SE435436B - Tvapoligt overstromsskydd - Google Patents

Description

ázoosasz-z -2 a<~ 15 20 25 30 strömmen når spänningen på transistorns styre upp till transistorns tröskelspänning. Transistorn blir då ledande och kortsluter tyristorns katodemitterövergång, varvid tyristorn släcks och strömmen genom tyristorn bryts. Tyristorn förblir oledande till dess den påtryckta spänningen över tyristorn sänks till ett lågt värde, vilket t ex vid växelströmsdrift in- träffar i samband med nästföljande nollgenomgång hos spänningen.

Vid denna kända typ av överströmsskydd tillförs som nämnts ovan tyristorns styre tändström från anoden via ett med tyristorn integrerat motstånd. För att erhålla säker tändning av tyristorn vid låg blockspänning krävs att motståndets resistans ej är alltför hög. Ett tillräckligt lågt resistans- värde orsakar emellertid att en hög läckström flyter genom motståndet när tyristorn på grund av en överström har släckts och tyristorspänningen därför är hög.Denna läckström ger upphov till höga förluster i överströmsskyddet och till bristfällig isolation meülan den drivande spänningen och skydds- objektet. ' Uppfinningen avser att åstadkomma ett överströmsskydd av inledningsvis angivet slag, vid vilket en säker tändning av tyristorn erhålles vid låg blockspänning samtidigt som läckströmmen vid släckt tyristor begränsas och därmed låga förluster och god isolation erhålles. Uppfinningen avser vidare att åstadkomma ett överströmsskydd där tillverkningsförfarandet är enklare och där halvledarskivans area utnyttjas effektivare än vid tidigare kända anordningar.

Vad som kännetecknar ett överströmsskydd enligt uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

Uppfinningen skall i det följande beskrivas i anslutning till bifogade figurer 1 - 3.

Fig 1 visar ett snitt genom ett dubbelriktat överströmsskydd enligt upp- finningen. Fig 2 visar ett ekvivalent schema över överströmsskyddet och fig 3 visar i större skala en detalj ur fig 1. överströmsskyddet är utbildat i en kiselskiva med en N-ledande huvuddel 1.

I skivans i figuren övre yta är ett centralt P-ledande skikt 12 utbildat, vilket omges av ett P-ledande skikt 1U. I skivans undre yta år på samma sätt utbildade ett centralt P-ledande skikt 22 och ett omgivande P-ledande skikt Zü. I skikten 12 och 22 är kraftigt P-dopade områden 11 och 21 an- 15 20 25 30 35 TA! ordnade. Skikten 12 och 22 är anordnade i kontakt med skyddets anslut- ningskontakter A och B.

I skiktet 1§ är ett N+-ledande skikt 13 anordnad, vilket kontakteras av kontakten A.Skikten 11, 12, 1, 22, 21 utgör en PNP-transístor, som i fig 2 betecknas med TR. Skikten 21, 22, 1, 1H,13 utgör en tyristor som betecknas med TV i fig 2. I det följande skall uppbyggnaden av och funktionen hos det enkelriktade överströmsskydd beskrivas, som utgörs av kontakten B, skikten 21, 22 och 1 samt de vid skivans övre yta anordnade skikten och kontakterna, dvs transistorn TR och tyristorn TV med till den senare an- slutna komponenter för tändning och släckning av tyristorn.

För att erhålla ett dubbelriktat överströmsskydd är kiselskivans undre yta utformad på samma sätt som den övre ytan. Skikten och kontakterna har samma beteckningar som motsvarande enheter vid den övre ytan, men med "2" som första siffra i stället för "1" i fig 1 och 3 och med index "H" i stället för "V" i fig 2. Tyristorn TH i fig 2 utgörs sålunda av skikten 11, 12, 1, 2Ä, 23 och komponenterna för tändning och släckning av denna tyristor är anordnade vid skivans undre yta.

Nedan kommer funktionen hos tyristorn Tv och transistordelen TR att beskrivas.

Tyristorn T med sina på skivans i fig 2 undre yta anordnade element för tändning oc: släckning har samma uppbyggnad och funktion. Det i figurerna visade skyddet är dubbelriktat, dvs det fungerar för båda ström- och' spänningsriktningarna. Om så önskas kan skyddet utföras enkelriktat, t ex genom att i skivans undre yta alla de i fig 1 visade skikten och kontakterna utom skikten 21 ooh 22 samt kontakten B utelämnas.

Tyristorns TV NPN-sektion 13, 14, 1 har strömberoende injektionsverknings- grad. Vid hög ström sjunker injektionsverkningsgraden hos emitterskiktet 13. Detta medför att tyristorns totala strömförstärkning avtar och närmar sig 1, vilket i sin tur medför en ökning av tyristorns ledspänningsfall.

