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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft Halbleiterschalter und mehr im besonderen Halbleiterschalter
für hohe Spannung mit verringerter Empfindlichkeit gegenüber unbeabsichtigtem Anschalten
durch Hochspannungsstromstöße.
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Thyristoren, Triacs und Transistoren sind Halbleiterelemente, die
häufig zum An- und Abschalten von Hochspannungsquellen benutzt werden. Diese Elemente
schließen mindestens eine erste und eine zweite den Hauptstrom tragende Elektroden
sowie eine Gattelektrode ein. An die erste und die zweite Hauptstrom tragende Elektrode
wird eine Spannung gelegt, so daß beim Anlegen eines Steuersignals an. die Gattelektrode
ein Hauptstrom zwischen den genannten Hauptelektroden fließt. Das Element wird als
angeschaltet bezeichnet, wenn zwischen der ersten und der zweiten Hauptelektrode
ein Strom fließt.
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Da das Element an der inneren Übergangs zone eine Kapazität aufweist,
ist seine Fähigkeit zu sperren abhängig von der Geschwindigkeityin der eine Spannung
in Durchlaßrichtung an die Hauptanschlüsse angelegt wird. Eine steil ansteigende
Spannung, die an die Hauptanschlüsse gelegt wird, kann das Fließen eines kapazitiven
Ladestromes durch das Element verursachen. Der Ladestrom I = C.dV/dt ist eine Funktion
der inhärenten Kapazität 3 der Überganqszone und der Anstiegsgeschwindigkeit der
angelegten Spannung. Wenn die Anstiegsgeschwindigkeit der angelegten Spannung einen
kritischen Wert übersteigt, dann kann der kapazitive Ladestrom groß genug sein,
um einen Gattstrom ausreichender Größe und für eine ausreichende Zeit zu erzeugen
um das Element anzuschalten.
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Die Fähigkeit des Elementes, einer über seine Hauptanschlüsse angelegten
5 -.oßspannung zu widerstehen, wird
üblicherweise die dV/dt-Fähigkeit
des Elementes genannt und in V/Mikrosekunden angegeben. Diese dV/dt-Fähigkeit wird
besonders wichtig, wenn Stoßspannungen an die Hauptanschlüsse des Elementes gelegt
werden. Solche Stoßspannungen treten in elektrischen Systemen auf, wenn eine Störung
den Normalbetrieb des Systems unterbricht oder selbst bei Normalbetrieb, wenn andere
Elemente in dem System an-oder abschalten.
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Stoßspannungen haben im allgemeinen eine rasche Anstiegsgeschwindigkeit,
die größer sein kann, als die dV/dt-Fähigkeit des Elementes. Wenn die Antiegsgeschwindigkeit
der Stoßspannung die dV/dt-Fähigkeit z. B. eines Thyristors übersteigt, dann kann
das Element unbeabsichtigt angeschaltet werden.
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Es gibt eine Reihe bekannter Verfahren, um die dV/dt-Fähigkeit von
Halbleiterelementen zu verbessern. Ein solches Verfahren ist die Anwendung von "Emitterkurzschlüssen"
in einem relativen großen Emitterbereich des Halbleiterelementes. Nachteile bei
der Verwendung solcher Emitterkurzschlüsse können sein, daß der zum Aktivieren des
Halbleiterelmentes erforderliche Gattstrom erhöht wird und die Stromanstiegsgeschwindigkeit
dI/dt des Elementes vermindert wird.
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Ein anders bekanntes Verfahren zum Verbessern der dV/dt-Fähigkeit
eines Halbleiterelementes besteht in der Anwendung eines wechselseitigen Ineinandergreifens.
Dadurch wird der anfängliche Anschaltbereich der Emitter erhöht und die Anschaltempfindlichkeit
des Elementes gegenüber Gattstrom entsprechend verringert. Das wechselseitige Ineinandergreifen
verursacht jedoch Probleme hinsichtlich des Verpackens ebenso wie hinsichtlich dem
erforderlichen erhöhten Gattstrom.
