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Optisch zündbares Halbleiterschaltelement
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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisch zündbares Hochleistungsschaltelement
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es sind bereits optisch zündbare Halbleiterschaltelemente bekannt,
wie beispielsweise optisch gesteuerte Tyhristoren oder TRIACs. Bei derartigen Schaltelementen
besteht die Notwendigkeit, die Ansteuerempfindlichkeit bezüglich der durch optische
Einstrahlung erzeugten Photoströme derart groß zu wählen, daß die Gefahr von Störungen
durch Sperrströme, kapazitive Ströme oder erhöhte kapazitive Ströme nach Schaltvorgängen
besteht. Es sind eine Reihe von MaB-nahmen bekannt, durch die diese Gefahr reduziert
wird.
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Es ist bekannt, daß durch die Maßnahme der du/dt-Kompensation oder
der geschalteten Nebenwiderstande die Herstellung von Elementen möglich ist, die
diese Bedingung erfüllen (DE-OS 25 49 563, DE-AS 26 25 917) Die Maßnahme der du/dt-Kompensation
hat den Nachteil eines Flächenbedarfs, der ein Mehrfaches dessen beträgt, was für
den optisch empfindlichen Zündbereich notwendig wäre. Die Maßnahme des geschalteten
Emitterkurzschlusses ist in ihrer Ausführungsform sowohl als MOS-geschaltetes und
auch
als bipolar geschaltetes System technisch aufwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisch zündbares Halbleiterelement
zu schaffen, bei dem der Störzündschutz in einer, verglichen mit den geschalteten
Emitterkurzschlüssen, technisch einfachen Weise erreicht wird, und daß auch der
relativ große Platzbedarf der du/dt-Kompensation vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Ein durch die Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß Niederspannungsthyristoren
mit geringem technischen Aufwand und geringem Platzbedarf hoch zündempfindlich herstellbar
sind, wobei gleichzeitig eine hohe Unempfindlichkeit gegen Störzündungen erzielt
wird. Die Erfindung ist auch mit Vorteil bei optisch zündbaren Halbleiterschaltelementen
mit du/dt-Kompensation anwendbar, wobei sie den nachteiligen Fl2chenbedarf stark
verringert. Auch bei optisch zündbaren Halbleiterschaltelementen mit geschalteten
Emitternebenwiderständen ist die Erfindung mit Vorteil anwendbar, da durch sie der
Faktor, um den der Widerstandswert dieser Widerstände geschaltet werden muß, erheblich
verringert wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 ein erstes
Ausführungsbeispiel, in dem ein konstanter, die Stromverzweigung erzwingender Emittervorwiderstand
als Teil der n + -Emitterzone ausgebildet ist,
Fig. 2 ein weiteres
Ausführungsbeispiel, bei dem der Emittervorwiderstand als Teil der benachbarten
Zone eines Hauptthyristorteils ausgebildet ist, Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel,
bei dem zusätzlich dem Emitternebenwiderstand ein geschaltetes Element parallel
liegt.
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Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Thyristors 1 mit optisch
steuerbarem Pilotthyristor als Teilbereich 2 und Leistungsthyristorteil 3. Beide
Thyristorteile bestehen aus aufeinanderfolgenden Zonen alternierender Leitfähigkeit,
und zwar einer gemeinsamen anodenseitigen p +-Emitterzone 4, einer gemeinsamen schwach
n-dotierten Hauptbasiszone 5, einer gemeinsamen p-dotierten Steuerbasiszone 6, sowie
einer n + -Emitterzone 7 des optisch zündbaren Pilotthyristorteils (Zündbereich)
2 bzw. der + n -Emitterzone 8 des Leistungsthyristorteils 3. Eine nur lokal als
Streifen und mit geringer Eindringtiefe ausgebildete n-Zone 9 dient als Vorwiderstand
vor der Zone 7.
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Die Metllisierun 10 der anodenseitigen Emitterzone 4 und die Metallisierung
11 der n+ -Emitterzone 8 sind die Laststromanschlüsse; die Metallisierung 12 stellt
zusammen mit einer n+-Zone 9' die ohmsche Kontaktierung der n-Vorwiderstandszone
9 zur Steuerbasiszone 6 her. Der Bereich 13 der Steuerbasiszone 6 unterhalb der
n+-70ne 7 ist in seinem spezifischen Flächenwiderstand der geometrischen Ausbildung
des Pilotthyristorteils 2 so angepaßt, daß beim Einstrahlen von Licht in diesen
Bereich, angedeutet durch die Pfeile 15, der zur n + -Emitterkontaktierung 11 abfliessende
Fotostrom 14 einen so großen ohmschen Widerstand vorfindet, daß die Zündung mit
geringen Lichtleistungen möglich ist. Beispielsweise kann der n -Bereich 7 eine
Breite b von 0,7 mm haben; zweckmäßig hat dann der spezifische Flächenwiderstand
der p-Zone 8 im Bereich 13 den Wert 4000 Ohm'2 , damit eine Zündung mit Fotostromdichten
2..
