DE4218398A1 - Hochstrom-Puls-Thyristor sowie Verfahren zu seinem Betrieb - Google Patents
Hochstrom-Puls-Thyristor sowie Verfahren zu seinem BetriebInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der
Leistungselektronik. Sie betrifft einen Hochstrom-Puls-
Thyristor, umfassend
- a) ein Halbleitersubstrat mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen, von denen die eine einer Kathode und die andere einer Anode zugeordnet ist;
- b) innerhalb des Halbleitersubstrats zwischen den bei den Hauptflächen eine Folge von unterschiedlich do tierten Schichten, welche von der ersten zur zweiten Hauptfläche fortschreitend einen n-Emitter, eine p- Basis, eine n-Basis, und einen p-Emitter umfaßt; und
- c) eine auf der ersten Hauptfläche verteilt angeordnete Gatestruktur zum Zünden des Thyristors.
Ein solcher Thyristor ist z. B. als Frequenzthyristor für
den Ersatz von Thyratrons aus der Druckschrift Brown Bo
veri Technik 7-87 (1987), S. 401-408, bekannt.
Hochstrom-Pulse (von einigen kA) waren lange Zeit die Do
mäne von Thyratrons. Die Entwicklung auf dem Gebiet der
Hochleistungs-Halbleiter hat es ermöglicht, hierzu auch
Thyristoren einzusetzen. Dabei fiel die Wahl auf Fre
quenzthyristoren mit stark verteiltem Gate, vorzugsweise
rückwärts leitende Typen mit minimierter Dicke des Halb
leitersubstrats (siehe dazu die eingangs genannte Druck
schrift). Durch eine verstärkte Gateansteuerung gelingt
es dabei, einen raschen Spannungszusammenbruch zu errei
chen. Der Strom muß in dieser Phase jedoch durch eine
Sättigungsdrossel reduziert werden, um dem Thyristor vor
dem Hauptpuls genügend Zeit für die Plasmaausbreitung zu
geben. Diese "Konditionierungsphase" ist bedeutend länger
als die Zündverzugszeit des Thyristors.
Die Verwendung von Pilotthyristoren als Zündungsverstär
kung (sog. "amplifying gate") bei Bauelementen für Puls
anwendungen ist allerdings beschränkt. Sicher ist, daß
bei Standard-Gateansteuerung der Pilotthyristor den Ein
schaltvorgang stark unterstützt. Falls jedoch durch zu
sätzliche Maßnahmen in der Ansteuerung das Schalten
schneller und (in Serienschaltungen) besser synchronisiert
werden soll, kann sich die dazwischengeschaltete Verstär
kungsstufe mit ihrer beschränkten Stromtragfähigkeit auch
als Nachteil herausstellen.
Andererseits ist unbestritten, daß für Pulsanwendungen
verteilte Gatestrukturen einen wesentlichen Vorteil dar
stellen. Ferner ist ein asymmetrisches Design mit mini
mierter Dicke und eher schwacher Vershortung wesentlich
für eine gute Plasmaausbreitung. Auch eine hohe Trägerle
bensdauer ist diesbezüglich von Vorteil, falls die ent
sprechend längeren Freiwerdezeiten von der Puls-Repetiti
onsfrequenz her vertretbar sind. Doch alle diese Maßnahmen
können nicht verhindern, daß zur vollen Belastbar
keit derartiger klassischer Bauelemente die laterale Aus
breitung der Plasmafront über mehrere bis wenige Zentime
ter notwendig ist.
Auf der anderen Seite ist der Gate-Turn-Off-Thyristor
(GTO) als gesteuert abschaltbares Hochleistungs-Bauele
ment etabliert und gut bekannt. Der Aufbau entspricht dem
eines Thyristors mit fein gegliederter Kathodenstruktur
(Kathodenfinger) und fehlender Vershortung. Die feine
Gliederung (Segmentierung) ermöglicht beim Abschalten den
direkten und niederohmigen Zugriff der Steuerelektrode
(Gate) auf die gesamte aktive Kathodenfläche.