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Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Verbessern der dV/dt-Fähigkeit
eines Halbleiterelementes besteht in der Anwendung eines Widerstandes, der zwischen
Gatt und Kathode des Halbleiterelementes gelegt ist, und der einen Nebenschlußpfad
schafft, um einen Teil des von der Stoßspannung erzeugten Gattstromes von dem Emitter
der Kathode abzulenken. Die Anwendung eines Widerstands-Nebenschlußpfades für das
Gattsignal reduziert die Gattempfindlichkeit des Halbleiterelementes in gleichem
Maße.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterelement für hohe
Spannung bei dem die dV/dt-Fähigkeit des Elementes dadurch erhöht ist, daß die von
der Stoßspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme, die zu den Emittern des Elementes
fließen, vermindert werden.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Schaltungseinrichtung
zu schaffen, die extern mit dem Halbleiterelement verbunden ist, um eine relativ
große Zunahme hinsichtlich der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit des Elementes zu
verursachen, dabei aber nur eine relativ geringe Verminderung hinsichtlich der Gattempfindlichkeit.
Weiter soll eine Einrichtung geschaffen werden, die die Spannungszunahmegeschwiiqkeit
des Elementes erhöht, jedoch nur eine minimale Auswirkung auf andere Parameter des
Elementes hat. Und schließlich soll das Halbleiterelement eine erhöhte Ausbreitungsgeschwindigkeit
für ein Plasma aufweisen, das beim anfänglichen Anschalten des Elementes erzeugt
wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wird ein Halbleiterelement für hohe Spannung geschaffen, das mindestens eine erste
Kathode aufweist, die eine erste t3tallisierungsschicht einschließt, eine zweite
Kathode mit einer zweiten Metallisierungsschicht,
eine Anode sowie
eins Gattbereich, der ein angelegtes Signal zu empfangen eingerichtet ist. Jede
der ersten und zweiten Kathoden hat eine darunterliegende Emitterschicht und jede
Kathode ist von der Anode durch eine erste und eine zweite Schicht abwechselnden
Leitfähigkeitstyps getrennt. Die zweite Kathode und die Anode können mit den gegenüberliegenden
Anschlüssen einer Potentialquelle relativ hoher Spannung verbunden werden, die periodisch
Stoßspannungen relativ hoher Spannung aufweist. Das periodische Auftreten von Stoßspannungen
zwischen der zweiten Kathode und der Anode erzeugt kapazitive Ladeströme innerhalb
der ersten und der zweiten Schicht, die in den Emitterschichten der ersten und der
zweiten Kathode als Gattstrom in Erscheinung treten. Der Gattstrom in der Emitterschicht
in der ersten Kathode ist, wenn er in der Amplitude nicht -vermindert wird, ausreichend
groß, um eine Leitung zwischen der ersten Kathode und der Anode zu verursachen.
Das erfindungsgemäße ,Halbleiterelement für hohe Spannung umfaßt weiter eine kapazitive
Einrichtung, die mit dem Gattbereich gekoppelt ist, um einen kapazitiven Nebenschlußpfad
zum Ablenken eines Teiles des von der Stoßspannung erzeugten kapazitiven Ladestromes
zu schaffen, der innerhalb des Gattbereiches fließt und zwar weg von der Emitterschicht
der ersten Kathode und dem darunterliegenden Teil der ersten Schicht, so daß die
als Gattstrom in Erscheinung tretenden kapazitiven Ladeströme vermindert werden
und dadurch die dV/dt-Fähigkeit des Halbleiterelementes verbessern.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert. Im einzelnen zeigen: Figur 1 einen Teilquerschnitt einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterelementes mit einer Impedanz zur
Schaffung eines Nebenschlusses für den durch die Stoßspannung erzeugten Gattstrom
und Figur 2 eine Teilschnittansicht eines verstärkenden Thyristors gemäß der vorliegenden
Erfindung mit einem im Zentrum angeordneten Gatt, bei dem im Inneren vorhandene
isolierende Schichten dazu dienen, die zulässige Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
dV/dt.
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des Elementes zu erhöhen.
