SE429486B - Omkopplingsanordning av tyristortyp med i backriktning forspend styrelektrod - Google Patents

Description

i1ao21s9-5 skiktet, dels en första huvudelektrod, som är spärrfritt för- bunden med det första skiktet och även med en del av det andra skiktet, vilkenân=frilagd mot den första huvudytan, dels en andra, med det fjärde skiktet spärrfritt förbunden huvudelektrod och dels en med det andra skiktet spärrfritt förbunden styrelekt- rod, varvid det andra skiktet omfattar ett parti med en tredje, mot den första huvudytan frilagd yta, medan det tredje skiktet omfattar ett parti med en fjärde, mot den andra huvudytan frilagd yta.

Enligt uppfinningen kännetecknas denna omkopplingsanordning av en mellan styrelektroden och den första huvudelektroden in- kopplad anordning för tillförsel av backspänning över den första pn-övergången jämte den andra pn-övergången via en slinga, be- stående av styrelektroden, det andra skiktet, den andra pn- -övergångem det tredje skiktet, den tredje pn-övergången, det fjärde skiktet, den andra huvudelektroden, som är i kontakt med såväl ytpartiet av det tredje skiktet som det fjärde skiktet, partiet av det tredje skiktet, den andra pn-övergången, partiet av det andra skiktet, den första huvudelektroden och anordningen för backspänningstillförsel. >Det andra halvledarskiktet består lämpligen av ett halv- ledarskikt med lågt specifikt motstånd och ett halvledarskikt med högt specifikt motstånd, varav det förra skiktet innehåller den tredje, mot den första huvudytan på substratet frilagda ~ ytan och är förbundet med styrelektroden och är infört mellan det första halvledarskiktet och skíktet med högt specifikt mot- stånd och bildar ett område-med låg resistans.

Uppfinningen beskrivas närmare nedan med ledning av åt- följande ritning, där fig. l schematiskt visar en tvärsnittsvy av en omkopp- lingsanordning med fyra halvledarskikt av pnpn-typ, som är fram- ställd enligt känd teknik, fig. 2A en schematisk tvärsnittsvy av en omkopplingsanord- ning av samma typ, som är framställd enligt uppfinningen, fig. 2B en med fig. 2A likartad vy av en modifikation av den i fig. 2A visade anordningen och fig. 3 en ström-spänningskurva med omkopplingsanordningens enligt uppfinningen till- och frântillstånd och vid omkopplíng från till-till fråntillstånd. I samtliga figurer med undantag av fig. 5 är identiska eller mot varandra svarande komponenter be- tecknade med samma hänvisningsbeteckningar. '2902189-5 Fig. 1 visar schematiskt uppbyggnaden av en typ av välkända omkopplingsanordningar av pnpn-typ med fyra skikt såsom tyristorer, vid vilka både styrelektroden och anoden förspännes i backrikt- ningen. Den visade anordningen omfattar ett halvledarsubstrat 10, innehållande en första transistor, bestående av ett första halvledarskikt 12 av p-typ, ett andra halvledarskikt lü av n-typ och ett tredje halvledarskikt 16 av p-typ, och en andra transistor, bestående av det andra skiktet 14, det tredje skiktet 16 och ett fjärde halvledarskikt 18 av n-typ, som består av ett ringformat halvledarskiktparti av n-typ och ett på det tredje skiktet 16 anordnat mittskiktparti av n-typ.

Vid den första transistorn-är skiktet 12, som tjänstgör såsom emitterområde, frilagt mot den ena av de motstående huvud- ytorna, i detta fall den övre huvudytan på substratet 10, och bildar en första-pn-övergång J1 tillsammans med det andra skiktet lä, varvid detta skikt lä har möjlighet att blockera spänningar till följd av sitt höga specifika motstånd. Härvid bildar skiktet 14 en andra pn-övergång J2 tillsammans med det tredje skiktet 16; som är tunnare än skiktet lü.

Den andra transistorn innehåller den andra övergången J2 och tre diskreta tredje pn-övergångar JB, som är bildade mellan skiktet 16 och ringformade mittpartier, som bildar det fjärde mot den andra eller undre huvudytan på substratet 10 frilagda skiktet 18. Även skiktet 16 är delvis frilagt mot den undre ytan på substratet 10. Vid den andra transistorn tjänstgör skiktet 16 såsom basområde, medan skiktet lü bildar emitter- område.

I samtliga figurer med undantag av fig. 3 är emitter- och basområdenas ledningstyp.betecknadened den hänvisningsbokstav, som identifierar ledningsförmågan hos ha1v1edarmaterialet¿ som bildar vederbörande område, med tillägg av hänvisningsbokstaven e eller b. Sålunda anger t.ex. pb ledningsförmågan hos det tredje halvledarskiktet 16, som tjänstgör såsom basområde.

En första huvudelektrod, i föreliggande fall anoden 20, är spärrfritt förbunden med den frilagda ytan på det första skiktet 12 och med en första huvudklämma X, medan en andra huvudelektrod eller katoden 22 är bildad av ett ringformat mitt- elektrodparti, som är spärrfritt förbundet med de ringformade mittpartierna, som bildar det fjärde skiktet 18 och gemensamt är förbundna med en andra huvudklämma Y. Styrelektroden ZH om- fattar sålunda ett ringformat elektrodparti, som är spärrfritt förbundet med periferipartiet av den frilagda ytan på skiktet 16, 8 vso21a9~s och ytterligare ett ringformat elektrodparti, som är spärrfritt förbundet med den del av den frilagda ytan på skíktet 16, som befinner sig mellan'de _ringformade partierna 18. Styrelektrod- partierna 2U är inbördes koncentriska och gemensamt förbundna med en klämma G. En likströmskälla 26 är inkopplad mellan klämman Y och klämman G via en strömställare 28 för att förspänna styr- elektroden 24 på sådant sätt, att den blir negativ i förhållande till katoden 22. Ytterligare en likströmskälla 26 är på samma sätt inkopplad över dessakíämmor för att förspänna elektroden 2H på sådant sätt, att den blir positiv i förhållande till katoden 22. p _ Den första transistorn har lägre strömförstärkningsfaktor än den andra transistorn.

Konventionella anordningar av i fig. l visad typ har följan- de nackdelar. Vid frånslag eller brytning inmatas backspänning' från källan 26 till styrelektroden 2H för transport av laddnings-I bärare från det tredje skiktet 16 mellan det andra och det fjärde skiktet lä och 18 via styrelektroden 2Ä. Detta tredje skikt benämnes i fortsättningen styrelektrodskikt. Medan bryt- förloppet fortsätter, koncentreras strömbanor till följd av de från det första skiktet 12 injicerade bärarna till ett ställe längst bort från styrelektroden 24, dvs. mittpartiet av det fjärde skiktet 18, såsom anges genom pilen I i fig. 1. Styr- elektrodskiktet, genom vilket strömbanorna sträcker sig, har ett skiktmotstånd rg enligt fig. 1, med vilket styrelektroden är förbunden och som hänför sig till liten tjocklek, eftersom strömförstärkningen i huvudsak åstadkommas genom den andra transistorn lä, l6, 18, såsom beskrivits ovan. Resistansen rg blir därför hög och till följd av spånningsfallet över denna resistans är det svårt att förspänna den tredje övergången J3 i backriktningen, som befinner sig på mittpartiet av det fjärde skiktet 18 längst bort från elektroden 2U. Om det tredje skiktet 16 består av halvledarmaterial med lågt specifikt motstånd för reducering av resistansen rg, reduceras backspänningen, som motstås av den tredje övergången J3, tills detta parti av övergången J3 i närheten av elektroden 2H kommer att först arbeta i backrikt- ningen.

Vid den i fig. l visade anordningen har en enda åtgärd för reducering av resistansen rg varit att bibringa mittpartiet av det fjärde skiktet l8 liten dimension i sidled, vilket i sin tur medför, att den av det fjärde skiktet 18 upptagna arean minskar. _-_._.._.._.._._,..,. _ .. . -_ ._.____ __..- -._... _.. . ._ _. ....=..»...,-«.-«.--..-.~-_..=n=., 790218-9-5 Denna area bildar effektivt område för en ström, som flyter genom det fjärde skiktet 18. Det har även varit nödvändigt att använda ett komplicerat fint mönster, i vilket det tredje och det fjärde skiktet är frílagda mot den andra huvudytan på substratet 10.

Detta har åtföljts av hög felfrekvens i substratet, så att ett dylikt mönster varit svårt att framställa. Även om mönstret skulle kunna framställas på enkelt sätt, har det varit svårt att minska resistansen rg i tillräcklig utsträckning. Eventuellt har några åtgärder ej vidtagits utan extrem reducering av medel- tätheten hos en ström, som flyter genom ett samordnat halvledar- substrat. f Dessa olägenheter undgås till följd av uppfinningen och fíg. 2A visar en omkopplingsanordning med fyra halvledarskikt av pnpn-typ, som är framställd enligt uppfinningen. Liksom vid anord- ningen i fig. l bildar det första, det andra och det tredje halv- ledarskiktet en första transistor, medan det andra, det tredje och det fjärde halvledarskiktet bildar en andra transistor.

Fig. 2A visar en utföringsform av uppfinningen, som hän- för sig till en i backriktningen ledande anordning, medan fig. 2B visar en modifikation härav, som är likartad den i fig. 2A visa- de med undantag av komponenternas ledningsförmåga. Detta innebär, att anordningen enligt fig. 2A innehåller ett styrelektrodskikt 14 av n+-typ och att anordningen enligt fig. 2B innehåller ett skikt lä av p+-typ.

Enligt fig. 2A består det första halvledarskiktet 12 av p- typ av två koncentriska ringar, som befinner sig på substratets 10 ena huvudyta, varvidett par första huvudelektroder 20 eller anoder är spärrfritt förbundna med de båda ringarna. Här kan framhållas, att den yttre ringen i elektroden 20 även är spärr- fritt förbunden med det frilagda ytpartiet av det andra halv- ledarskiktet lä av n-typ. Den andra huvudytan på substratet l0 innehåller dessutom ett mittparti, mot vilket det fjärde halv- ledarskiktet 18 av n~typ är helt frilagt, och periferipartiet, mot vilket periferipartiet av det tredje halvledarskiktet 16 av p-typ är frilagt. En enda andra huvudelektrod 22 eller katod är härvid spärrfritt förbunden med substratets andra huvudyta över hela ytan och fäst vid en basplatta 32 av elektriskt ledande material. 7 ' g Enligt fig. 2A har det fjärde skiktet 18 en radie 6 , som är mindre än ytterradien för den yttre ringen i skíktet 12.

Man finner även, att de delar av de båda elektroderna 20 och 22, vsoéflee-s 6 som är förbundna med skikten lä och l6, bildar en halvledardiod tillsammans med de partier av skikten l2 och lä, som befinner sig däremellan. Dióden omfattar periferipartiet av den andra övergången J2. Den i fig. 2A visade anordningen bildar därför en av en halvledardiod omgiven omkopplingsanordning av pnpn-typ.

Eftersom en dylik anordning ej tillföres någon backspänning, kan skiktet lfla med högt specifikt motstånd ha större tjocklek. Därför kan skiktet läb med lågt specifikt motstånd ha ökad tjocklek, vilket möjliggör ytterligare reducerad skiktsresistans rc hos Bkiktet lfla.

Vid omkopplingsanordningar av pnpn-typ, vilkas blockerings- spänning ibackriktningen understiger blockeringsspänningen i fram- riktningen, kan halvledarsubstratets periferiyta bibringas positiv lutning, så att utnyttjningsgraden ökas med hänsyn till halvledar- skivans ytinnehåll. Vid denna lutning närmar sig vinkeln till* endera huvudytan på substratet 50° och uppgår normalt till 600.

Uppfinningen medför den konstruktiva fördelen, att bas: skiktet, vid vilket styrelektroden 2U är fäst, dvs. basskiktet lü i den första transistorn 12, lä, 16, är tjockt i jämförelse med tidigare praxis. Den första transistorn har därför låg ström- förstärkning och en styrström - IC för frånkoppling av anordningen, som närmar sig huvudströmmen I, som skall brytas. Detta innebär, att en strömförstärkning vid brytning uppnår ett värde av ca ett.

Denna egenskap är särskilt fördelaktig för att åstadkomma, att frånkopplingstyristorer kan motstå höga spänningar. Detta beror på, att dylika tyristorers egenskaper till största delen påverkas ogynnsamt av egenskaperna hos transistorn, som innehåller en styr- elektrod. Den övre kollektor-emittersträckan uppträdande spänningen V vid avaktivering av transistorer beror på strömförstärk- CED(sus) _ningsfaktorn hFF vid gemensam emitterkoppling inom driftomrâdet med låga strömmar. Det är välkänt, att sambandet VCE0(aB) = VCBO/nyrhšg, där VCBO är genombrottsspänningen från kollektor till bas vid frånkoppling av emittern och n har ett värde, som ligger mellan 2 och 6. Vid konventionella effekttransistorer har strömförstärkningsfaktorn hFF vid gemensam emitterkoppling ett värde av mellan 20 och 30 inom driftområdet med låga strömmar, inom vilket den inom basområdet alstrade fälteffekten ei reduce- rar strömförstärkningen. Den uppträdande (odämpade) spänningen VCEO(sus) är därför lika med från ca hälften till en fjärdedel av genombrottsspänningen VCBO. Spänningen VCE0(sus), som i själva verket uthärdats av dylika effekttransistorer, har med andra ord varit lika med från ca hälften till ca en fjärdedel 7 7902169-s av spänningen VCBO, som uthärdats av halvledardioden ensam, som är bildad av kollektor- och basområdena i dessa transistorer.

Den för styrning avsedda spänningen har följaktligen oundvifligen varit jämförelsevis låg. Ovan angivna samband kan på samma sätt tillämpas på både konventionella frånkopplingstransistorer av i fig. l.visad typ och på transistorer, som såsom basområde om- fattar halvledarskiktet l6, vid vilket en styrelektrod är fäst enligt fig. l. Den dynamiska spänningen, som uthärdas, har därför varit lika med ca halva genombrottsspänningen vid övergången J2 enbart av_följande skäl..Vid konventionella frånkopplingstyristo- rer har det varit mycket väsentligt med hänsyn till utformningen att öka styrströmutbytet, som hänför sig till styrelektroden, så att transistorer med skiktet 16 såsom basområde har hög ström- förstärkning hFF vid gemensam emitterkoppling.

Omkopplingstyristorn enligt uppfinningen har däremot en strömförstärkningsfaktor hFF vid gemensam emitterkoppling, som ._ är reducerad med ca en storleksordning i jämförelse med konven- tionella tyristorer inom arbetsområdet med låga och medelhöga strömmar, inom vilket den i basområdet alstrade fälteffekten är eliminerad. Detta innebär, att faktorn hFF har ett värde, som ej överstiger två. Detta medför plötslig ökning i spänningen VCEO(suS) vid den första transistordelen i jämförelse med kon- ventionella tyristorer, vars faktor hFF ej understiger 20.

Underhâllsspänningen V vid denna fyrskiktsanordning är under frånslagsförloppet likâuåed från åtta till nio tiondelar av genombrottsspänningen BV för den andra övergången J2. Den dynamiska spänningen, som kan uthärdas, reduceras därför avse- värt för att möjliggöra styrning av högre spänningar, såsom visas i fig. 5, där huvudströmmen I är avsatt längs ordinatan som funktion av spänningen mellan den första och den andra huvudelektroden längs abskissan. Pilen på kurvan anger dessutom frånslagsförloppet, under vilket anordningen övergår från sitt till- till sitt från~til1tånd.

Enligt uppfinningen kan lätt uppnås, att faktorn hFF blir lika med eller mindre än 2, eftersom basskiktet lä i den första transistorn 12, lä, 16 är jämförelsevis tjockt.

Vidare reduceras injektionshastigheten för bärare från det första skiktet 12 genom minskning av skiktresistansen re i skiktet lfla, som bildar den ena delen av basskiktet 14. En dylik minskning av faktorn hFF förorsakar reducerad brytströmvinst, men skiktet lüa som är i direkt beröring med skiktet 12, har låg skiktresis- v9ø21e9-5 tans för att möjliggöra en minskning av backspänningen - VGA, som inmatas mellan det första och det andra skiktet l2 och lä vid brytning. En minskning av denna faktor förorsakar vidare ökad brythastighet..Den elektriska energi, som erfordras för styrning av brytningen, är därför ej hög i jämförelse med motsvarande energi vid kända anordningar. Såsom beskrivits ovan förorsakar en minskning av brytström ökning av brytstyrströmmen IC, men en spänning Vsus, som kan brytas, minskas, medan bryttiden minskas.

Detta innebär, att brytenergivinsten uttryckt i medelenergi ökas enligt uppfinningen. Såsom tidigare framhållits, kan frånkopp- lingstyristorer enligt uppfinningen uthärda högre spänningar genom minskning av strömförstärkningsfaktorn hFF hos transístorn, som såsom basskikt innehåller skiktet lü, för den gemensamma emitter- kopplingen.

Av ovanstående framgår, att brytegenskaperna lätt kan för- bättras enligt uppfinningen genom att fastsätta styrelektroden 2U på det andra skiktet lä, som är tjockare än det tredje skiktet 16. Dessa egenskaper kan ytterligare förbättras genom att låta det första skiktet l2 direkt kontaktera skiktet lfla med lågt specifikt motstånd, som utgör en del av skiktet lä. Den i fig. 2A eller 2B visade anordningen har vidare de ytterligare förbättra- de frånkopplingsegenskaperna, eftersom en halvledardiod, inne- hållande ett parti av den andra övergången J2, undertrycker blockeringsspänningar i backriktningen eller bringar anordningen aüzleda i backriktningen, så att det andra halvledarskiktet kan ökas till tillåtlig tjocklek.

Enligt uppfinningen inmatas backspänning över den första övergången Jl, dvs. denna backspänning tillföres övergången via styrelektroden, det första och det andra halvledarskiktet och den första huvudelektroden. Till följd av denna åtgärd är anod- -katodspänningen en framspänning med avseende på övergågen Jl även om spänningen stiger under frånslagsförloppet. Denna spänning inmatas därför över mellanövergången J2. Den mellan ledningarna X och C uppkomna spänningen --VCA eller -VCK bestämmes följaktligen av backförspänningsanordningen, eftersom den är inkopplad mellan dessa ledningar. Härigenom säkerställas, att någon hög spänning ej uppträder mellan dessa ledningar. I föreliggande fall kräves sålunda endast låg spänning för övergångens förspänning i back- riktning. I föreliggande fall är övergången Jl förspänd i back- riktningen från styrelektrodens förspänningsanordning via styr- elektroden, det första och det andra halvledarskiktet och en av 9 7902189-5 huvudelektroderna. Under dessa omständigheter flyter återhämt- ningsström för övergången J2 genom slingan X - (VGA) - C - 2U - (lä, lüa, lüb)-1643-224Y enligt den streckade linjen i rig. 2A och 25- Till följd härav reduceras spänningsfallet till följd av denna âterhämtningsström och sidoresistansen, såztt övergången Jl hålles i sitt backförspänningstillstånd och frånslag äger rum.

Detta innebär, att övergången Jl kan förspännas i backriktning med större strömmar och att möjligheten till säkert frånslag ökas.

Claims (1)

1. vsozweea-s i 10 Patentkrav _

   1. Omkopplingsanordning av tyristortyp med i backriktning förspänd styrelektrod, omfattande dels ett halvledarsubstrat med ett par motstâende huvudytor, dels ett första, mot en första av dessa ytor frilagt halvledarskikt av en ledningstyp, dels ett andra halvledarskikt av motsatt ledníngstyp, som tillsammans med det första skiktet bildar en första pn-övergång, dels ett tredje halvledarskikt av den ena ledningstypen, som tillsammans med det andra skiktet bildar en andra pn-övergång, dels ett fjärde, mot den andra huvudytan frilagt halvledarskikt av den motsatta ledningstypen, som tillsammans med det tredje skiktet bildar en tredje pn-övergång, dels en första huvudelektrod, som är spärrfritt förbunden med det första skiktet och även med en del av det andra skiktet, vilken är frilagd mot den första huvudytan, dels en andra, med det fjärde skiktet spärrfritt för- bunden huvudelektrod och dels en med det andra skiktet spärr- fritt förbunden styrelektrod, varvid det andra skiktet omfattar ett parti med en tredje, mot den första huvudytan frilagd yta, medan det tredje skiktet omfattar ett parti med en fjärde, mot den andra huvudytan frilagd yta, k ä n n e t e c k n a d av en mellan styrelektroden och den första huvudelektroden inkopplad, anordning för tillförsel av backspänning över den första pn-över- gången jämte den andra pn-övergången via en slinga, bestående av styrelektroden, det andra skiktet, den andra pn-övergången, det tredje skiktet, den tredje pn-övergången, det fjärde skiktet, -den andra huvudelektroden som är i kontakt med såväl ytpartiet av det tredje skiktet som det fjärde skiktet, partiet av det tredje skiktet, den andra pn-övergången, partiet av det andra skiktet, den första huvudelektroden och anordningen för back- spänningstillförsel.

   2. Anordning enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att det andra skiktet är tjockare ändettredje.

   5. Anordning enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k - n a d av att det andra halvledarskiktet är bildat av ett halv- ledarskikt med lågt specifikt motstånd och ett halvledarskikt med högt specifikt motstånd, varav det förra skiktet innehåller den tredje, mot den första huvudytan på substratet frilagda ytan och är förbundet med styrelektroden och är infört mellan det _ -_....._..__..__Å . _ ...è-J-.Lå-.a-a _.:g- ;@=r-_»,.-..t«. ~ - .L fn. 79-02189~5 11 första halvledarskiktet och skiktet med högt specifikt motstånd och bildar ett område med låg resistans.