Diese strukturelle Eigenschaft wird weiter unterstützt
durch eine im Vergleich zum herkömmlichen Thyristor we
sentlich niederohmigere p-Basis. Die statische und dyna
mische Spannungsfestigkeit in Blockierrichtung, welche
beim normalen Thyristor durch Kathodenshorts erhöht ist,
wird beim GTO durch eine negative Gatevorspannung während
aller nichtleitenden Phasen sichergestellt. Der Einsatz
von Pilotthyristoren zur Zündungserleichterung ist in der
vom klassischen Thyristor bekannten Art beim GTO nicht
anwendbar.
Das oben beschriebene GTO-Design zielt ganz auf eine Op
timierung der GTO-Abschaltfähigkeit gegen hohe Spannun
gen. Für die Beherrschung der dabei auftretenden Aus
schaltenergien (resp. der Schaltverlustleistungen bei ap
plikationsgerechten Frequenzen) ist ferner eine relativ
niedrige Trägerlebensdauer und/oder (beim asymmetrischen
Vorzugstyp) eine effiziente Anodenvershortung zwingend.
Man nimmt dabei in Kauf, daß GTOs wegen fehlender Ein
schalt-Verstärkungsstrukturen, sehr langer zündwirksamer
Emitterkontur (Turn-On-Linie), der hohen p-Basis-Konzen
tration, sowie der Maßnahmen zur Verminderung der Aus
schaltenergie, relativ schwer zündbar sind. Dies ist bei
herkömmlichen Umrichter-Anwendungen nicht sehr nachtei
lig, da die Einschalt-Stromsteilheiten meist aufgrund der
Verluste in den Freilaufdioden begrenzt sind.
Vergleicht man die zuletzt dargestellten GTO-Merkmale mit
den vorher diskutierten Anforderungen bei Pulsanwendun
gen, so wird klar, daß der GTO eine geradezu ideale
Gate-Verteilung mitbringt, welche die notwendige laterale
Plasmaausbreitung auf ca. 100 µm beschränkt. Ferner ist
die Kathode unvershortet. Die Tatsache, daß sich der GTO
bisher trotzdem nicht als ideale Struktur für Strompulse
erwiesen hat, liegt in der hierfür nachteiligen Optimie
rung auf das Abschaltvermögen.
Es ist nun Aufgabe der Erfindung, einen Hochstrom-Puls-
Thyristor zu schaffen, der aus den an sich bekannten GTO-
Strukturen Nutzen für eine Verbesserung des Schaltverhal
tens zieht, ohne die beim Standard-GTO vorhandenen gra
vierenden Nachteile aufzuweisen, sowie ein Verfahren zu
dessen Betrieb anzugeben.
Die Aufgabe wird bei einem Thyristor der eingangs genann
ten Art dadurch gelöst, daß
- d) der n-Emitter nach Art eines GTO in Form einer Viel zahl von schmalen länglichen Kathodenfingern über die erste Hauptfläche verteilt ist, welche Kathoden finger von einer Gatemetallisierung umgeben sind;
- e) die Dicke der p-Basis unterhalb der Kathodenfinger kleiner als 20 µm ist;
- f) die Dotierungskonzentration in der p-Basis kleiner 1*1017 cm-3, die Dotierungskonzentration im n-Emit ter größer 1*1020 cm-3 und die Dotierungskonzentra tion im p-Emitter größer 1*1019 cm-3 ist; und
- g) die Dicke des Halbleitersubstrats weniger als 500 µm beträgt.
Der Kern der Erfindung besteht darin, für den Hochstrom-
Puls-Thyristor die Kathodenstruktur eines GTO einzuset
zen, und das Bauelement dann vor allem hinsichtlich Ein
schalt- und Durchlaßverhalten zu optimieren, ohne auf
das beim GTO übliche optimierte Abschaltverhalten Rück
sicht zu nehmen.
Der dadurch entstehende Design-Spielraum wird bei der Er
findung dahingehend genutzt, daß
- - auf eine Anodenvershortung verzichtet wird;
- - das Bauelement in einem Zustand hoher Trägerlebens dauer belassen wird;
- - das Bauelement mit hochdotierten, effizienten Emit ter auf Anoden- und Kathodenseite ausgestattet wird;
- - die Dotierungskonzentration in der p-Basis auf Werte weit unterhalb derjenigen eines normalen GTOs redu ziert wird; und
- - die für die Sperrfähigkeit erforderliche Dicke mini miert wird.