Detta inträffar vid en strömtäthet på t ex 105 A/cmz. Genom val av relationen mellan arean nos skiktet 1" och den totala arean hos skikten 12 och 15 kan man styra den effektiva förstärkningen för hål i tyrístorsystemet och man kan därigenom bestämma den tyristorström vid vilken ledspänningsfallet markant börjar öka.

Kontakten A är isolerad från skikten 1, 12, 1U och 15 med hjälp av ett under- liggande kiseldioxidskikt 120. Ett eller flera P+-skikt 118 med liten utsträck- ning i förhållande till skiktet 18 ger en kortslutning av emitterövergången 18-15 och hindrar tändning av den parasitära tyristordelen 21, 22, 1, 15, 18. 8300853-2 20 25 30 35 8300853-2 Halvledarskivan är vid sin rand försedd med ett N+-dopat område 16 för förhindrande av ytläckströmmar. Skivans yta är täckt med ett skikt 121 av kiseldioxid, vilket är försett med öppningar för kontakterna.

Den för släckning av tyristorn vid överström anordnadeMOS-transistorn (FV i fig 2) består av ett skikt 116 som tillsammans med skikten 18 och 15 samt styrelektroden 17 bildar en MOSFET-transistor av anrikningstyp med P-ledande kanalområde. Skiktet 116 har en kontakt 117 som via en ledning E är för- bunden med kontakten 111 och därmed via skiktet 115 med tyristorns P-bas 14. Styret 17 är via en ledning D förbunden med en kontakt 191, under vilken ett tunt skikt 192 är omvandlat till platinasilicid och med skiktet 1 bildar en schottkydiod. En ring 193 av P+-ledande kisel är anordnad runt schottkydiodens rand.Schottkydioden är anordnad i en öppning i skiktet 15.

Vid positiv spänning över tyristorn (B positiv relativt A) får styret 17 positiv spänning via övergången 22-23 (dioden DV i fig 2) och schottky- dioden (SDV i fig 2). MOS-transistorn dimensioneras så att den blir ledande vid önskat ledspänningsfallöver tyristorn, varvid den kortsluter övergången mellan skikten 13 och 14 och bringar tyristorn att slockna.

Avståndet mellan skikten 193 och 15är så valt att den spänning vid vilken spärrskiktet i övergången mellan skikten 1 och 15 penetrerar till skiktet 193 understiger genombrottsspänningen hos styret 17. Härigenom skyddas MOS- transistorn mot höga tyristorspänningar. Skikten 193-1-15 kan uppfattas som en PNP-varistor, vilken är betecknad med VV i fig 2.

Tändström till tyristorn tillförs P-basskiktet 14 via en JFET-transistor med horisontellt kanalområde. Denna betecknas med FETV i fig 2 och visas mera i detalj i fig 3. Skiktet 14 är försett med en öppning 110. Ett närmast ytan beläget skikt 113 av halvledarskivan är N~ledande. Vid randen av skiktet 113 är ett N+-ledande skikt 114 och invid detta ett P+-ledande skikt 115 anordnade. Skiktet 113 är täckt med ett tunt kiseldioxidskíkt 112.

Ovanpå detta och i kontaktxned skikten 114 och 115 är en kontakt 111 anord- nad, vilken via en förbindelse E är ansluten till kontakten 117.

Vid blockspänning över tyristorn (B positiv relativt A) flyter ström från kontakten B via skiktet 21, skikten 22 och 1 (dioden DV i fig 2),öppningen 110, kanaldelen 113, skiktet 114, kontakten 111 och skiktet 115 till tyris- torns P-basskikt 14 (pilarna "i" i fig 3). Strömmen orsakar ett lateralt spänningsfall i kanaldelen 113a, vilket förspänner övergången mellan skiktet 113 och skiktet 14 i spärriktningen. Vid ökande ström breder spärr- 5 azooasz-2 “ skiktet ut sig uppåt i kanalområdet 113a och stryper kanalen mer och mer.

På samma sätt som vid en konventionell JFET-transistor får härigenom kanal- delen 113a en mättnadsström som ej kan överskridas. Denna mättnadsström kan inställas till önskat värde genom lämpligt val av kanalområdets dopning, 5 längd och tjocklek. Mättnadsströmmen ställs in till ett värde som medger säker tändning av tyristorn. Vid de höga värden på tyristorspänningen som kan uppträda när tyristorn släckts med hjälp av fälteffekttransistorn FV U kommer JFET-transistorn att arbeta som en konstantströmkälla och begränsar automatiskt sin ström till ett värde lika med mättnadsströmmen. 10 Vid ett överströmsskydd enligt uppfinningen erhålles härigenom kraftigt reducerade förluster jämfört med tidigare kända överströmsskydd av samma '7'¿ typ. Vidare uppnås en kraftigt förbättrad isolation mellan den drivande I spänningen och skyddsobjektet. Man slipper vidare de komplicerade t ex spiral- eller meanderformade styrströmsbegränsande motstånden vid de 15 tidigare kända överströmsskydden. Detta ärdelsen fördel ur tillverknings- synpunkt, delsundgår man den relativt stora förlust av effektiv area som dessa motstånd medför.

Den ovan beskrivna utformningen av ett överströmsskydd med en JFET-transistor med horisontellt kanalområde för tillförande av tändström till tyristorns 20 styrskikt har vidare den fördelen att skyddets (tyristorns) genombrotte- spänning ej påverkas menligt. Denna effekt accentueras av att kontakten 111, som täcker hela öppningen 110 i P-basskiktet 1Ä, fungerar som fältplatta och förhindrar oregelbundenheter hos fältet vid öppningen.

Vid den i fig 1 och 3 visade JFET-transistordelen kan öppningen 110 vara 25 kvadratisk med en sida pä 20-HO /um. Kanalområdet 113a kan ha samma bredd (20-no I 20-H0 /um från öppningen (åt höger och åt vänster i figurerna). P-bas- um) men en längd som är så mycket större att det sträcker sig ut skiktets 14 tjocklek kan vara 10/um och kanalområdets 113 tjocklek 0,5/um. 14 3 N-basskiktets 1 dopning kan vara 10 om . Skiktet 1H kan alstras genom 30 jonimplantation av bor till en ytkoncentration pä 1013 cm_2 följd av in- diffusion till önskat djup. Kanalområdet 113 alstras genom jonimplantation av fosfor till en ytkoncentration av 3 - 1011 _ 3 - 10 Cm-2- N+-0mPådefi 11ä och P+-området 115 kan därefter alstras genom implantation av lämpliga störämnen. En på detta sätt utformad JFET-sektion får en mättnadsström av 35 storleksordningen något hundratal /uA, vilket kan vara ett lämpligt värde för ett överströmsskydd med en märkström på några hundra milliampere och en märkspänning på nâgra hundratal volt.

Claims (5)

a~s@ossaS-2 p För att få ökad strömhantexfingsförmåga kan ett antal sinsemellan identiska enheter enligt fig 2 integreras i en och samma kiselskiva. PATENTKRAV

1. Tvåpoligt överströmsskydd för inkoppling i en strömförande ledning och innefattande en normalt ledande släckbar tyristor (TV). Tyristorn har en halvledarkropp med i tur och ordning ett första emitterskikt (13), ett första basskikt (14), ett andra basskikt (1) och ett andra emitter- skikt (21, 22). En med tyristorn integrerad MOS-transistor (FV) är paral- lellkopplad med PN-övergången mellan det första emitterskiktet (13) och det första basskiktet (14) och anordnad att, när spänningen över tyristorn överstiger ett förutbestämt värde kortsluta PN-övergången för släckning .°. av tyristorn. Skyddet k ä n n e t e c k n a s av att tyristorn är an- ordnad att tillföras tändström via ett i halvledarkroppen utbildat kanal- område (113a) med en första ledningstyp (N), vilket är anordnat angräns- ande till ett område (14) med motsatt ledningstyp (P) på sådant sätt att vid stigande spänning över tyristorn den genom kanalområdet flytande strömmen begränsas.

2. Överströmsskydd enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att kanalområdet (113a) är anordnat mellan en yta hos halvledarkroppen och nämnda område (14) med motsatt ledningstyp, varigenom strömmen genom kanalområdet kommer att flyta i huvudsak parallellt med nämnda yta.

3. Överströmsskydd enligt något av patentkraven 1 och 2, k ä n n e - t e c k n a d därav, att kanalområdet (113a) har samma ledningstyp (N) som det andra basskiktet (1) och gränsar till detta samt att området av motsatt ledningstyp (14) utgörs av det första basskiktet.

4. Överströmsskydd enligt patentkraven 2 och 3, k ä n n e t e c k n a d därav, att det första basskiktet (14) är försett med en öppning (110), genom vilken det andra basskiktet (1) sträcker sig upp till halvledar- kroppens yta samt av att kanalområdet (113a) är anordnat vid randen av öppningen.

5. - överströmsskydd enligt patentkrav 4, k ä n n e t e c k n a d därav, att ett till det första basskiktet (14) elektriskt anslutet ledande skikt (111) är anordnat på ett över kanalomrâdet (113a) och öppningen (110) an- bringat elektriskt isolerande skikt (112).