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Figur 1 zeigt einen Teilquerschnitt eines Halbleiterelementes 10,
das als verstärkender Thyristor mit einem im Zentrum angeordneten Gatt ausgebildet
ist. Dieses Element 10 weist eine Anodenbasisschicht 16 aus einem halbleitenden
Material des n-Types auf, und weiter bildet ein halbleitendes Material des p-Types
eine Schicht 18, die unterhalb und im Kontakt mit der Schicht 16 angeordnet ist.
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Eine Kathodenbasisschicht 14 aus halbleitendem Material des p-Types
ist oberhalb und im Kontakt mit der Schicht 16 angeordnet. Die Schichten 14 und
16 weisen an ihrer äußeren Peripherie eine abgeschrägte Oberfläche 38 auf, um die
Lawinendurchbruchsspannung zu erhöhen. Die halbleitende Schicht 14 stellt einen
Hauptteil einer oberen.
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Oberfläche 19 des Halbleiterelementes 10. Die halbleitende Schicht
16 bildet im allgemeinen das Substrat des Elementes 10, wobei die Schichten 14 und
18 durch Diffusion und/oder epitaxiales Aufwachsen gebildet werden. Das Element
10 schließt einen Pilot-Thyristor 13 und einen Hauptthyristor 28 ein, die jeder
eine zusätzliche Schicht
mit hoher n -Leitfähigkeit aufweisen,
die als Schichten 15 bzw. 17 gezeigt sind. Die Schicht 15 mit n+-Leitfähigkeit bildet
den Emitter des Pilot-Thyristors 13. In ähnlicher#Weise bildet die Schicht 17 mit
n+-Leitfähigkeit den-Emitter des Hauptthyristors 28. Über dem Emitter 15 liegt eine
Metallisierungsschicht 26, die in der vorliegenden Anmeldung als die Kathodenelektrode
der Pilotstufe oder die erste Kathodenelektrode bezeichnet wird. In ähnlicher Weise
liegt auf dem Emitter 17 eine Metallisierungsschicht 30, die in der.vorliegenden
Anmeldung die Kathodenelektrode der Hauptstufe oder die zweite Kathodenelektrode
genannt wird. Der Emitter 15 und die Schicht 26 umfassen die Kathode der Pilotstufe,
während der Emitter 17 und die Schicht 30 die Kathode der Hauptstufe umfassen.
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Die Metallisierungsschicht 30 liefert einen Kontakt für den Anschluß
eines Endes einer Spannungsquelle relativ hoher Spannung über den Anschluß 34. Die
Metallisierungsschichten 26 und 30 weisen, wenn dies erwünscht ist, übliche Emitterkurzschlüsse
32 auf, die auf ihren oberen Teilen gebildet sind und sich bis in den Bereich der
Schicht 14 erstrecken. Eine weitere Metallisierungsschicht 24, in der vorliegenden
Anmeldung als das Gatt des Elementes 10 bezeichnet, liegt auf der Kathodenbasisschicht
14. Das Gatt 24 kann mit irgendeiner Quelle für ein elektrisches Gattsignal über
den Anschluß 22 verbunden werden. In einer Ausführungsform eines photosensitiven
verstärkenden Gatt-Thyristors 10 kann ein Lichtsignal auf einen Teil oder den gesamten
Gattbereich 47 auftreffen. Aus diesem Grund ist die Elektrode 24 für die auftreffende
Lichtstrahlung durchlässig oder sie ist mit einem kleinen Bereich versehen, der
ausreichend Licht auf die Oberfläche 17 in der Gattregion 47 auftreffen läßt, um
das Element anzusteuern.
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20 Eine weitere Metallisierungsschicht/ist unter der Schicht 18 angeordnet,
und sie bildet eine Einrichtung zum Verbinden des Elementes 10 mit dem anderen Ende
der Quelle hoher Spannung über den Anschluß 36. Die Metallisierungsschicht 20 wird
in der vorliegenden Anmeldung als die Anode des Elementes 10 bezeichnet.