Alle fünf Maßnahmen zielen auf eine Optimierung der Ein
schalt- und Durchlasseigenschaften des Bauelements. Die
wichtigste ist die Schwächung der p-Basis unter dem Ka
thodenemitter. Es ist unmittelbar einsichtig, daß damit
das Bauelement zunehmend zündfreudig wird, und daß seine
Einschaltverluste deutlich abnehmen. Andererseits kann
das Bauelement im Gegensatz zu einem herkömmlichen Thyri
stor nur noch mit einer verlustarmen, negativen Gatevor
spannung vor dem selbständigen oder durch parasitäre Sig
nale induzierten Einschalten bewahrt werden. Wie beim
Standard-GTO muß auch hier im Blockierzustand der ge
samte Sperr- und Verschiebestrom durch die Gate-Unit auf
genommen werden. Es ist dazu von Vorteil, zwischen den
Segmenten eine ausreichende p-Basis-Leitfähigkeit beizu
behalten.
Den anderen Design-Änderungen sind höchstens insofern
Grenzen gesetzt, als sie die Stromverstärkung des pnp-
Teiltransistors erhöhen, also speziell bei erhöhten Tem
peraturen zu erhöhten Sperrströmen führen und so den Tem
peraturbereich einschränken können.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines Hoch
strom-Puls-Thyristors nach der Erfindung zeichnet sich
dadurch aus, daß
- a) der Thyristor stets mit einer antiparallel geschal teten Inversdiode betrieben wird;
- b) der Thyristor im ausgeschalteten Zustand mit einer negativen Gatevorspannung beaufschlagt wird;
- c) der Thyristor beim Einschalten mit großer Steilheit des Gatestromes betrieben wird; und
- d) das Abschalten als Gate-assisted turn-off erfolgt.
Ein Standard-Thyristor würde auf die oben beschriebenen
Design-Änderungen unweigerlich mit einer langen Freiwer
dezeit tq reagieren. Der erfindungsgemäße Puls-Thyristor
ist jedoch aufgrund seiner Abstammung vom GTO in geradezu
idealer Weise für ein "Gate-assisted turn-off" geeignet:
Beim (oder in der Nähe vom) natürlichen Stromnulldurch
gang läßt sich über die Gateelektrode ein großer Teil
der Löcher absaugen, so daß sich die Freiwerdezeit prak
tisch maßgeschneidert auf die jeweilige Anwendung steu
ern läßt, und zwar vorzugsweise mittels einer üblichen
GTO-Gate-Unit.
Im Pulsbetrieb sollte das vorgeschlagene Bauelement vor
allem mit großer Steilheit des Gatestromes betrieben
werden. Die von herkömmlichen Puls-Thyristoren bekannte
Konditionierung des Pulsstromes ist beim neuen Bauelement
zwar sinnvoll, aber nicht von gleicher Bedeutung wie bei
jenem Thyristor. Die laterale Plasmaausbreitung ist hier
nämlich derart unwesentlich, daß sehr steile Strompulse
sogar gleichzeitig mit dem Spannungszusammenbruch einset
zen können, ohne daß das Bauelement gefährdet wird. Da
bei ist allerdings die Verlustenergie pro Puls erhöht ge
genüber einer Betriebsart, in der mindestens eine Träger
laufzeit verstreicht, bis der Hauptpuls einsetzt, also
bipolare Leitung schon vor der steilen Stromflanke eta
bliert ist. Damit ist angedeutet, daß ein Aufwand im
Steuer- und Hauptstromkreis nicht primär dem Schutz des
Bauelements dient, jedoch die Verluste und damit Puls-
und Frequenzlimiten beeinflußt.
Der Einsatz des erfindungsgemäßen Bauelements als Puls-
Thyristor erfolgt stets mit antiparalleler (Invers-)Diode
und zeichnet sich dadurch aus, daß zwischen dem positi
ven Stromimpuls im Thyristor und dem negativen Umschwing
strom in der Inversdiode kein Abschalten stattfindet.
Während der Leitungsphase der Diode wird die negative
Gatespannung wiederhergestellt und die Speicherladung
mindestens derart reduziert, daß nach dem zweiten Null
durchgang volle Blockierfähigkeit besteht.
Ein bevorzugte Ausführungsform des Bauelements nach der
Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Halbleiter
substrat in einen Thyristorteil und einen Diodenteil un
terteilt ist, wobei im Thyristorteil der Hochstrom-Puls-
Thyristor und im Diodenteil die antiparallel zum Thyri
stor liegende Inversdiode angeordnet sind.
Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbei
spielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert
werden. Es zeigen
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer Hochstrom-
Pulsschaltung, in welcher der Thyristor nach
der Erfindung eingesetzt werden soll;
Fig. 2 den zeitlichen Verlauf von Laststrom und An
odenspannung beim Pulsbetrieb einer Schaltung
nach Fig. 1;
Fig. 3 den zeitlichen Verlauf von Gatestrom und
Gatespannung beim Pulsbetrieb einer Schaltung
nach Fig. 1;
Fig. 4a, b innerer Aufbau (a) und Dotierungskonzentra
tionen (b) bei einem GTO nach dem Stand der
Technik;
Fig. 5a, b innerer Aufbau (a) und Dotierungskonzentra
tionen (b) bei einem ersten Ausführungsbei
spiel eines Hochstrom-Puls-Thyristors nach
der Erfindung;
Fig. 6a, b innerer Aufbau (a) und Dotierungskonzentra
tionen (b) bei einem zweiten Ausführungsbei
spiel eines Hochstrom-Puls-Thyristors nach
der Erfindung;
Fig. 7 Anordnung von Kathodenfingern und Gatekontakt
auf der kathodenseitigen ersten Hauptfläche
bei einem GTO nach dem Stand der Technik;
Fig. 8 Anordnung von Kathodenfingern und Gatekontakt
auf der kathodenseitigen ersten Hauptfläche
bei einem Ausführungsbeispiel eines Hoch
strom-Puls-Thyristors nach der Erfindung;
Fig. 9 Aufteilung eines herkömmlichen Thyristors mit
integrierter Inversdiode in Diodenteil und
Thyristorteil; und
Fig. 10a-c verschiedene Ausführungsbeispiele für die
Fig. 9 entsprechende Aufteilung bei einem
Hochstrom-Puls-Thyristor nach der Erfindung.
Eine prinzipielle Hochstrom-Pulsschaltung 1, wie sie zur
Erzeugung eines Hochstrom-Pulses verwendet wird, ist in
Fig. 1 wiedergegeben. Sie umfaßt als Energiespeicher
eine Kondensatorbatterie 2, die über eine aus Lastwider
stand 4 und Lastinduktivität 5 bestehende Last mit Hilfe
eines über ein Gate G steuerbaren Hochstrom-Puls-Thyri
stors 6 entladen werden kann. Parallel zur Kondensator
batterie 2 ist eine Diode 3 geschaltet. Antiparallel zum
Hochstrom-Puls-Thyristor 6 liegt zwischen dessen Anode A
und Kathode K eine Inversdiode 7, die als Freilaufdiode
funktioniert. Die Ansteuerschaltung (Gate-Unit) für den
Thyristor 6 ist der Einfachheit halber nicht eingezeich
net.
Der Ablauf einer Pulserzeugung in der Hochstrom-Puls
schaltung 1 nach Fig. 1 läßt sich anhand der in Fig. 2
dargestellten zeitlichen Verläufe der Anodenspannung UA
und des Laststromes IL und der in Fig. 3 dargestellten
entsprechenden Verläufe der Gatespannung UG und des Gate
stromes IG erläutern: Bis zu einem ersten Zeitpunkt t1
ist der Thyristor 6 ausgeschaltet und es liegt die volle
Blockierspannung an. Am Gate G liegt eine negative Gate
spannung UG. Vom Zeitpunkt ta bis tb wird auf das Gate G
ein Zündstromimpuls gegeben, so daß vom Zeitpunkt t1 bis
zum Zeitpunkt t2 der Thyristor zunächst konditioniert
wird und dann (nach der vollständigen Plasmaausbreitung)
zwischen t2 und t3 den vollen Strompuls durchläßt.
