DE2822336A1

DE2822336A1 - Thyristor mit verstaerkender gateanordnung

Info

Publication number: DE2822336A1
Application number: DE19782822336
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Fukui; Shin Kimura
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-05-23
Filing date: 1978-05-22
Publication date: 1978-11-30
Also published as: JPS53144689A; DE2822336C3; DE2822336B2; JPS5942991B2; US4315274A

Description

Beschreibung

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

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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 i_n 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-

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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

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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 i_Q 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.

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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

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— 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.

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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

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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

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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 V_C1, so ergibt sich die untere Grenze C. der Kapazität des Kondensators aus folgender Gleichung:

₁Ä

¹ 2 · V_C1 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 (di_Adt)

Darin sind die Dimensionen der Kapazität C und die Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstroms di_A/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

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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 (di_A/dt)

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Darin sind die Dimensionen der Kapazität C- und der Anstiegsgeschwindigkeit des Anodenstroms ^uF bzw. A/yus.

Mit di_A/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-

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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 i_n 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-

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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 i_a 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..

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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.

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-/IS-

Leerseite

Claims

PATENT/ NV'ÄLTC

_SCH|_FF ν. FÜNER STREHL SCHÜBEL-HOPF EBBINSHAUS FINCK

MARIAHILFPLATZ 2 & 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 OI 6O, D-8OOO MÜNCHEN 95

KARL LUDWIQ SCHIFF

DIPL. CHEM. DH. ALEXANDER V. FUNE=R

DIPL. ING. PETER STREHL

DIPL. CHEM. DR. URSULA SCHUEiEL-HOPF

DIPL. IN<3. DIETER EBB1NGHAUS

DR. INQ. DIETER FINCK

TELEFON (089)43 20 54

TELEX B-23 565 AURO D

TELEGRAMME AUROMARCPAT MÜNCHEN

DA-14280 HITACHI, LTD. 22. Mai 1978

Thyristor mit verstärkender Gateanordnung

1.) 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 des

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Halbleitersubstrats 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-

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net, 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.

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