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Das Halbleiterlement 10, wie es in Figur 1 gezeigt ist, weist einen
Gattbereich 47 auf, der sich von einer zentralen Linie 12 bis zu einer Leitkante
oder Anschaltlinie 70 des Pilot-Thyristors -13 erstreckt. Weiter weist das Element
einen Pilot-Thyristorbereich 49 auf, der sich vom Ende des Gattbereiches 47 aus
bis zum Ende des Emitters 15 des Pilot-Thyristors 13 erstreckt sowie einen Hauptthyristorbereich
51, der an der Anschaltlinie 80 beginnt und den, Emitter 17 des Hauptthyristors
28 umspannt. Die Leitkante des Pilot-Thyristors befindet sich auf der Seite, die
der Gattregion 47 am nächsten ist, und sie ist daher leitend in bezug auf den Gattbereich.
Auftretende Stoßspannungen, die dem Halbleiterlelement über Kathode und Anode aufgedrückt
werden, können kapazitive Ladeströme innerhalb des Elementes 10 verursachen. Die
kapazitiven Ladeströme sind in Figur 1 als eine Vielzahl von Pfeilen 41 gezeigt,
die von der Anode 20 ausgehen und durch die Schichten 18, 16 und 14 in Richtung
auf den oberen Teil 19 des Elementes 10 fließen. Ein Teil der durch die Stoßspannungen
verursachten kapazitiven Ladeströme kann als Gattstrom ausreichender Größe auftreten,
um einen kritischen Wert zu übersteigen und den Hauptthyristor 28 leitend zu machen,
und auf diese Weise das Element 10 unbeabsichtigt anzuschalten. In ähnlicher Weise
kann ein Teil der durch die Stoßspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme 41 auch
den Pilot-Thyristor 13 leitend machen und so ebenfalls das Element 10 unbeabsichtigt
anschalten.
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In der Ausführungsform der Figur 1 ist eine Impedanz 11 vorgesehen,
um die Empfindlichkeit des Elementes 10 gegenüber einem unbeabsichtigten Anschalten
durch Stoßspannungen zu verringern. Dieses Verringern der Empfindlichkeit gegenüber
unbeabsichtigtem Anschalten erhöht entsprechend die7Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
bzw. dV/dt-Fähigkeit des Elementes 10. zulässige Die Impedanz 11 ist zwischen das
Gatt 24 und die zweite Kathodenelektrode 30 geschaltet, um einen Nebenschluß für
einen Teil der durch die Stoßspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme zu schaffen.
Die Impedanz 11 schafft so einen Nebenschluß- oder Parallelpfad, um einen Teil der
durch die Stoßspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme von den Emittern 15 und
17 wegzuleiten,und die Impedanz schafft auf diese Weise einen Nebenschlußpfad für
den größten Teil der durch die Stoßspannung erzeugten kapazitiven Ladeströme, die
innerhalb des Gattbereiches 47 fließen.
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Die Impedanzeinrichtung 11 besteht aus einem im wesentlichen verlustlos
arbeitenden Kondensator, der eine relativ geringe Impedanz gegenüber raschen Stoßspannungen
hat.
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Die Verwendung .eines kapazitiven Nebenschlusses erhöht die dV/dt-Fähigkeit
des Halbleiterelementes, verlängert aber auch die Zeitverzögerung bis zum Anschalten
des Elementes 10 und vermindert im allgemeinen die Stromanstiegsgeschwindigkeit
dI/dt des Elementes 10 etwas. Aus weiter unten angegebenen Gründen wird die Kapazität
des Kondensators für die Impedanzeinrichtung 11 unter Berücksichtigung der erhöhten
dV/dt-Fähigkeit, der längeren Verzögerung bis zum Anschalten und der entsprechend
verminderten Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt des Elementes 10 ausgewählt.
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Die Verwendung eines kapazitiven Nebenschlusses 11 mit einer geringen
Impedanz gegenüber durch rasche Stoßspannungen erzeugten Strömen lenkt einen Teil
der kapazitiven Ladeströme 41 von den Emittern 15 und 17 weg und vermindert so den
von der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit dV/dt abgeleiteten Gattstrom, der an den
Pilot-Thyristor 13 und den Hauptthyristor 28 angelegt wird. Der Gattstrom als Funktion
der Zeit, der im folgenden abgekürzt IG(tj bezeichnet wird, ist in etwa durch die
folgende Beziehung wiedergegeben: IG(t) = Cj dV/dt (1-e(t/t (1) worin Cj die Kapazität
der Übergangs zone des Gattbereiches 47, t die während der stoßspannung vergangene
Zeit, Cj dV/dt die durch die Stoßspannungen erzeugten kapazitiven Ladeströme und
ZG = (CJ + C11) ~ RGK für die Zeitdauer t ist, wobei C11 die Kapazität der Impedanzeinrichtung
11 und RGK der Widerstand zwischen der Gattelektrode 24 und der zweiten Kathodenelektrode
30 ist.