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unter 0,1 #/cm möglich ist. Beträgt die Ausdehnung der
Zone
7 senkrecht zur Zeichenebene beispielsweise 1,5 mm und sind am nicht weiter dargestellten
Rand des Schaltelementes störende Nebenwiderstände für den Stromabfluß 14 aus der
Zone 13 ausreichend groß, so hat die Zone 9 zweckmäßig einen ohmschen Widerstand
von mindestens 400 Ohm, damit eine Verringerung der Störzündempfindlichkeit erreicht
wird.
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Die Wirkungsweise dieser Ausbildung beruht darauf, daß durch den relativ
hohen Vorwiderstand der Zone 9 die Strom-+ -verstärkung des aus den Zonen 7, 13,
5 gebildeten n pn -Teiltransistors selbst bei großen Strömen sich nicht dem Wert
1 nähern kann, sondern daß diese Stromverstärkung auf einen geringen Grenzwert zustrebt
("aufgezwungene" Stromverstärkung). Dies hat zur Folge, daß zwar die Ansteuerempfindlichkeit
des Pilotthyristorteiles 2 geringfügig verringert wird, daß vor allem aber die für
eine Zündung notwendige, in den Basiszonen 5 und 6 anzuspeichernde Minoritätsträgerladung
stark vergrößert wird. Die Zeit bis zum Durchschalten wird damit verlängert, beispielsweise
für ein Schaltelement von 1000 V Sperrfähigkeit von 2,5 auf 5 dies ist jedoch für
den Anwendungsbereich von Kleinleistungsschaltern unerheblich. Vorteilhaft ist dagegen,
jetzt auch die für Störzündungen notwendige aufzubringende Gesamtstörladung wesentlich
vtergröBert ist, so dö das BEIU-elEment gegen störungen durch kapezitive du/dt-Stürstrcmpulse
aber ach durch du/dt-Strompulse, die durch noch in den Basiszonen 5, 6 vorhandenen
Restladungen vergrößert sind, weniger empfindlich ist. Damit werden also die du/dt-Festigkeit,
die Freiwerdezeit und, im Falle von antiparallel integrierten Thyristoren, die Kommutierungsdu/dt-Festigkeit
wesentlich verbessert.
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+ -Die Begrenzung der Stromverstrkung des n pn -Teiltransistors ist
beim Einschalten aus jeder anliegenden Elementespannung gegeben.
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Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, ist das Halbleiterbauelement 10 ebenfalls
ein optisch steuerbarer Thyristor mit einem Zündbereich (Pilotthyristorteil) 20
und einem Hauptthyristorteil 30. Die p-Anoden-Emitterdiffusion 40 und die n#-Hauptbasiszone
50 sind wieder bei den Thyristorteilen 20, 30 gemeinsam. Der Pilotthyristorteil
20 enthält eine eigene isolierte p-Basisdiffusionszone 60, die in drei Bereiche
ausgebildet ist: Einen Basisbereich 130 unter dem n -Emitterteil 70, einen als Widerstandsschicht
ausgebildeten p-Bereich 131 und einen Bereich 132, der nur als kontaktierbarer AnschluB
von 131 ausgebildet ist. Der Hauptthyristorteil 30 enthält eine p-Zone 60' mit zur
Zone 60 entsprechender Funktion, die in die Bereiche 130', 131', 132' unterteilt
ist. Die n -Emitterzone BD des Hauptthyristors 30 ist über deren Metallisierung
110 mit Kontaktierungen 111 und 112 der p-Bereiche 132 und 132' verbunden. Diese
Metallisierung 110 und die Anodenmetallisierung 100 der p-Zone 40 sind gleichzeitig
die Laststromanschlüsse. Die p -Zone 90 stellt einen Vorwiderstand dar, mit dem
die n+-Zone 70 über eine Metallbrücke 120 und die Metallisierungen 121, 122 mit
dem p-Zonen-Sereich 130' elektrisch verbunden ist. Die p-Zone 90' bildet die Kontaktanschlußfläche
für die Vorwiderstandszone 90.