Nach der Aufladung der Kondensatorbatterie 2 kehrt am
Zeitpunkt t3 der Laststrom IL seine Richtung um und
fließt nunmehr durch die Inversdiode 7. Zum Zeitpunkt tc
setzt ein Gate-Rückstrom ein, der bis zum Zeitpunkt te
andauert. Zum Zeitpunkt td wird wieder eine negative
Gatespannung auf das Gate gegeben, welche die Speicherla
dung im Thyristor mindestens derart reduziert, daß er
nach dem zweiten Nulldurchgang des Laststroms IL sicher
sperrt. Zwischen t4 und t5 fließt (nach erneutem Vorzei
chenwechsel) der Recovery-Strom der Inversdiode 7, wäh
rend gleichzeitig die Blockierspannung am Thyristor 6
wiederkehrt. Zwischen tf und tg schließlich tritt im
Gatekreis noch ein Verschiebestrom auf, der für die Funk
tion insgesamt aber keine weitere Rolle spielt.
Wichtig bei diesem Ablauf ist vor allem ein gutes Ein
schalt- und Durchlaßverhalten des Thyristors 6, während
das Abschalten ohne Schwierigkeiten in der Nähe des Last
strom-Nulldurchgangs (bei t3) als Gate-assisted turn-off
durchgeführt werden kann. Die darauf abgestellten Beson
derheiten im inneren Aufbau des erfindungsgemäßen Thyri
stors werden in einem Vergleich eines herkömmlichen GTO
(Fig. 4) mit zwei Ausführungsbeispielen des Bauelements
nach der Erfindung (Fig. 5 und 6) deutlich. Die Teile a)
dieser drei Figuren zeigen dabei jeweils den inneren Auf
bau eines Segmentes, während die Teile b) die dazugehöri
gen Dotierungskonzentrationen C1, . . , C10 angeben.
Der herkömmliche GTO aus Fig. 4a besteht aus einem Halb
leitersubstrat 8 mit zwei gegenüberliegenden Hauptflächen
H1 und H2, die der Kathode (H1) und der Anode (H2) zuge
ordnet sind. Zwischen den Hauptflächen H1 und H2 sind in
nerhalb des Halbleitersubstrats 8 ein n-Emitter 12, eine
p-Basis 13, eine n-Basis 14 und ein p-Emitter 15 in einer
Schichtenfolge angeordnet. Der n-Emitter 12 ist dabei la
teral auf eine Vielzahl von schmalen länglichen Kathoden
fingern 11 beschränkt (siehe auch Fig. 7 und 8), die auf
ihrer Oberseite jeweils einen Kathodenkontakt 9 in Form
einer Al-Metallisierung tragen. Die p-Basis 13 weist un
terhalb der Kathodenfinger 11 eine bestimmte Dicke d1
auf.
Die Kathodenfinger 11 sind allseitig von der an die Ober
fläche tretenden p-Basis 13 umgeben, die auf der ersten
Hauptfläche H1 mit einer Gatemetallisierung 10 (ebenfalls
Al) versehen ist. Auf der Anodenseite ist der p-Emitter
15 von n⁺-dotierten Anodenkurzschlüssen 16 unterbrochen.
Sowohl p-Emitter 15 als auch Anodenkurzschlüsse 16 werden
auf der zweiten Hauptfläche H2 von einem Anodenkontakt 17
in Form einer durchgehenden Al-Metallisierung kontak
tiert. Das Halbleitersubstrat 8 hat insgesamt eine Dicke
D1 und weist in der Segmentachse die aus Fig. 4b ersicht
lichen Dotierungskonzentrationen C1 bis C5 in den einzel
nen Schichten bzw. Gebieten auf.
Für einen GTO mit 2,5 kV Sperrspannung ergeben sich dabei
die folgenden typischen Werte für die Dicken d1 und D1
und Konzentrationen C1, . . ,C5:
d1 = 35 µm
D1 = ca. 550 µm
C1 = 1*1020 cm-3
C2 = 3*1017 cm-3
C3 = 4*1013 cm-3
C4 = 3*1018 cm-3
C5 = 1*1020 cm-3.
d1 = 35 µm
D1 = ca. 550 µm
C1 = 1*1020 cm-3
C2 = 3*1017 cm-3
C3 = 4*1013 cm-3
C4 = 3*1018 cm-3
C5 = 1*1020 cm-3.