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Das Symbol tG wird in der vorliegenden Anmeldung als die Zeitkonstante
von Gatt 24 zur Kathode 30 genannt. Der Wert von TG des Elementes mit einer inherenten
Kapazität Cj und einem Widerstand RGK kann durch geeignete Auswahl einer Kapazität
für C11 gewählt werden.
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Nach einer Zeitdauer tAnstieg , wenn die Stoßspannung, die den kapazitiven
Ladestrom erzeugt, ausläuft, kann 1G für Zeiten größer als tnstieg in geeigneter
Weise durch die folgende Beziehung wiedergegeben werden: IG(t) = IG(t ) exp (-(t-t
)/ta) (2) Anstieg Anstieg a
worin ta die Zeitkonstante-ist, die
den Abfall von IG mißt.
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Die Gleichung (1) kann über die Zeitdauer tAnstieg integriert werden,
um die Ladung zu bestimmen, die während an andas Gatt abgegeben wird und dann kann
man das Ergebnis der Gleichung (1) für Zeiten größer als Anstieg zum Integral der
Gleichung (2) addieren, um die insgesamt durch den dV/dt-Gattstrom an das Gatt 24,
an dem die Impedanzeinrichtung 11 angeschlossen ist, abgegebene Ladung zu bestimmen.
Die bestimmte Ladung kann dann mit einer Ladung verglichen werden, die ohne die
Kapazität der Impedanzeinrichtung 11, die zwischen Gatt 24 und zweiter Kathodenelektrode
30 geschaltet ist, entwickelt worden wäre.
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Der sich ergebende Vergleich wäre repräsentativ für einen verbesserten
dV/dt-Faktor F, der in etwa durch die folgende Beziehung wiedergegeben werden kann:
Während die Impedanz 11 die dV/dt-Fähigkeit des Elementes 10 verbessert, verlängert
sie jedoch auch die zum Anschalten des Elementes 10 erforderliche Zeit zu dem Grad,
zu dem die Impedanzeinrichtung 11 Gattstrom vom Gatt 24 abzieht. Bei den meisten
Thyristoranwendungen für relativ langsames Schalten, wie bei Frequenzen von weniger
als 1kHzowird einT G in der Größenordnung von 20 Mikrosekunden die Leistungsfähigkeit
des Elementes 10 nicht beträchtlich vermindern. Wenn jedoch die Schaltgeschwindigkeit
für den Thyristor höher als 1 kHz liegt, dann sollte mg normalerweise so gewählt
werden, daß G es nicht größer ist als einige Mikrosekunden.
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Die Impedanzeinrichtung 11 vermindert die Anstiegszeit für das normale
Gattstromsignal, das an das Gatt 24 gelegt wird, unter den normalen Zündbedingungen.
Infolgedessen können unter solchen normalen Zündbedingungen die Anschaltgeschwindigkeit
und die Stromanstiegsgeschwindigkeit dI/dt des Elementes 10 beeinflußt werden. Um
den Grad der Verminderung der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Anschalten eines
verstärkenden Gattthyristors zu ermitteln, der den verbesserten dV/dt-Faktoren F
entspricht, wurden Versuche ausgeführt, deren Ergebnisse in der folgenden Tabelle
gezeigt sind. Diese Ergebnisse präsentieren die gemessenen Anschaltgeschwindigkeiten
in dI/dt-Einheiten.
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Anodenspannungen C ange- Verzöge- dI/dt dI/dt und Gatt- 11 näherter
rungszeit (A/>i sek) (A/ sek) Ströme (µ F) F - Wert Qu sek) Thyristor(28) Thyristor
(13) 0 1,00 6,8 200 110 0,02 1,29 8,4 200 110 0,04 1,77 10,0 200 100 VA= 400V 0,06
2,35 11,6 200 100 1G= 200mA 0,08 2,93 13,2 200 100 0,10 3,53 14,8 200 100 0,20 6,50
20,3 200 100 0,30 9,50 26,5 200 100 0,40 12,50 32,2 200 100 0,50 15,50 38,0 200
100 0 1,00 3,6 230 VA= 400V 0,05 2,06 6,2 225 IG= 400mA 0,10 3,53 8,0 225 0,15 5,02
9,8 220 0,20 6,50 1 11,3 220 110 0,30 9,50 14,2 215 100 0,40 12,50 16,9 210 100
0 1,00 5,1 1100 550 VA= 800V 0,01 1,05 6,0 1150 500 IG= 200mA 0,02 1,29 6,8 1100
480 0,04 1,77 8,3 1050 440 0,05 2,06 9,0 1000 440 0,06 2,35 9,8 1000 440 0,08 2,93
11,3 1000 420 0,10 3,5-3 12,5 950 410 0,20 6,5 18,3 900 400 0,30 9,5 24,0 880 360
0,40 12,5 29,5 850 360 0,60 18,5 40,5 850 360
Die in dieser Tabelle
angegebenen Werte wurden unter Verwendung der Gleichung (3) für tAnstieg =1 Mikrosekunde
rG = RGKC 1 bestimmt, worin RGK = 30 Ohm und C11 den in der Tabelle angegebenen
Wert aufweist, der dem entsprechenden Wert von F entspricht. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit
dI/dt beim Anschalten sind in der Spalte für den Thyristor('28) diejenigen , die
beim Anschalten des Hauptthyristors 28 aufgetreten sind. In ähnlicher Weise sind
die Stromanstiegsgeschwindigkeiten dI/dt in der Spalte für den Thyristor (13) die,
die während des Anschaltens des Pilot-Thyristors 13 aufgetreten sind. Die ersten
vier Werte für den Pilot-Thyristor (13) bei VA = 400 Volt und IG = 400mA wurden,
wie aus der Tabelle ersichtlich, nicht bestimmt.
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Aus der Tabelle ergibt sich, insbesondere für die Anodenspannung VA
von 800 Volt und den Gattstrom IG von 200 mA, das die stärkste prozentuale Verminderung
der Stromanstiegsgeschwindigkeit beim Anschalten für den Thyristor 13 von 550 auf
360 A/Mikrosekunden erfolgt. Der entsprechende F-Wert zeigt jedoch eine Zunahme
von 1,00 bis 18,5.
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Eine relativ geringe Abnahme bei der Stromanstiegsgeschwindigkeit
beim Anschalten entspricht also einer relativ großen Verbesserung bei der dV/dt-Fähigkeit
des Elementes als Ergebnis der Verwendung des Kondensators 11, ohne daß irgendwelche
beträchtlichen Nachteile hinsichtlich der anderen Fähigkeiten des Elementes 10 in
Kauf genommen werden müssen.
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Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eingebaute
Isolationsschichten benutzt, um eine ähnliche Funktion zu bewirken, wie sie die
außen angebrachte Impedanzeinrichtung 11 der Figur 1 aufweist, ist in Figur 2 gezeigt,
die einen Teilquerschnitt eines verstärkenden Gattdhyristors 40 mit einem Pilot-Thyristor
21 und einem Hauptthyristor 33 wiedergibt. Die Schichten 14,
16
und 18, die durch Stoßspannungen verursachten kapazitiven Ladeströme 41, die Abschrägung
38, die Anode 20 und das Gatt 24 haben eine ähnliche Struktur und Funktion wie sie
bereits im Zusammenhang mit dem Element 10 der Figur 1 beschrieben sind.