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Die Funktion dieses Thyristors ist insofern derjnigen des Thyristors
nach Fig. 1 ähnlich, als auch hier wieder ein + Vorwiderstand 90 vor dem n+-Emitter
70 die maximal erreichbare Stromverstärkung des aus 70, 130 und 50 bestehenden +
-n pn -Teiltransistors herabsetzt. Hinzu kommt aber nun, daß der Widerstandsbereich
90 geometrisch und in seinem spezifischen Flächenwiderstand so ausgebildet ist,
daß er beim Anlegen von Vorwärts-Sperrspannung wegen der Ausdehnung der Raumladungszone
seinen Widerstandswert erhöht. Dies ist 2 dann der Fall, wenn diese Schicht 90 pro
cm Fläche etwa 1012 Ladungsträger enthält. Ist nun der Widerstandsbereich 131 so
ausgebildet, daß er zwar einen wesentlich niedrigeren spezifischen Flächenwiderstand
hat (also wesentlich
mehr Ladungsträger/Flächeneinheit), daß er
aber infolge seiner geometrischen Form einen wesentlich größeren ohmschen Wert besitzt,
so entsteht aus dem Emittervorwiderstand 90 und dem Emitternebenwiderstand 131 eine
Kombination, welche die Ansteuerbarkeit bei geringer Elementespannung wenig, bei
hoher Elementespannung aber stark erschwert, denn nunmehr wird bei hoher Elementespannung
die Stromverstärkung des n pn -Teiltransistors besonders stark herabgesetzt. Dies
hat zur Folge, daß das Bauelement wesentlich bessere Stbrzündsicherheit bekommt,
ohne daß die Zündbarkeit in der Nähe des Nulldurchgangs einer Wechselstromhalbwelle
erschwert wird. Für Bauelemente, die ohnehin als Nullspannungsschalter eingesetzt
werden, ist dies eine sehr erwünschte Eigenschaft.
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Die Dimensionierung der Zone 90 ist dabei so auszuführen, daß der
Einfluß eventuell vorhandener Oberflächenladungen berücksichtigt wird. Die resultierende
Ladungsträgermenge/ Fläche ist beispielsweise 6,5 . 10 Ladungsträger/cm2; in diesem
Falle ist bei etwa der halben Sperrspannung am Element der Widerstand der Zone 90
auf einen unendlich großen Wert angewachsen. Die geometrische Form des Widerstandsbereiches
90 ist so, daß eine Aufzündung des Leistungsthyristorteils 30 bei kleinen Spannungen
möglich ist. Der Widerstand der Zone 90 liegt bei niedrigen Sperrspannungen bei
etwa 2 k&t; dies bedeutet, daß bei einer Aufzündung aus etwa 10 V Elementespannung
ein ausreichend großer Ansteuerstrom für den Thyristorteil 30 entsteht, wobei dieser
Leistungsteil 30 bei einem minimalen Zündstrom von einigen mA ausreichend störsicher
ist.
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Die Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt eines Elementes wie nach Fig. 1,
jedoch mit zusätzlichen Maßnahmen zur Herstellung eines schaltbaren Emitternebenschlusses.
Der schaltbare Emitternebenschluß besteht aus einem MOS-Feldeffekttransistor 16,
der diskret oder in das Schaltelement integriert
ausgebildet ist.
Eine im Bauelement ausgebildete p-Zone 13' ist über einen ohmschen Widerstand 17
mit der Kontaktierung 11 der Emitterzone 8 des Hauptthyristorteils 3 verbunden.
Der bei du/dt-Selastungen oder hohen Sperrströmen infolge hoher Bauelementetemperaturen
aus der Zone 13' über den Widerstand 17 fließende Störstrom erzeugt am Widerstand
17 einen Spannungsabfall, der zum Einschalten des MOS-Feldeffekttransistors 18 herangezogen
ist. Die in den Bereich 13 der Basiszone 6 einfließenden Störströme fließen damit
zum größten Teil über die Kontaktmetallisierung 18 und den Transistor 16 zur Kontaktierung
11 ab. Die Wirkungsweise der Kombination aus Emittervorwiderstand 9 und geschaltetem
Emitternebenschluß 16 ist derart, daß durch das Einschalten des Emitternebenschlusses
16 die Stromverstärkung des aus den Zonen 7, 5, 4 gebildeten n+pn#-Teiltransistors
selbst bei großen Kollektorströmen nur einen relativ kleinen Wert, beispielsweise
<0,5, annimmt.
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Der Vorteil gegenüber bekannten Schaltelementen mit geschaltetem Emitternebenschluß
besteht darin, daß an das Durchlaßverhalten des integrierten oder diskreten schaltbaren
Emitternebenschlusses 16 geringere Anforderungen gestellt werden. Wenn nur sein
ohmscher Wert im Störfall unter den des Emittervorwiderstandes 9 abgesenkt wird,
so wird nicht nur das Erreichen der Zündbedingungen erschwert, sondern sogar die
Zündbarkeit des Halbleiterschaltelementes 1 verhindert, denn nunmehr wird im Störfall
die maximal erreichbare Stromverstärkung des n+pn -Teiltransistors besonders stark
herabgesetzt.