathodenanschluß (5) längs des Umfanges des Hauptbereichs verläuft und der zweite Gateanschluß (6) konzentrisch zwischen Kathodenanschluß (2) und Hilfskathodenanschluß (5) angeordnet ist.6. Thyristor nach Anspruch h oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität (pF) des Kondensators 0,0015 di./dt έ C ^ 0,15 di./dt , beträgt, worin di,/dt die maximal zulässige Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstroms des Thyristors ist.7. Thyristor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Hilfs- und Hauptthyristorteil (14 bzw. 15) in voneinander getrennten Halbleitersubstraten ausgebildet sind.809848/0945
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP52058833A JPS5942991B2 (ja) | 1977-05-23 | 1977-05-23 | サイリスタ |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2822336A1 true DE2822336A1 (de) | 1978-11-30 |
DE2822336B2 DE2822336B2 (de) | 1980-08-14 |
DE2822336C3 DE2822336C3 (de) | 1981-05-27 |
Family
ID=13095641
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2822336A Expired DE2822336C3 (de) | 1977-05-23 | 1978-05-22 | Thyristoranordnung |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US4315274A (de) |
JP (1) | JPS5942991B2 (de) |
DE (1) | DE2822336C3 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3120254A1 (de) * | 1980-05-23 | 1982-05-27 | General Electric Co., Schenectady, N.Y. | "halbleiterelement fuer hohe spannung" |
US4352028A (en) * | 1978-01-16 | 1982-09-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Circuit arrangement for reducing the recovery time of a thyristor comprising R-C-D network between auxiliary and main emitters |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5595362A (en) * | 1979-01-12 | 1980-07-19 | Meidensha Electric Mfg Co Ltd | Turn-off thyristor |
JPS5739574A (en) * | 1980-08-22 | 1982-03-04 | Toshiba Corp | Semiconductor device |
JPS5927571A (ja) * | 1982-08-05 | 1984-02-14 | Meidensha Electric Mfg Co Ltd | ゲ−トタ−ンオフサイリスタ |
FR2542148B1 (fr) * | 1983-03-01 | 1986-12-05 | Telemecanique Electrique | Circuit de commande d'un dispositif a semi-conducteur sensible du type thyristor ou triac, avec impedance d'assistance a l'auto-allumage et son application a la realisation d'un montage commutateur associant un thyristor sensible a un thyristor moins sensible |
US4646122A (en) * | 1983-03-11 | 1987-02-24 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor device with floating remote gate turn-off means |
US4779126A (en) * | 1983-11-25 | 1988-10-18 | International Rectifier Corporation | Optically triggered lateral thyristor with auxiliary region |
US4651189A (en) * | 1983-12-19 | 1987-03-17 | Hitachi, Ltd. | Semiconductor device provided with electrically floating control electrode |
US4673844A (en) * | 1985-09-30 | 1987-06-16 | Texas Instruments Incorporated | Starter circuit for a fluorescent tube lamp |
KR102290384B1 (ko) | 2015-02-16 | 2021-08-17 | 삼성전자주식회사 | 누설 전류 기반의 지연 회로 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3526815A (en) * | 1966-07-07 | 1970-09-01 | Asea Ab | Controllable semi-conductor devices comprising main and auxiliary thyristors having all except one emitter-layer in common |
DE2500384A1 (de) * | 1974-01-07 | 1975-11-27 | Mitsubishi Electric Corp | Pnpn-halbleitervorrichtung |
JPS51135478A (en) * | 1975-05-20 | 1976-11-24 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor controlled rectifier |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SE320729B (de) * | 1968-06-05 | 1970-02-16 | Asea Ab | |
FR2325194A1 (fr) * | 1975-09-16 | 1977-04-15 | Ibm | Dispositif de pompage de charge pour semi-conducteur et son procede de fabrication |
DE2607678A1 (de) * | 1976-02-25 | 1977-09-01 | Siemens Ag | Anordnung zum herabsetzen der freiwerdezeit eines thyristors |
-
1977
- 1977-05-23 JP JP52058833A patent/JPS5942991B2/ja not_active Expired
-
1978
- 1978-05-22 DE DE2822336A patent/DE2822336C3/de not_active Expired
-
1980
- 1980-06-17 US US06/160,567 patent/US4315274A/en not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3526815A (en) * | 1966-07-07 | 1970-09-01 | Asea Ab | Controllable semi-conductor devices comprising main and auxiliary thyristors having all except one emitter-layer in common |
DE2500384A1 (de) * | 1974-01-07 | 1975-11-27 | Mitsubishi Electric Corp | Pnpn-halbleitervorrichtung |
JPS51135478A (en) * | 1975-05-20 | 1976-11-24 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor controlled rectifier |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4352028A (en) * | 1978-01-16 | 1982-09-28 | Siemens Aktiengesellschaft | Circuit arrangement for reducing the recovery time of a thyristor comprising R-C-D network between auxiliary and main emitters |
DE3120254A1 (de) * | 1980-05-23 | 1982-05-27 | General Electric Co., Schenectady, N.Y. | "halbleiterelement fuer hohe spannung" |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPS53144689A (en) | 1978-12-16 |
DE2822336C3 (de) | 1981-05-27 |
DE2822336B2 (de) | 1980-08-14 |
JPS5942991B2 (ja) | 1984-10-18 |
US4315274A (en) | 1982-02-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE2712114C2 (de) | Schaltbare Halbleitervorrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung | |
DE2822336A1 (de) | Thyristor mit verstaerkender gateanordnung | |
DE2506021A1 (de) | Ueberspannungs-schutzschaltung fuer hochleistungsthyristoren | |
DE69220330T2 (de) | Halbleiterbauelement zum Schutz gegen Überspannungen | |
DE3612367C2 (de) | ||
DE2238564C3 (de) | Thyristor | |
DE2906961A1 (de) | Feldgesteuerte thyristor-steueranordnung | |
DE2211116A1 (de) | Steuerbares halbleiterbauelement mit vier schichten abwechselnd entgegengesetzten leitfaehigkeitstyps | |
DE3120254C2 (de) | ||
DE2929133C2 (de) | Schalttransistor | |
DE2625009A1 (de) | Thyristor | |
DE2406866A1 (de) | Halbleitersteuergleichrichter | |
DE2449089C3 (de) | Steuerbarer Halbleitergleichrichter | |
DE2923693A1 (de) | Schalttransistor | |
DE2237086C3 (de) | Steuerbares Halbleitergleichrichterbauelement | |
DE3120124C2 (de) | ||
DE2830382A1 (de) | Leistungsthyristor, verfahren zu seiner herstellung und verwendung derartiger thyristoren in stromrichterschaltungen | |
DE2730612C2 (de) | Betriebsschaltung für einen Thyristor | |
DE2140700A1 (de) | Thyristoranordnung | |
CH631832A5 (de) | Leistungsthyristor und verfahren zu seiner herstellung. | |
DE19947036C1 (de) | Thyristoranordnung mit Freiwerdeschutz | |
DE2406431C3 (de) | Thyristor mit integrierter Diode | |
DE2320412A1 (de) | Vierschichttriode | |
DE2406431A1 (de) | Diodenintegrierter thyristor | |
DE7038693U (de) | Steuerbares bistabiles halbleiter-bauelement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OAP | Request for examination filed | ||
OD | Request for examination | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8328 | Change in the person/name/address of the agent |
Free format text: VON FUENER, A., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT. EBBINGHAUS, D., DIPL.-ING. FINCK, K., DIPL.-ING. DR.-ING., PAT.-ANW., 8000 MUENCHEN |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |