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BESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Halbleiterbauelemente
und betrifft insbesondere bipolare Halbleiterbauelemente.
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Die genannte Erfindung kann mit Erfolg zur Schaffung von bipolaren
Siliziumhalbleiterbauelementen, die zur Kommutierung in Wechselstromkreisen vorgesehen
sind, zur Srzeugung von bipolaren Impulsen mit steilen Flanken und zum Schutz. von
Stromkreisen bei Stromüberlastungen angewendet werden.
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Gegenwärtig tendiert die Entwicklung der bipolaren Halble iterbauelemente,
beispielsweise von Sil iz ium-Iie istungstransitoren und -thyristoren, zur Schaffung
von Bauelementen mit einer erweiterten Auswahl von Funktionaleigenschaften. Hierbei
gelten als Kriterien der Effektivität derartiger Bauelemente auber der Gesamtheit
der durch sie zu erfüllenden Funktionen diejenigen ihrer Kennwerte, wie. sie Schnellwirkung,
elektrische Festigkeit bei erhöhten Temperaturen, Rest spannung, Linearität der
Stromspannungskennlinie im leitenden Zustand. Die Thyristoren (darunter auch die
symmetrischen) gestatten es, eine Wechselspannung zu kommutieren, können aber erst
in den Augenblicken eines Abfalls des Laststroms leicht abgeschaltet werden, während
zu den anderen Zeitpunkten für deren Abschaltung komplizierte Einrichtungen notwendig
sind, die Leistungsimpulse der Sperrspannung erzeugen. Die Thyristoren sind auch
gegenüber den Transistoren durch einen höheren Wert der Restspaxinung im leitenden
Zustand, durch niedrigere Werte der Schnellwirkung gekennzeichnet. Der Einsatz der
üblichen Siliziumtransistoren in den Stromkreisen.mft wecnsender Spannung ist wegen
eines niedrigen Wertes der Durchsohlagsspannung erschwert.
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Es ist ein bipolares Halbleiterbauelement bekannt, das einen Siliziumtransistor
mit einem epitaxial aufgewachsenden Emitter (s. z.B. "Neue Struktur eines Bipolartransistors",
Zeitschrift "Elektronika", 1974, Nr. 3, S. 3 bis 6) darstellt, der zwei Gebiete
gleichen beitungstyps enthält, deren eines als Kollektor- und deren anderes als
Emittergebiet
in Abhangigkeit von der Polarität der angelegten Spannung auftritt, ein zwischen
ihnen liegendes Basisgebiet, ein Gebiet zur Isolierung des Kollektorgebietet vom
Emittergebiet, das an der Peripherie des mindestens einen von diesen angeordnet
und mit dem Baslsgebiet verbunden ist, zwei Kontaktzonen, deren eine im Kollektor-
und deren andere im Emittergebiet liegt, eine isolierende Schutzschicht über dem
Kollektor- oder dem Emittergebietund über einer entsprechenden Kontaktzone, die
ein Kontaktfenster über dieser Kontakt zone aufweist, zwei meQallisierte Kontakte,
deren jeder mit der entsprechenden Kontaktzone elektrisch verbunden ist, einen mit
dem Basisgebiet elektrisch verbundenen aetallisierten Steuerkontakt enthält. Im
vorliegenden Bauelement ist der metallisierte Steuerkontakt mit dem Gebiet zur Isolierung
des Kollektorgebiets vom Emittergebiet Gekoppelt.
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Beim bekannten Bauelement ist es aber unmöglich, einen gesperrten
Zustand des Bauelementes bei einer wahlfreien Polarität der zwischen den metallisierten
Leistungskontakten angelegten Spannung auf Grund dessen zu erhalten, daß der pn-Ubergang
zwischen dem Kollektor- und dem Basisgebiet, der bei der einen Polarität der Spannung
am Kollektorgebiet gesperrt ist, bei der anderen Polarität der Span nung leitend
wird, wodurch ein Stromdurchfluß zwischen den metallisierten Kontakten ausgelöst
wird, was seinerseits es nicht gestattet, das Bauelement bei Änderung der Polarität
der angelegten Spannung abzusohalten.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bipolares Halbleiterbauelement
zu schaffen, das derartige Zusatzglieder aufweist, die es. gestatten, das-Bauelement
unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung abzuschalten.
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Dies wird dadurch erreicht, daB in dem bipolaren Halbleiterbauelement,
das zwei Gebiete des gleichen Leitungstyps, deren eines als Kollektorgebiet und
deren anderes als Emittergebiet in Abhängigkeit von der Polarität der angelegten
Spannung dient, ein zwischen ihnen liegendes Basisgebiet, ein Gebiet zur Isolierung
des Kollektor-
gebiets gegen das Emittergebiet, das aa der Peripherie
des mindestens.einen.von diesen liegt und mit dem Basisgebiet verbunden ist, zwei
Kontaktzonen deren eine im Kollektor- und deren andere im Emittergebiet liegt, eine
isolierende Schutzschicht über dem Kollektor- oder dem Emittergebiet und über der
entsprechenden Kontaktzone, die ein Kontaktfenster über dieser Kontaktzone aufweist,
zwei metallisierte Kontakte, deren jeder mit der entsprechenden Kontaktzone elektrisch
verbunden ist, einen mit dem Basisgebiet elektrisch verbundenen metallisierten Steuerkontakt
enthält, gemaß der Erfindung im Kollektorgebiet und/oder dem Einittergebiet mindestens
ein Injektionsgebiet vorgesehen ist, dessen Leitungstyp dem des Bas.isgebiets entspricht
und.das.von dem letzteren in einem Abstand von 1I>1> 12 liegt, worin 1I ein
Abstand, der I bis 2 Diffusionslängen von Minoritätsladungsträgern desjenigen des
Kollektor- bzw. des Emittergebiets beträgt, in dem das Injektionsgebiet liegt, 12
ein die.erforderliche Durchschlagsspannung zwischen. dem Injektions- und dem Basisgebiet
sichernder Mindestabstand ist, in der isolierenden Schutzschicht ein über dem Injektionsgebiet
liegendes'Kontaktfenster ausgeführt und der metallisierte.Steuerköntakt durch das
Kontaktfenster mit dem Injektionsgebiet verbunden ist.
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Es ist zweckmäßig, daß das bipolare Halbleiterbauelement im Falle
einer Mehrzahl von Injektionsgabieten, deren eine im Kollektor- und deren andere
im Emittergebiet liegen, steuernde Emittergebiete mit dem dem Leitungstyp der Injektionsgebiete
entgegengesetzten Leitungstyp enthält, deren jedes' im entsprechenden Injektionsgebiet
liegt und den Injektionsgebieten entsprechende Kontaktfenster in der isolierenden
Schutzschicht über den Abschnitten der Injektionsgebiete und der steuernden Emittergebiete
liegen.
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Die genannte Erfindung gestattet es, das bipolare Halbleiterbauelement
unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung abzuschalten.
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Die genannte Erfindung wird durch die nachfolgende Beschreibung eines
konkreten Ausführungsbeispiels anhand
der beigelegten Zeichnungen
weiter erläutert. Bs zeigt Fig. I eine Gesamtansicht eines erfindungsemäßen bipolaren
Halbleiterbauelements im Querschnitt; Fig. 2 eine Gesamtansicht des erfindungsgemäßen
bipolaren Halbleiterbauelements im Falle einer Vielzahl von Injektionsgebieten mit
steuernden Emittergebieten (im Querschnitt); Fig. 3 eine Ansicht eines Injektionsgebiets
mit einem gesteuerten Emitterbereich mit einem zum Teil abgetragenen metallisierten
Kontakt in Pfeilrichtung A nach Fig. 2 gemag der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße bipolare Halbleiterbauelement enthält zwei Gebiete
I,2 (Fig.I), deren eines als Kollektor- und deren anderes als Emittergebiet in Abhängigkeit
von der Polarität der angelegten Spannung dient. Das Gebiet 1 ist beispielsweise
aus einem Siliziumeinkristall mit einem n-Leitfähigkeftstyp und einer Dotierungskonzentration
von ca. 0,5 bis 20.10 14 cm-3 und das Gebiet 2 aus dem gleichen Stoff durch.epitaxiales
Aufwachsen erzeugt.
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Das Basisgebiet 3 liegt zwischen den Gebieten I und 2 und ist durch
Ionenimplantation des Gebiets 1. mit einer Akzeptorbeimiscllung vor dem epitaxialen
Aufwachsen des Gebiets 2 hergestellt. Mit dem Basisgebiet 3 ist ein Gebiet 4 zur
Isolierung des Kollektor- und des Emittergebiets I und 2 (2 und I) voneinander verbunden.
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In den Gebieten 1,2 liegen Kontaktzonen 5 bzw. 6, die eine Dotierungskonzentration
von beispielsweise Phosphor bis zu 1021 cm-3 aufweisen. Im Gebiet 2 liegt ein Injektionsgebiet
7, das einen Leitungstyp aufweist, der dem Leitungstyp- des Basisgebiets 3 entspricht.
Das Gebiet 7 liegt vom Basisgebiet 3 in einem Abstand von 1I> 1 > 12, worin
1I eine I bis 2 Diffusionslängen von Minoritätsladungs trägern des Gebiets 2 gleicher
Abstand, 12 ein die erforderliche Durchschlagsspannung zwischen dem Injektions-
und dem Basisgebiet 7 bzw. 3 sichernder Mindestabstand ist. Über dem Gebiet 2, der
Kontaktzone 6 und dem Gebiet 7 liegt eine isolierende Schutzschicht 8.
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Die Schicht 8 hat Kontaktfenster 9 und 10 über der Zone 6
bzw.
dem Gebiet 7.
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Mit der Zone 5 und durch das Fenster 9 mit der Zone 6 sind metallisierte
Kontakte II bzw. 12 verbunden. Mit dem Gebiet 7 ist durch das Fenster 10 ein metallisierter
Steuerkontakt I3 gekoppelt. An den Kontakt II ist ein Lastwiderstand I4 mit seinem
Anschluß I5 gelegt. An den Anschluß 16 des Widerstandes 14 und an den Kontakt I2
ist eine Speisequelle 17 geschaltet. An den Kontakt 13 ist ein Vorschaltwiderstand
18 mit seinem Anschluß 19 gelegt.
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An den Anschluß 20 des Widerstandes 18 und an den Kontakt 12 ist eine
Speisequelle 21 geschaltet..
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Nach einer anderen Ausführungsform enthält das bipolare Halbleiterbauelement
im Gebiet I gelegene Injektionsgebiete 22,23 (Fig,. 2) und im Gebiet 2 gelegene
Injektionsgebiete 24,25.
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Die Gebiete 22,23,24 und 25 liegen vom Basisgebiet 3 in einem Abstand
von 11 1>12, worin 1I ein I bis 2 Diffusionslängen von Minoritätsladungsträgern
des Gebiets I (für die Gebiete 22,23) und des Gebiets 2 (für die Gebiete 24,25)gleicher
Abstand, 12 - ein die erforderliche Durchschlagsspannung zwischen dem entsprechenden
der Gebiete 22,23,24,25 und dem Basisgebiet 3 sichernder Mindestabstand ist. In
den Gebieten 22 und 24 liegen steuernde Emfttergebiete 26 bzw.27.
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In der isolierenden Schutzschicht 8 des Gebiets 1 sind über der' Zone
5 ein Fenster 28, über dem Gebiet 23 ein Fenster 29 und über den Gebieten 26 und
22 (Fig. 2,3) ein Fenster 30 ausgeführt. Mit dem Gebiet 23 ist durch das Fenster
29 ein metallisierter Steuerkontakt 31 verbunden.
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Mit den Gebieten 22 und.26 ist durch das Fenster 30 ein metallisierter
Steuerkontakt 32 verbunden. In der isolierenden Schutzschicht 8 im Gebiet 2 ist
über dem Gebiet 25 ein Fenster 33 und. über den Gebieten 24 und 27 ein Fenster 34
ausgeführt. Mit dem Gebiet 25 ist durch das Fenster 33 ein metallisierter Steuerkontakt
35 verbunden.
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Mit den Gebieten 24 und 27 ist durch das Fenster 34 ein metallisierter
Steuerkontakt 36 gekoppelt.
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An die Kontakte 3I, 32 und 35 sind jeweils Vorschalt-
widerstände
3?,38,39 mit ihren Anschlüssen 40,41,42 angeschlossen.
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An den Anschluß 43 des Widerstandes 37 und an den Kontakt II ist
ein Impulsgenerator 44 geschaltet. An den Anschluß 45 des Widerstandes 39 und an
den Kontakt I2 ist ein Impulsgenerator 46 geschaltet. An den Kontakt 47 und an den
Kontakt 36 ist eine Steuerspannungsquelle 48 geschaltet, die in Phase mit der Quelle
I7 und deren Spannungswert unterhalb des Wertes der Spannung der Quelle I7 liegt.
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Das bipolare Halbleiterbauelement arbeitet wie folgt.
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In dem Augenblick der Zuführung der Sperrspannung von der Speisequelle
21 (Fig.I am Anschluß 20 des Vorschaitwiderstandes I8 ist das bipolare Halbleiterbauelement
gesperrt. Hierbei wird bei der Zuführung einer positiven Spannung zum Kontakt II
von der Quelle I7 diese Span.
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nung durch denpn-Übergang zwischen dem Gebiet I und dem Basisgebiet
3 gesperrt. Bei der Zuführung einer negativen Spannung zum Kontakt II von der Quelle
I7 wird diese Spannung durch den pn-Übergang zwischen dem Basisgebiet 3 und dem
Gebiet 2 gesperrt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß sich die Verarmungszone im
Gebiet 2 zwischen dem Gebiet 3 und dem Injektionsgebiet 4 ausweitet, wodurch sich
eine Isolierstrecke zwischen ihnen ausbildet. Erfindungsgemäß ist der Abstand 1
zwischen den Gebieten 3 und . 7 größer als der Abstand 12 (1>12), worin 12 ein
die erforderliche Durohschlagsspannung zwischen den Gebieten 3 und 7 sichernder
Mindestabstand ist.
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Im Augenblick der Zuführung der.Schaltspannung von der Speisequelle
2I am Anschluß 20 des Vorschaltwiderstandes I8 wird über seinen Anschluß 19 am Kontakt
I3 eine Spannung eingespeist, die eine Minoritätsträgeringerinjektion aus dem Gebiet
7 in das Gebiet 2 auslöst. Der geringere Teil der Minoritätsladungsträger gelangt
aus dem Gebiet 2 in die Kontaktzone 6, wo sie mit den Majoritätsladungsträgern rekombinieren.
Der Großteil der Minoritätsladungsträger aus dem Gebiet V durchläuft aber das Gebiet
2 und wird im Gebiet 3 gesammelt. Dies ist durch den Abstand zwischen den
Gebieten
3 und 7 bedingt, die gemäß der Erfindung durch die Beziehung 1 < 1I festgelegt
wird, worin ii ein I bis 2 Diffusionslängen der, Minoritätsladungsträger des Gebiets
2 gleicher Abstand ist. Die Minoritätsladungsträger bewegen sich im Gebiet 3 zuerst
in dessen Längsrichtung parallel zur Zone 6 in Richtung auf deren Mitte zu. Bei
positiver Spannung am Kontakt II werden die Minoritätsladungsträger aus dem Gebiet
3 erneut in das Gebiet 2 in Richtung der Zone 6 injiziert und an der Grenze der
Zone 6 mit dem Gebiet 2 gespeichert. Diese Speicherung ruft eine Injektion von Majoritätsladungsträgern
aus der Zone 6 hervor, die sich durch das Gebiet 2 bewegen, das Gebiet 3 durchlaufen
und durch das Gebiet I gesammelt werden. Bei der Zuführung der negativen Spannung
am Kontakt II werden die Minoritätsladungsträger aus dem Gebiet 3 in das Gebiet
I zur Zone 5 injiziert und an der Grenze der Zone 5 mit dem Gebiet I gespeicnert.