Der Widerstand U/I in der p-Basis 13 beträgt dabei etwa
10 Ω.
Der Thyristor nach der Erfindung übernimmt grundsätzlich
die GTO-Struktur. Ein ebenfalls für 2,5 kV ausgelegtes
bevorzugtes Ausführungsbeispiel mit den entsprechenden
Dicken d2 und D2 sowie Dotierungskonzentrationen C6 bis
C9 hat etwa die folgenden Vergleichswerte:
d2 = 15 µm
D2 = ca. 430-480 µm
C6 = 2*1020 cm-3
C7 = 3*1016 cm-3
C8 = C3 = 4*1013 cm-3 C9 = 4*1019 cm-3.
d2 = 15 µm
D2 = ca. 430-480 µm
C6 = 2*1020 cm-3
C7 = 3*1016 cm-3
C8 = C3 = 4*1013 cm-3 C9 = 4*1019 cm-3.
Der Widerstand U/I in der p-Basis 13 beträgt hier nun
etwa 90 Ω.
Man erkennt, daß die Anodenkurzschlüsse weggelassen, die
Dotierungen der Emitter wesentlich erhöht, Dicke und Do
tierung der p-Basis 13 drastisch verringert und die Dicke
des gesamten Bauelements vermindert worden sind. Dies
führt genau zu den verbesserten Einschalt- und Durchlass
eigenschaften, die bereits weiter oben erläutert worden
sind.
Wird wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 6 dargestellt,
noch zusätzlich eine n-dotierte Stoppschicht 18 zwischen
n-Basis 14 und p-Emitter 15 eingefügt, läßt sich bei
sonst gleichbleibenden Daten die Dicke des Bauelements
bei einer Dotierungskonzentration C10 in der Stoppschicht
18 von 1*1016 cm-3 weiter auf Werte D3 zwischen 350 und
400 µm reduzieren, was den Durchlaßwiderstand weiter
verringert.
Die Optimierung des GTO-ähnlichen Thyristors nach der Er
findung auf Einschalt- und Durchlaßverhalten läßt auch
Änderungen in der Anordnung und Ausgestaltung der katho
denseitigen Fingerstruktur zu, die anhand der Fig. 7 und
8 erläutert werden können: Beim herkömmlichen GTO hoher
Leistung gemäß Fig. 7 sind kathodenseitig (d. h., auf der
ersten Hauptfläche H1) die einzelnen Kathodenfinger 11 in
konzentrischen Ringen mit genügendem Abstand untereinan
der angeordnet, damit die dazwischenliegende Gatemetalli
sierung 10 einen genügend niederohmigen Gatezugriff für
die beim Abschalten erforderlichen hohen Gateströme er
laubt. Darüberhinaus ist aus dem gleichen Grunde ein
großflächiger, ringförmiger Gatekontakt 19 zwischen den
Kathodenfinger-Ringen vorgesehen, um den hohen Gatestrom
möglichst gleichmäßig und verlustfrei zu allen Segmenten
(mit den Kathodenfingern 11) bringen zu können.
Beim Thyristor nach der Erfindung kann gemäß Fig. 8 auf
diese Art der Abschaltoptimierung verzichtet werden. Die
Kathodenfinger 11 können hier wesentlich dichter angeord
net werden. Für die Ansteuerung genügt ein kleines Zen
tralgate 20, so daß insgesamt wesentlich mehr Segmente
auf der gleichen Bauelementfläche unterzubringen sind und
daß Durchlaßverhalten verbessern.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Thyri
stors nach der Erfindung ist die Inversdiode 7 in das
Halbleitersubstrat 8 integriert. Eine solche Integration
ist für den herkömmlichen GTO z. B. aus der
EP-B1-0 200 863 bekannt. Sie führt - wie in Fig. 9 dargestellt -
dazu, daß das Halbleitersubstrat 8 in einen Thyristor
teil 21 und einen Diodenteil 22 unterteilt wird, die mit
ihren annähernd gleichen aktiven Flächen für gleiche No
minalströme und ähnliche thermische Belastung bei einem
repräsentativen Lastspiel ausgelegt sind.
Beim Thyristor nach der Erfindung dagegen kann gemäß
Fig. 10 der Diodenteil 22 deutlich kleiner ausgebildet
sein, weil die Diode nur für das Überschwingen beim
Pulsbetrieb ausgelegt werden muß. Ein solcher ver
kleinerter Diodenteil 22 ist möglich entweder als äußerer
Ring um den Thyristorteil 21 (Fig. 10a), als von ei
nem ringförmigen Thyristorteil 21 umschlossener Innenbe
reich (Fig. 10b), oder in Form von über die gesamte Flä
che verteilt angeordneten Diodenbereichen 23 (Fig. 10c),
wodurch die ganze Kühlleistung beim Pulsbetrieb möglichst
gleichmäßig genutzt wird.
Die oben bereits angesprochene Forderung nach einer mög
lichst großen Trägerlebensdauer im Thyristorteil trifft
dabei nur für diesen Teil zu, da daß Abschaltverhalten
der Inversdiode 7 anderen Kriterien genügen muß und dort
eine entsprechend verringerte Trägerlebensdauer erforder
lich wird. Für die unterschiedliche Einstellung der Le
bensdauer in den verschiedenen Teilen des Bauelementes
kommen dann mehrere bekannte Arten der selektiven Lebens
dauereinstellung in Betracht.
Insgesamt ergibt sich mit der Erfindung ein Thyristor,
der hauptsächlich für den Betrieb mit Hochstrom-Pulsen
optimiert ist. Es ist jedoch ebensogut auch denkbar, den
Thyristor in Umrichtern mit natürlicher oder Zwangskommu
tierung einzusetzen.
BEZEICHNUNGSLISTE
1 Hochstrom-Pulsschaltung
2 Kondensatorbatterie
3 Diode
4 Lastwiderstand
5 Lastinduktivität
6 Hochstrom-Puls-Thyristor
7 Inversdiode
8 Halbleitersubstrat
9 Kathodenkontakt
10 Gatemetallisierung
11 Kathodenfinger
12 n-Emitter
13 p-Basisschicht
14 n-Basisschicht
15 p-Emitter
16 Anodenkurzschluß
17 Anodenkontakt
18 Stoppschicht
19 Gatekontakt
20 Zentralgate
21 Thyristorteil
22 Diodenteil
23 Diodenbereich
A Anode
C1, . . , C10 Dotierungskonzentration
G Gate
IG Gatestrom
IL Laststrom
K Kathode
t1, . . , t5 Zeitpunkt
ta, . . , tg Zeitpunkt
d1, d2 Dicke (der p-Basisschicht)
D1, . . , D3 Dicke (des Halbleitersubstrats)
UA Anodenspannung
UG Gatespannung
2 Kondensatorbatterie
3 Diode
4 Lastwiderstand
5 Lastinduktivität
6 Hochstrom-Puls-Thyristor
7 Inversdiode
8 Halbleitersubstrat
9 Kathodenkontakt
10 Gatemetallisierung
11 Kathodenfinger
12 n-Emitter
13 p-Basisschicht
14 n-Basisschicht
15 p-Emitter
16 Anodenkurzschluß
17 Anodenkontakt
18 Stoppschicht
19 Gatekontakt
20 Zentralgate
21 Thyristorteil
22 Diodenteil
23 Diodenbereich
A Anode
C1, . . , C10 Dotierungskonzentration
G Gate
IG Gatestrom
IL Laststrom
K Kathode
t1, . . , t5 Zeitpunkt
ta, . . , tg Zeitpunkt
d1, d2 Dicke (der p-Basisschicht)
D1, . . , D3 Dicke (des Halbleitersubstrats)
UA Anodenspannung
UG Gatespannung
Claims (12)
1. Hochstrom-Puls-Thyristor (6), umfassend
- a) ein Halbleitersubstrat (8) mit zwei gegenüberliegen den Hauptflächen (H1, H2), von denen die eine (H1) einer Kathode (K) und die andere (H2) einer Anode (A) zugeordnet ist;
- b) innerhalb des Halbleitersubstrats (8) zwischen den beiden Hauptflächen (H1, H2) eine Folge von unter schiedlich dotierten Schichten, welche von der er sten (H1) zur zweiten Hauptfläche (H2) fortschrei tend einen n-Emitter (12), eine p-Basis (13), eine n-Basis (14), und einen p-Emitter (15) umfaßt; und
- c) eine auf der ersten Hauptfläche (H1) verteilt ange ordnete Gatestruktur zum Zünden des Thyristors (6); dadurch gekennzeichnet, daß
- d) der n-Emitter (12) nach Art eines GTO in Form einer Vielzahl von schmalen länglichen Kathodenfingern (11) über die erste Hauptfläche (H1) verteilt ist, welche Kathodenfinger (11) von einer Gatemetallisie rung (10) umgeben sind, und
- e) die Dotierungskonzentration (C7) in der p-Basis (13) kleiner 1*1017 cm-3 ist.
2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß
- a) die Dicke (D2) der p-Basis (13) unterhalb der Kathodenfinger (11) kleiner als 20 µm ist,
- b) die Dotierungskonzentration (C6) im n-Emitter (12) größer 1*1020 cm-3 und die Dotierungskonzentration (C9) im p-Emitter (15) größer 1*1019 cm-3 ist.
3. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke (D1, D3) des Halbleitersubstrats (8) bei
einer Sperrspannung des Thyristors von ungefähr 2.5 kV
weniger als 500 µm, bei einer Sperrspannung von ungefähr
4.5 kV weniger als 700 µm beträgt.
4. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke (d2) der p-Basis (13) etwa 15 µm beträgt.
5. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dotierungskonzentrationen (C6, C7, C9) in dem n-
Emitter (12) etwa 2*1020 cm-3, in der p-Basis (13) etwa
3*1016 cm-3 und in dem p-Emitter (15) etwa 4*1019 cm-3
betragen.
6. Thyristor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke (D2) des Halbleitersubstrats (8) zwischen
430 und 480 µm beträgt.
7. Thyristor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß
- a) zwischen der n-Basis (14) und dem p-Emitter (15) eine n-dotierte Stoppschicht (18) vorgesehen ist; und
- b) die Dicke (D3) des Halbleitersubstrats (8) zwischen 350 und 400 µm beträgt.
8. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Dichte der Kathodenfinger (11)
auf der ersten Hauptfläche wesentlich größer ist, als
bei einem herkömmlichen GTO.
9. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß das Halbleitersubstrat (8) in einen
Thyristorteil (21) und einen Diodenteil (22) unterteilt
ist, wobei im Thyristorteil (21) der Hochstrom-Puls-Thy
ristor und im Diodenteil (22) eine antiparallel zum Thy
ristor liegende Inversdiode (7) angeordnet sind.
10. Thyristor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß
- a) die aktive Fläche des Diodenteils (22) wesentlich kleiner ist als die aktive Fläche des Thyristor teils; und
- b) selektiv im Diodenteil (22) die Trägerlebensdauer reduziert ist.
11. Verfahren zum Betrieb eines Thyristors nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der Thyristor stets mit einer antiparallel geschal teten Inversdiode (7) betrieben wird;
- b) der Thyristor im ausgeschalteten Zustand mit einer negativen Gatevorspannung beaufschlagt wird;
- c) der Thyristor beim Einschalten mit großer Steilheit des Gatestromes betrieben wird; und
- d) das Abschalten als Gate-assisted turn-off erfolgt.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß der Thyristor mit einer üblichen GTO-Gate-Unit ange
steuert wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924218398 DE4218398A1 (de) | 1992-06-04 | 1992-06-04 | Hochstrom-Puls-Thyristor sowie Verfahren zu seinem Betrieb |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19924218398 DE4218398A1 (de) | 1992-06-04 | 1992-06-04 | Hochstrom-Puls-Thyristor sowie Verfahren zu seinem Betrieb |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4218398A1 true DE4218398A1 (de) | 1993-12-09 |
Family
ID=6460360
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19924218398 Withdrawn DE4218398A1 (de) | 1992-06-04 | 1992-06-04 | Hochstrom-Puls-Thyristor sowie Verfahren zu seinem Betrieb |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE4218398A1 (de) |
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