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Der Pilot-Thyristor 21 weist einen Emitter 37 auf, der aus einer n+-Schicht
hoher Leitfähigkeit gebildet ist, über dem eine Metallisierungsschicht 44 liegt,
die in .der vorliegenden Anmeldung als Kathodenelektrode der Pilot-Stufe oder erste
Kathodenelektrode bezeichnet wird. In ähnlicher Weise weist der Hauptthyristor 33
einen Emitter 39 auf, der aus einer n+-Schicht hoher Leitfähigkeit gebildet ist,
über der eine Metallisierungsschicht 45 liegt, die in der vorliegenden Anmeldung
als Kathodenelektrode der Hauptstufe oder zweite Kathodenelektrode bezeichnet ist.
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Eine isolierende Schicht 46, die vorzugsweise ein Oxid der Halbleiterschichten
14 und 37 umfaßt, wird innerhalb der Schicht 14 und des Emitters 37 gebildet und
diese isolierende Schicht 46 ist so angeordnet, um die Anschaltlinie 70 des Pilot-Thyristors
21 unter der Leitkante 48 der ersten Kathodenelektrode 44 zu berühren und zu überlappen.
Das Zusammenpassen der Leitkante 48 mit der Isolationsschicht 46 führt zur Bildung
einer Schichtanordnung 50. Innerhalb der Schicht 14 und dem Emitter 39 ist ebenfalls
eine isolierende Schicht 54 gebildet; die die Anschaltlinie 80 des Hauptthyristors
33 unter der Leitkante 56 der zweiten Kathodenelektrode 45 berührt und überlappt.
Das Zusammenpassen der Leitkante 56 mit der Isolierschicht 54 führt zur Bildung
einer Schichtanordnung 57.
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Beim Hauptthyristor 33 ist weiter eine Isolationsschicht 60 innerhalb
der Schicht 14 und dem Emitter 39 gebildet,
die vorzugsweise ein
Oxid der Halbleiterschichten 39 und 14 umfaßt und diese Schicht ist in einer komplementären
Anordnung mit einem lokalen Bereich 58 der zweiten Kathodenelektrode 45 angeordnet,
unter dem die Schicht 39 weggeätzt oder in anderer Weise entfernt worden ist. Eine
Alternative zum lokalen Bereich 58 und der Isolationschicht 60 ist eine Isolationsschicht
62, die vorzugsweise aus einem Oxid der Halbleiterschicht 14 besteht und unter der
zweiten Kathodenelektrode 45 gebildet und, in einem lokalen Bereich 68 angeordnet
ist, in dem der Emitter 39 absichtlich nicht durch Diffundieren oder epitakiales
Aufwachsen gebildet worden war. Die isolierenden Schichten 46, 54, 60 und 62 haben
eine Dicke und Ausdehnung, die in der Weise vorbestimmt ist, daß die Kapazität der
Bereiche 50, 57, 58 und 68 in der gleichen Weise kontrol-Iie##ri, wie die Kapazität
C11 in der Ausführungsform nach Figur 1.
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Die Schichtanordnungen 50 und 57 ergeben eingebaute Nebenschlußkondensatoren
für den Pilot-Thyristor 21 bzw. den Hauptthyristor 33. Diese Kondensatoren bilden
Einrichtungen zum Wegleiten der kapazitiven Ladeströme 41, die durch Stoßspannungen
erzeugt wurden, die zwischen Anode und zweiter Kathode aufgedrückt wurden, von Emitter
37 des Pilot-Thyristors 21 und Emitter 39 des Hauptthyristors 33. Der Nebenschlußpfad
für den Thyristor 21 wird durch die Schichtanordnung 50 geschaffen, die einen Teil
der kapazitiven Ladeströme 41, die von der Stoßspannung herrühren, zu der ersten
Kathodenelektrode 44 ablenkt , In ähnlicher Weise wird der Nebenschlußpfad für den
Hauptthyristor 33 durch die Schichtanordnung 57 geschaffen, die einen Teil der kapazitiven
Ladeströme 41 zu der zweiten Kathodenelektrode 45 ablenkt.