Diese Speicherung von ihnen löst eine Injektion von Majoritätsladungsträgern durch
die Zone 5 aus, die sich duron das Gebiet I bewegen, das Gebiet 3 durchlaufen und
duron das Gebiet 2 gesammelt werden. Die gen-sten Bewegungsvorgänge der Majoritäts-
und der Minoritätsladungsträger bedingen einen Stromdurchfluß von der Quelle I7
über das bipolare Halbleiterbauelement und den Lastwiderstand 14.
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Wird.von der Quelle 2I keine Schaltspannung mehr zugeführt, so geht
das bipolare Halbleiterbauelement in den gesperrten Zustand über was auf eine Einstellung
der Einführung der Minoritätsladungsträger in das Basisgebiet 3 und auf die der
Majoritätsträgerinjektion durch die Zonen 5 und 6 zurückzuführen ist.
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Falls eine Impulsumschaltung des bipolaren Halbleiterbauelements
in einen leitenden oder einen gesperrten Zustand erforderlich ist, arbeitet das
letztere folgendermaßen.
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Vor der Zuführung der Schaltspannung von der Quelle 44 (Fig..2,3)
an den Anschluß 43 des Widerstandes 37 oder vom Generator 46 an den Anschluß 45
des Widerstandes 39 ist das bipolare Halbleiterbauelement gesperrt. Von der Quelle
48 fließt über den Anschluß 47 des Widerstandes 38 kein
Strom,
weil der Wert der Spannung der Quelle 17 den der Spannung der Quelle 48 übersteigt.
Hierbei ist der durch das Injektionsgebiet 22 und das Gebiet I erzeugte pn-Übergang
bei einer positiven Spannung an den Kontakten II und 32 und der durch das Inåektionsgebiet
24 und das Gebiet 2 erzeugte pn-Übergang bei einer positiven Spannung an den Kontakten
I2 und 36 in Sperrichtung gepolt.
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Im Augenblick der Zuführung der Schaltspannung von der Quelle 44
am Anschluß 43 des Widerstandes 37 oder von der Quelle 46 am Anschluß 45 des Widerstandes
39 geht das bipolare Halbleiterbauelement in den leitenden Zustand über und arbeitet
ähnlich dem oben beschriebenen. Hierbei wird infolge einer Senkung der Spannung
zwischen den Kontakten II und 12 bei der positiven Spannung am Kontakt II der durch
die Gebiete 22 und I erzeugte, pn-Übergang leitend. Die durch das Gebiet 22 inJizierten
Minoritätsladungsträger werden durch das Gebiet I in das Basisgebiet 3 transportiert.
Aus dem Basisgebiet 3 werden die genannten Minoritätsladungsträger in das Gebiet
1 injiziert und durchlaufen es in Richtung des Injektionsgebiets. 24 und der Kontaktzone
6. Die durch das Gebiet 24 gesammelten Minoritätsladungsträger lösen eine Majoritätsträgerinjektion
durch das steuernde Emittergebiet 27 aus, was eine Sättigung des Zwischenraumes
zwischen den Gebieten 22 und 27 durch die Ladungsträger der beiden Sorten, eine
Widerstandsabnahme in diesem Zwischenraum und die Entstehung eines stabilen Stromflusses
zwischen den Kontakten 32 und 36 bewirkt. Die in Richtung der Kontaktzone 6 injizierten
Minoritätsladungsträger lösen eine Injektion von Majoritätsladungsträgern durch
die Zone. 6 aus, die sich durch das Gebiet 2 bewegen, das Basisgebiet.3 passieren
und durch das Gebiet I gesammelt werden. Zur Aufrechterhaltung des entstandenen
stabil leitenden Zustandes ist das Vorliegen einer Schaltspannung vom Generator
44 am Anschluß 43 des Widerstandes 37 oder der vom Generator 46 am Anschluß 45 des
Widerstandes 39 im weiteren. niciit obligatorisch, weil die SchaLtspannung durch
die Quelle 48 gewährleistet wird.
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Bei negativer Spannung den Kontakten I2 und 36
arbeitet
das bipolare Halbleiterbauelement ähnlich zum oben beschriebenen unter Berücksichtigung
einer symmetrischen Anordnung der Gebiete I und 2, der Kontakt zonen 5 und 6, der
Injektionsgebiete 22 und 24, der steuernden Emittergebiete 26 und 27.
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Bei einer Vergrößerung des Verhältnisses zwischen dem durch die metallisierten
Kontakte II,I2 und dem durch die Kontakte 32 und 36 fließenden Strom nimmt der Grad
der Sättigung des Gebiets I durch die Minoritätsladungsträger im Falle der positiven
Spannung an den Kontakten II und 32 ab und die Breite der Verarmungszone des pn-Überganges
zwischen dem Gebiet I und dem Basisgebiet 3 zu, was zu einem Spannungsanstieg im
Gebiet .I führt. Hierbei fällt der Strom der durch das Gebiet 22 injizierten Minoritätsladungsträger
ab, und es findet ein Regenerationsvorgang der Abnahme des Stroms über die Kontakte
II und 32 statt, der mit dem Übergang des bipolaren Halbleiterbauelements in einen
stabilen gesperrten Zustand endet.
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Im Falle der positiven Spannung an den Kontakten I2 und 36 arbeitet
das bipolare Halbleiterbauelement. ähnlich zum beschriebenen unter Berücksichtigung
der symmetrischen Anordnung der Gebiete I und 2, der Kontaktzonen 5 und 6, der Inåektionsgebiete
22 und 24 und der steuernden Emittergebiete 26 und 27.
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Im Falle einer erzwungenen Abschaltung des bipolaren Halbleiterbauelements
wird entweder die Spannung der Speisequelle 48 abgesenkt oder die Größe des Widerstandes
38 erhöht, was eine Abnahme des Stroms über den Anschluß 41 des Wider.tandes 38
bewirkt, der über die Kontakte 32 und 36 fließt. Hierbei vergrößert sich das Verhältnis
zwischen dem über die metallisierten Kontakte 11 und I2 und dem über die Kontakte
32 und 36 fließenden Strom, und das bipolare Halbleiterbauelement geht. in den gesperrten
Zustand in Analogie zum oben beschriebenen über.
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Falls der Lastwiderstand I4 gegen.eine Stromüberlastung vorgegebenen
Pegels geschützt werden muß, werden die Größe des Widerstandes -38 und die Spannung
der. Speisequelle 48 in der Weise gewählt, daß der Ausschaltvorgang für das bipolare
Halbleiterbauelement beim vorgegebenen
Pegel des Stroms im Lastwiderstand
14 beginnt, während der Arbeitsstrom über den Lastwiderstand 14 unterhalb des vorgegebenen
Pegels der Stromüberlastung mit Rücksicht auf für einen stabilen Betrieb erforderliche
Reserven gewählt wird. Wenn hierbei eine Stromüberlastung auftritt, die dem vorgegebenen
Pegel gleich ist oder diesen übertrifft, vergrößert sich das Verhältnis zwischen
dem über die metallisierten Kontakte II,I2 und dem über die Kontakte 32, 36 fließenden
Strom, und rias bipolare Halbleiterbauelement geht in den gesperrten Zustand in
Analogie zum oben beschriebenen über.
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Die genannte Erfindung gestattet es, das bipolare Halbleiterbauelement,
die Speisequelle und den Lastwiderstand gegen Notetröme automatisch zu schützen.
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