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Das in Figur 2 gezeigte Element 40 mit den eingebauten Überbrückungskondensatoran
50 und 57 innerhalb des Pilot-
Thyristors 21 bzw. des Hauptthyristors
33 bewerkstelligt das gleiche Ergebnis wie das Element 10 mit der Impedanzeinrichtung
11 nach Figur 1. Die Kapazitäten der eingebauten Schichtanordnungen 50 und 57 des
Elementes 40 bei der Ausführungsform nach Figur 2 ergeben in etwa die gleiche Verbesserung
hinsichtlich des Faktors F, der in der obigen Tabelle für die entsprechenden Kapazitäten
von cli aufgeführt ist, wobei die gleiche Zunahme hinsichtlich der Anschaltzeit
und Abnahme der Stromanstiegsschwindigkeit wie für das Element 10 auftreten.
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Die Kombination des lokalen Bereiches 58 und der isolierenden Schicht
60 schaffen eine kapazitive Art von "Emitterkurzschluß" in einer durch Ätzen begrenzten
Art von Emitter, wie in Figur 2 gezeigt. In ähnlicher Weise schafft die Kombination
aus isolierender Schicht 62, die unter der zweiten Kathodenelektrode 45 in einem
Bereich 68 angeordnet ist, in dem das hochleitende Material des Emitters 39 entfernt
worden ist, eine kapazitive Art von Emitterkurzschluß in einer durch Diffusion begrenzten
Art von Emitter. Diese kapazitiven Emitterkurzschlüsse, die im Hauptthyristor 33
angeordnet sind, vermindern die Empfindlichkeit des verstärkenden Gatt-Thyristors
40 gegenüber einem unbeabsichtigten Anschalten in einer Weise ähnlich der, wie sie
als Ergebnis üblicher Emitterkurzschlüsse erhalten wird. Die kapazitiven Emitterkurzschlüsse
des Hauptthyristors 33 beeinträchtigen jedoch nicht die Ausbreitung eines Plasmas,
das beim anfänglichen Anschalten eines Thyristors erzeugt wird, verglichen mit dem,
was bei konventionellen Emitterkurzschlüssen auftritt. Die kapazitiven Emitterkurzschlüsse
des Hauptthyristors 33 erhöhen die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Plasmas und vergrößern
auf die Weise die Strom,zunahmegeschwindigkeit des Elementes 40, während sie gleichzeitig
eine hohe Spannungszunahmegeschwindigkeit aufrechterhalten.
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Die Dichte und der Bereich der lokalen Region 60 oder 62 sollten so
eingestellt werden, daß der in jeden fließende dV/dt-Strom zu nicht mehr als einem
1/2 Bandspalt der Spannung über den eingebauten Kondensator führt. Dies stellt eine
geringe Unterdrückung bzw. Zurückweisung von den benachbarten Ubergangszonen zwischen
dem n+-Emitter und der p-Basis sicher. Einige der Emitterkurzschlüsse können konventionelle
sein. So können konventionelle Emitterkurzschlüsse mit kapazitiven Kurz schlüssen
abwechseln. Obwohl in der vorliegenden Anmeldung hauptsächlich verstärkende Gatt-Thyristoren
beschrieben worden sind, sollte klar sein, daß die vorliegende Erfindung auch anwendbar
ist auf andere Halbleiterelemente, wie Thyristoren und Hochspannungstransistoren.
Für einen Thyristor ohne Pilot-Thyristorstufe zum Verstärken des Gattstromes braucht
die Erfindung nur für die Haupt-Thyristorstufe angewendet zu werden. In ähnlicher
Weise braucht die Erfindung für einen Hochspannungs-Transistor mit zwei Schichten
abwechselnden Leitfähigkeitsmaterials ähnlich den Schichten 14 und 16 nur dazu benutzt
zu werden, um den kapazitiven Ladestrom von den Emitterschichten des Transistörs
abzulenken, so daß sie nicht verstärkt werden.
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Die Erfindung gestattet für Halbleiterelemente für hohe Spannung eine
relativ große Verbesserung hinsichtlich der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit bei
relativ geringer Verschlechterung der anderen Parameter der Elemente. Weiter verbessert
die Verwendung der kapazitiven Emitterkurzschlüsse in der Emitterschicht des Haupt-Thyristors
die Stromanstiegsgeschwindigkeit des Elementes bei Aufrechterhaltung einer relativ
hohen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit.