CS254968B2 - Radiation-controllable semiconductor element - Google Patents

Description

Vynález se týká polovodičového prvku tyristorového typu řiditelného zářením, například světelným svazkem.

Je známé, že tyristorů se s výhodou užívá jako řízeného usměrňovače pro -ovládání přenosu výkonu v soustavě pro přenos vysokého výkonu, například ve stejnosměrné energetické soustavě nebo podobně. Odborníci doporučují, aby obyčejný tyristor zapínaný elektrickým signálem, přiváděným na řídicí elektrodu, byl nahrazen fototyristorem, zejména v případě měniče energie v soustavě pro přenos výkonu. Taková náhrada je účelná, protože použití fototyristoru ve vysokonapěťovém zařízení pro přeměnu výkonu, kde kapacita a napětí se během let zvětšují, umožňuje provést jednoduchá -opatření proti indiuktivnímu rušení a současně elektrickou izolaci mezi hlavním obvodem a řídicím obvodem. Lze -očekávat, že tímto způsobem bude možné sestrojit velmi malé a· lehké zařízení na přeměnu výkonu.

Protože však světelná energie slouží к zapnutí fototyrist-oru, je slabší než elektrická zapínací energie, je nezbytné zvětšit fotosenzitivitu vlastního fototyristoru, například o několik řádů oproti citlivosti elektricky zapínaného tyristorů, aby bylo možno účinně ovládat jeho provoz. Zvýšení citlivosti fototyristoru na ozáření však způsobuje zhoršení jeho odolnosti proti rušivému napětí, poněvadž snadno dojde к poruše, když na fototyristor přijde z hlavního obvodu rušivé napětí se strmým čelem, například napěťový ráz způsobený bleskem. Kritická strmost růstu napětí v závěrném směru, při které ještě nedojde к chybné funkci tyristoru ani v případě přepětí, se nazývá „stupeň odolnosti dv/dt“. Je známé, že stupeň odolnosti dv/dt lze zlepšit bez zhoršení fotosenzitivy tyristorů tím, že se zmenší plocha fototyristoru citlivá na ozáření a tím se sníží i rušivý proud procházející touto oblastí. Zmenšení fotosenzitivní plochy však má za následek zmenšení oblasti v-odivosti na pracovní charakteristice fototyristoru na začátku zapnutí. V důsledku toho se zmenší stupeň odolnosti di/dt fototyristoru v propustném stavu proti proudu, který má strmé čelo a vzniká na začátku sepnutí. Jedním z důležitých cílů současné techniky je tedy vyvinout fototyristorový prvek s vysokou citlivostí na ozáření, aniž by se zhoršily jeho hlavní charakteristiky dv/dt a di/dt.

Vynález dosahuje tohoto cíle a jeho předmětem je polovodičový prvek řiditelný zářením pro řízení přenosu elektrického výkonu, obsahující hlavní tyristor a řídicí tyristor pro řízení hlavního tyristorů, kde polovodičové vrstvy hlavního tyrist-oru odpovídají první emitorové vrstvy, první a druhé vrstvě báze a druhé emitorové vrstvě, které jsou uspořádány na sobě a jsou střídavě prvníh-o a druhého typu vodivosti, přičemž druhá vrstva báze má první povrchovou oblast, v níž je vytvořena druhá emitorová vrstva, a obnaženou druhou povrchovou ob last, a na druhé emitorové vrstvě a na první povrchové oblasti druhé vrstvy báze, která prochází druhou emitorovou vrstvou, je uspořádána vodivá katoda.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že řídicí tyristor sestává z tyristorových řídicích stupňů s řídicími tyrist-ory, které mají společnou první emitorovou vrstvu a první vrstvu a druhou vrstvu báze s hlavním tyristorem a každý z nich má třetí emitorovou vrstvu stejného typu vodivosti jako druhá emitorová vrstva hlavního tyristorů, vytvořenou na druhé povrchové oblasti druhé vrstvy báze.

Polovodičový prvek podle vynálezu se vyznačuje velkou plochou pro dopad záření, vysokou citlivostí na ozáření a spolehlivou závěrnou schopností i při nárazovém napětí se strmým čelem.

Vynález bude vysvětlen v souvislosti s výkresy, kde značí obr. 1 příčný řez dosavadním fototyristorovým prvkem, obr. 2 ekvivalentní obvod f-ototyristorového prvku z obr. 1, obr. 3 půdorys ve zvětšeném měřítku polovodičového prvku řízeného zářením podle prvního provedení vynálezu, obr. 4 rez vedený rovinou IV—IV na obr. 3, obr. 5 ekvivalentní obvod prvku podle obr. 3, obr. 6 půdorys fototyristorového prvku podle druhého provedení vynálezu, obr. 7 řez vedený rovinou VII—VII na obr. 6, obr. 8 ekvivalentní obvod prvku z obr. 6, obr. 9 charakteristiku znázorňující vzájemný vztah mezi minimálním světelným tokem způsobujícím zapnutí fototyristoru tvořícího první tyristorový řídicí stupeň v prvku z obr. 6 s odporem Rp2 mezi kolektorem a řídicí elektrodou elektricky spínaného tyristorů druhého řídicího stupně a obr. 10 půdorys znázorňující schematicky strukturu tyristorového prvku podle obměněného provedení vynálezu.

Dříve než bude vysvětlen princip vynálezu, bude popsán základní fototyristorový prvek podle dosavadního stavu techniky v souvislosti s obr. 1 a 2. Podle obr. 1 obsahuje polovodičový prvek emitorovou vrstvu 1 typu P, první vrstvu 2 báze typu N a druhou vrstvu 3 báze typu P. Emitorová vrstva 4a vodivosti N⁺ je vytvořena na druhé vrstvě 3 báze typu P, čímž vznikne řídicí fototyristor 5. Druhá vrstva 3 báze je ve střední části emitorové vrstvy 4a řídicího tyristorů 5 obnažena a tvoří fotosenzitivní plochu 6. Na emitorovou vrstvu 4a je napařena kovová elektroda 7a kruhového tvaru.

Koaxiálně s řídicím fototyristorem 5 je vytvořen v· povrchové části druhé vrstvy 3 báze kolem řídicího fototyristoru 6 hlavní tyristor 8. Ve druhé vrstvě 3 báze jsou vytvořeny kruhové emitorové vrstvy 4b vodivosti N⁺, které slouží pro hlavní tyristor 8, jsou soustředné vzájemně a> rovněž s emitorovou vrstvou 4a. Kovová katoda 7b elektricky spojuje emitorové vrstvy 4b a druhou vrstvu 3 báze. Na vnějším obvodu hlav254968 ního tyristoru 8 na druhé vrstvě 3 báze je vytvořena kompenzační elektroda 5 kruhového tvaru, která kompenzuje dv/dt a je připojena ke kovové elektrodě 7a vodičem 10. Anoda 11 ž kovu, například z wolframu, je upravena na emitorové vrstvě 1. Mezi elektrodami 7b a 11 je připojen přes zatěžovací odpor 13 stejnosměrný zdroj 12. Prstencová drážka 14 je vytvořena v povrchu druhé vrstvy 3 báze.

Když na fotosenzitivní plochu 6 fototyristoru dopadá světelný spouštěcí signál hv se zářivým tokem 0, začne protékat fotoelektrický proud Iph zejména v ochuzené vrstvě •na· obou stranách středního přechodu J2 mezi vrstvou 2 báze a vrstvou 3 báze. Fotoelektrický proud Iph teče v bočním směru druhou vrstvou 3 báze, jak znázorňuje přerušovaná čára na obr. 1, a protéká zkratovou sekcí 16 hlavního tyristoru a katodou 7b do vnějšího obvodu, který sestává ze zdroje 12 a zatěžovacího odporu 13. Když se příčný odpor druhé vrstvy 3 báze, kterou protéká fotoelektrický proud Iph, označí jako odpor Ri na obr. 1, je přechod J3 mezi druhou vrstvou 3 báze a emitorovou vrstvou 4a předpjat v dopředném směru v důsledku úbytku napětí VI na odporu Ri. Když je elektrický potenciál na vnitřním obvodu 4a* emitorové vrstvy 4a, kde je předpětí v propustném směru nejnižší, vyšší než difúzní potenciál přechodu J3, začne z vnitřního obvodu 4a‘ proudit do druhé vrstvy 3 báze větší počet elektronů, takže řídicí fototyristor 5 se zapne. Proud Ip v sepnutém stavu protéká do vnějšího obvodu postupně přes emitorovou vrstvu 4a, elektrodu 7a, vodič 10, elektrodu 9, druhou vrstvu 3 báze, zkratovací sekci 16 a katodu 7b. Tento proud Ip tvoří řídicí proud pro hlavní tyristor 8, který na základě tohoto proudu začne vést. Je třeba si všimnout, že fotosenzitivita fototyristoru závisí na velikosti odporu Ri a v podstatě se zvětšuje s jeho zvyšováním.

V případě, že mezi anodu 11 a katodu 7b fototyristorového prvku podle dosavadního stavu techniky přijde rušivé napětí se strmým čelem hlušivý proud Id protéká celou povrchovou plochou přechodů Ji a J2. Složka Idi rušivého proudu, která teče přes kapacitu Ci středního přechodu J2, přímo pod fotosenzitivní plochou 6 protéká prakticky po stejné dráze jako fotoelektrický proud I_pI1. Složka I_d2 rušivého proudu, která teče přes kapacitu C2 na obvodu středního přechodu J2 přímo pod kompenzační elektrodou 9, protéká dále další zkratovací sekcí 16‘ hlavního tyristoru 8. Tento stav lze popsat na základě ekvivalentního obvodu podle obr. 2. Úbytek napětí Vj diody Dl, která sestává z emitorového řídicího stupně А, В s řídicími tyristory 38—1, 38—2, 38—3. První řídicí stupeň A obsahuje jako řídicí tyristor fototyristor 38—1, sestávající z prstencové třetí emitorové vrstvy 30b vodivosti N⁺, která je vytvořena ve třední části druhé vrstvy 26 báze, na níž je vytvořen emitor 40.

Druhá vrstva 26 báze obklopená prstencovou druhou emitorovou vrstvou 30b slouží jako fotosenzitivní plocha 6 pro příjem světelného signálu hv. Druhý a třetí řídicí tyristor 38—2 a 38—3, které tvoří druhý řídicí stupeň В a jsou umístěny po obou stranách fototyristoru 38—1, jsou tyristory řízené elektrickým signálem. Druhá emitor ová vrstva 30c, 30d druhého a třetího* řídicího tyristoru 38—2, 38—3 je vytvořena v povrchu druhé vrstvy 26 báze a má v podstatě obdélníkový tvar. Emitory 42, 44 řídicích tyristorů 38—2, 38—3 jsou z kovu ai jsou upraveny na třetích emitorových vrstvách 30c, 30d a řídicí elektrody 40, 48 jsou vytvořeny na obdélníkových obnažených plochách 50, 52 druhé vrstvy 26 báze, které jsou obklopeny druhými emitorovými vrstvami 30c, 30d.

К elektrickému spojení prstencového emitoru 40 fototyristoru 38—1, který tvoří první řídicí tyristorový stupeň A, a řídicí elektrody 46 elektricky spínaného tyristoru 38—2 druhého řídicího stupně В slouží první vodič 54. Druhý vo-dič 56 elektricky spojuje emitor 42 tohoto elektricky spínaného tyristoru 38—2 s řídicí elektrodou 48 druhého elektricky spínaného tyristoru 38—3 vrstvy 4a řídicího tyristoru 5 a druhé vrstvy 3 báze, lze vyjádřit jako rozdíl:

Vj = VT — V/, kde VT a V2⁴ jsou napětí na odporech Ri a R2 z obr. 1, přičemž R2 je naznačeno dvěma sériovými odpory R2^ť a R2“.

Teprve, když napětí Vj překročí difúzní, nebo-li vlastní potenciál přechodu J3, sepne se řídicí fototyristor 5. Když se v tomto základním fototyristorovém prvku vytvoří odpor R2 velký za účelem zmenšení hodnoty napětí Vj, je obtížné uvést řídicí tyristor 5 do propustného stavu, když je přiloženo rušivé napětí, takže stupeň odolnosti dv/dt řídícího tyristoru 5 lze zlepšit nezávisle na odporu Ri.

V běžném tyristorovém prvku však existuje další problém spočívající v tom, že zvětšení hodnoty odporu R2 způsobuje zvětšení citlivosti hlavního tyristoru 8 na světelný signál a snižuje jeho stupeň odolnosti dv/dt. Jak je patrné z ekvivalentního obvodu na obr. 2, je odpor R2 součtem odporu R2^l druhé vrstvy 3 báze přímo pod drážkou 14 na obr. 1 a odporu R2“ druhé vrstvy 3 báze pod emitorovou vrstvou 4b hlavního tyristoru 8. Předpětí na přechodu J3 mezi emitorovou vrstvou 4b a druhou vrstvou 3 báze je dáno velikostí odporu R2“.

Když se tedy drážka 14 vytvoří hluboká a odpor R/ velký, aby se zvětšil odpor R2, lze fotosenzitivitu řídicího fototyristoru 5 zvětšit, aniž by se zmenšil stupeň odolnosti dv/dt hlavního tyristoru 8. Protože však cit livost hlavního tyristorů 8 na řídicí signál je malá, hlavní tyristor 8 nezbytně zapne s určitým zpožděním po zapnutí řídicího tyrístoru 5. Proud v propustném stavu na začátku spuštění světlem je koncentrován na řídicím fototyristoru 5 a podstatně snižuje stupeň odolnosti di/dt.

Jak bylo uvedeno, lze v běžném fototyristorov.ém prvku fotosenzitivitu zlepšit bez zhoršení stupně odolnosti dv/dt nebo di/dt, avšak jen v omezené síle. V důsledku toho nelze fototyristorovým prvkem podle dosavadního stavu techniky dosáhnout cíle vytčeného vynálezem.

Na obr. 3 je znázorněno první provedení polovodičového prvku podle vynálezu a obrázek 4 je řez vedený rovinou IV—IV na obr. 3. V podstatě kotoučové polovodičové těleso 20 je vytvořeno tím, že jsou na sobě umístěny první emitorová vrstva 22 typu P, první vrstva 24 báze typu N a druhá vrstva 26 báze typu P. Anoda 28 z kovu nebo jiného vodivého materiálu je upravena na první emitorové vrstvě 22.

Na obvodu druhé vrstvy 26 báze je vytvořeno několik druhých emitorových vrstev 30a typu N⁺, které jsou vzájemně elektricky spojeny katodovou vrstvou 34 hlavního tyristorů 32, vytvořenou na druhé vrstvě 26 báze. Jak je jasně patrno z -obr. 3, je ve střední části katodové vrstvy 34 vytvořen v podstatě obdélníkový otvor 35, ve kterém je na druhé vrstvě 26 báze vytvořena kolektorová vrstva 36, obklopující druhého řídicího stupně B, jehož emitor 44 je elektricky spojen s emitorem 40 fototyristoru 38—1 třetím vodičem 58. Polovodičový prvek má anodový vývod 60 a katodový vývod 62.

Obr. 5 ukazuje ekvivalentní obvod popsaného polovodičového prvku včetně příčných ekvivalentních odporů Ri, R2, R3 druhé vrstvy 26 báze a ekvivalentních kapacit Cl, C2, Сз mezi druhou vrstvou 26 báze typu P a první vrstvou 24 báze typu N. Dioda Dl na obr. 5 je tvořena třetí emitorovou vrstvou 30b fototyristoru 38—1 a druhou vrstvou báze 26. Diody D2, D3 obsahují každá druhou emitorovou vrstvu 30c, 30d elektricky spínaných tyristorů 38—2, 38—3 druhého řídicího stupně В a druhou vrstvu 26 báze typu P.

Když se к anodovému vývodu 60 připojí kladné a ke katodovému vývodu 62 záporné napětí a současně se ozařuje světelným signálem hv fototyristor 38—1, začne jím protékat fotoelektrický proud I_ph v podstatě ve střední části přechodu J2 mezi první vrstvou báze 24 a druhou vrstvou báze 26. Jak ukazuje obr. 4, teče tento fotoelektrický proud I_ph druhou vrstvou 26 do stran, potom protéká kolektorovou vrstvou 36 do zkratovací sekce 64 mezi druhou vrstvou 26 báze a katodou 34 a přichází pad do katody 34, jak znázorňuje šipka 66 na obr. 4.

Fotoelektrický proud I_ph vyvolává úbytek napětí Vi na ekvivalentním odporu Ri ve druhé vrstvě 26 báze v oblasti fototyristoru 38—1. To způsobí, že třetí emitorová vrstva 30b vodivosti N⁺ fototyristoru 38—1 dostane předpětí v propustném směru. Když se nejnižší hodnota tohoto dopředného předpětí blíží hodnotě vlastního potenciálu přechodu J2 mezi třetí emitorovou vrstvou 30b typu N⁺ a druhou vrstvou 26 báze typu P, množství elektronů přecházejících z třetí emitorové vrstvy 30b do druhé vrstvy 26 báze se rychle zvětšuje a nakonec fototyristor 38—1 zapne. Jeho proud pak teče přes první vodič 54 do řídicí elektrody 46 elektricky spínaného tyristorů 38—2 druhého stupně B, který se potom sepne, a v důsledku toho začne vést i druhý elektrický spínaný tyristor 38—3 druhého stupně B. Jeho proud dále protéká přes třetí vodič 58 a první vodič 54 do řídicí elektrody 46 tyristoru 38—2 a odtud přes kolektorovou vrstvu 36 a zkratovací sekci 64 ke katodě 34. Tento proud slouží jako řídicí proud hlavního tyristorů 32, který v důsledku tohoto proudu sepne.

V případě, kdy se mezi anodový vývod 60 a katodový vývod 62 popsaného tyristorového prvku připojí abnormální rušivé napětí a vlnovým průběhem, který rychle narůstá, tedy s vysokým poměrem dv/dt, protéká téměř celou oblastí druhé vrstvy 26 báze rušivý proud. V důsledku tohoto rušivého proudu vzniknou rozdílová napětí Vi, V2, V3 na ekvivalentních odporech Ri, R2, R3 druhé vrstvy 26 báze v oblastech tyristorů 38—1, 38—2, 38—3 stejně, jako tomu bylo v důsledku fotoelektrického proudu.

Napětí V2 působící v bočním směru ve druhé vrstvě 26 báze v oblasti prvního elektricky spínaného tyristorů 38—2 přijde na třetí emitorovou vrstvu 30b fototyristoru 38—1, která je spojena s řídicí elektrodou 46 přes emitor 40 a první vodič 54. V důsledku toho' je předpětí druhé emitorové vrstvy 30b fototyristoru 38—1 rovné rozdílovému napětí V_H mezi napětím Vi a V2.

Z analogického důvodu je předpětí třetí emitorové vrstvy 30c prvního· elektricky spínaného tyristorů 38—2 dáno rozdílovým napětím V_J2 mezi napětím V2 a V3, a předpětí třetí emitorové vrstvy 30d druhého elektricky spínaného tyristorů 38—2 je dáno rozdílovým napětím V_j3 mezi napětími V3 a V2. Stupeň odolnosti dv/dt prvního až třetího řídicího tyristorů 38—1, 38—2, 38—3 je dán rozdílovými napětími V_jb V_j2, V_j3.

Když se každé předpětí Vj přiblíží hodnotě potenciálové bariéry na přechodu P—N příslušného tyristorů. začne rychle vzrůstat pohyb elektronů z druhé emitorové vrstvy 30a vodivosti N⁺ do druhé vrstvy 26 báze typu P, takže každý řídicí tyristor se sepne působením dv/dt. Žádný z nich však nezapne snadno, protože hodnota každého ze tří předpětí Vj ]e podstatně nižší než vlastní potenciál na přechodu mezi třetí emito254968 rovnu vrstvou 30b, 30c, 30d a druhou vrstvou 26 báze.

To znamená, že když je к polovodičovému prvku přiloženo abnormální napětí s velkým dv/dt a tedy se strmým čelem, řídicí tyristorové stupně А, В nezapnou snadno a nesníží se stupeň odolnosti dv/dt. Tento účinek lze podpořit vhodnou volbou geometrického tvaru řídicích tyristorů 38—1, 38—2, 33—3 a odporu druhé vrstvy 26 báze typu P, takže napětí Vi, V2, V3 se vzájemně rovnají. Protože velikost fotosenzitivní plochy 6 fototyristoru 38—1, který tvoří první řídicí stupeň A, se dá snadno zvětšit ve srovnání s běžným fototyristorem, lze citlivost na řídicí signál rovněž zlepšit.

Podle vynálezu lze tedy zvětšit citlivost každého řídicího tyristorů na řídicí signál, aniž by se zmenšil stupeň odolnosti dv/dt, a mimoto lze průměr fotosenzitivní plochy 6 zvětšit dvojnásobně až trojnásobně oproti běžnému fototyristoru. V důsledku toho se citlivost tyristorů druhého řídicího stupně В na řídicí signál také zvětší, což má za následek snížení koncentrace proudu do fototyristoru a tedy zvětšení stupně odolnosti di/dt. .

Účinnost světelné vazby mezi fotosenzitivní plochou 6 a soustavou vysílající světlo se rovněž zlepší, čímž se sníží budicí proud fotoluminiscenční diody. To znamená, že se dosáhne podstatného zlepšení .fotosenzltivity za předpokladu, že stupeň odolnosti dv/ /dt je ekvivalentní.

Na obr. 6 a 7 je znázorněno druhé provedení vynálezu. Pro stejné části a součásti jako v prvním provedení je ipoužito stejných vztahových značek a pro zjednodušení nebude jejích popis opakován.

Podle obr. 6 má katoda 34 hlavního tyristoru 32, vytvořená na druhé vrstvě 26 báze typu P polovodičového tělesa 20, křížový otvor 100 a v něm je s mezerou od okrajů na druhé vrstvě 26 báze vytvořena kolektorová vrstva 102 rovněž křížového tvaru. Kolektorová vrstva 102 má kruhový otvor 104 ve střední části a obdélníkové otvory 106—1, 106—2, 106—3 a 108 ve čtyřech rozích.

Obdélníkový otvor 103 je menší než ostatní otvory 106—1, 106—2, 106—8. Na druhé vrstvě 26 báze je vytvořen fototyristor 110—1 a elektricky spínané tyristory 110—2, 110—3, 110—4, 110—5 obklopené •tyristorovou vrstvou 102. Fototyristor 110—1, který tvoří první řídicí stupeň A, je vytvořen na části kruhového otvoru 104 kolektorové vrstvy 102. Elektricky spínané tyristory 110—2, 110—3, 110—4, 110—5, tvořící druhý řídicí stupeň B, jsou vytvořeny na otvorech 106—1, 106—2, 106—3, 108 kolektorové vrstvy 102.

Obr. 7 znázorňuje příčný řez vedený rovinou VII—VII na obr. 6. Fototyristor 110—1 má kruhovou třetí enhtorovou vrstvu 112—a typu N⁺ v povrchové části druhé vrstvy 26 báze v kruhovém otvoru 104 a na ní emitor 114. Sekce druhé vrstvy 26 báze obklopená prstencovou třetí emitorov-ou vrstvou 112—a typu N⁺ odpovídá fotosenzitivní ploše 6 fototyristoru. První tyristor 110—2 druhého řídicího stupně В zahrnuje obdélníkovou uzavřenou třetí emitorovou vrstvu 112—b typu N⁺ vytvořenou ve druhé vrstvě 26 báze, obdélníkový uzavřený emitor 116, vytvořený na třetí emitorové vrstvě 112—b a řídicí elektrodu 118 vytvořenou na druhé vrstvě 26 báze v oblasti obklopené třetí emitorovou vrstvou 112—b.

Druhý a třetí řídicí tyristor 110—3 a 110—4 druhého řídicího stupně В mají podobnou stukturu. Čtvrtý řídicí tyristor 110—5 druhého stupně В obsahuje třetí emitorovou vrstvu 112—c typu N ⁺ , která má v podstatě stejný rozměr jako třetí emitorová vrstva 112—b typu N⁺ prvního až třetího řídicího tyristorů 110—2, 110—3, 110—4 druhého stupně В a řídicí elektrodu 20 vytvořenou na oblasti druhé vrstvy 26 báze obklopené touto třetí emitorovou vrstvou 112—c. Jeho emitor je vytvořen vcelku s kolektorem 102 a užívá se společně.

Vodič 122, například hliníkový nebo platinový drát, spojuje emitor 114 fototyristoru 110—1 a řídicí elektrodu 118 prvního' tyristoru 110—2, druhého stupně B, jehož emitor 116 je spojen s řídicí elektrodou 124 druhého tyristorů 110—3 vodičem 126. Emitor 128 druhého tyristorů 110—3 je spojen vodičem 132 s řídicí elektrodou 130 třetího tyristorů llíl—4, jehož emitor je spojen s řídicí elektrodou 120 čtvrtého· tyristorů 110—5 druhého řídicího stupně В vodičem 134.

V důsledku takového spojení jsou řídicí tyristory 110—1 až 110—5 zapojeny v podstatě do série, jak je patrné z ekvivalentního obvodu podle obr. 8, a každá řídicí elektroda je elektricky připojena к emitoru předchozího řídicího tyristorů. Každý řídicí tyristor 110—2, 110—3, 110—4, 110—5 druhého stupně В dostává spínací proud z předchozího tyristorů jako řídicí proud a pak postupně začíná vést.

V ekvivalentním obvodu podle obr. 8 jsou odpory Ri až Rs odpory, které leží v podélném směru ve druhé vrstvě 26 báze v oblasti každého z řídicích tyristorů 110—1 až 110—5. Kapacity Cl až Cs jsou kapacity v úseku mezi první vrstvou 24 s vodivostí P a druhou vrstvou 26 s vodivostí N báze, které leží v oblasti každého z řídicích tyristorů 110—1 až 110—5. Diody Di až Ds vznikají přechodem P—N v oblasti každého z řídicích tyristorů.

C_M a R_M je kapacita a odpor v oblasti hlavního tyristorů 32, přes kterou teče rušivý proud do zkratové sekce 64 hlavního tyristorů 32. Na obr. 8 značí bod A fotosenzitivní plochu 6 a body В až F značí řídicí elektrody řídicích tyristorů. Body Hi až H5 odpovídají kolektorovým vrstvám 102.

Když na fototyristor 110—1, který tvoří první stupeň A, dopadá světelný řídicí sig254968 nál hv, fotoelektrický proud I_ph teče od druhé vrstvy 26 báze přes kolektorovou vrstvu 102 a zkratovou sekci 64 postupně ke katodě 34 stejným způsobem jako v případě prvního provedení. Fotoelektrický proud I_Ph vyvolá úbytek napětí Ví na ekvivalentním odporu Ri druhé vrstvy 26 báze v oblasti prvního fototyristoru 110—1, které tvoří předpětí v propustném směru pro jeho třetí emitorovou vrstvu 112—a typu N⁴. Když nejnižší hodnota předpětí v propustném směru se přiblíží hodnotě difúzního potenciálu na přechodu mezi třetí emitorovou vrstvou 112—a typu N⁺ -a< druhou vrstvou 26 báze typu P, zvýší se rychle množství elektronů přecházejících z emitorové vrstvy 112—a do druhé vrstvy 26 báze a tím fototyristor 110—1 zapne.

Proud protékající fototyristorem 110—1 přichází jako řídicí proud přes vodič 122 na řídicí elektrodu 118 prvního elektricky spínaného tyristoru 110—2 druhého řídicího stupně B, který se tedy rovněž otevře. Postupně se zapínají stejným způsobem další tyristory 110—3, 110—4, 110—5. Proud z posledního tyristoru 110—5 ve druhém řídicím stupni В protéká přes kolektorovou vrstvu 102 a zkratovou sekci 64 ke katodě 34. Protože tento proud slouží jako řídicí proud pro hlavní tyristor 32, hlavní tyristor 32 se konečně zapne.

Ke zlepšení fotosenzitivity nebo-li citlivosti na řídicí signál fototyristoru je podle vynálezu boční odpor Ri druhé vrstvy 26 báze přímo pod emitorovou vrstvou 112—a fototyristoru 110—1 zvýšen a současně je snížena hodnota odporu Rp₂ mezi řídicí elektrodu 116 prvního řídicího tyristoru 110—2 druhého stupně В a kolektorovou vrstvou 102.

Obr. 9 ukazuje vztah mezi minimálním světelným výkonem pro zapnutí fototyristoru 110—1 a hodnotou odporu R_p2 a představuje charakteristiku vytvořenou na základě dat získaných experimentálně v rámci vynálezu. Jak je z grafu patrné, když je hodnota odporu R_P2 100 ohmů (Ω), minimální světelný výkon 0* rychle vzrůstá a fotosenzitivita klesá. Je to z toho důvodů, že část fotoelektrického proudu I_nh teče do kolektorové vrstvy 102 přes třetí emitorovou vrstvu 112—a, vodič 122, řídicí elektrodu 118 elektricky spínaného tyristoru 110—2 a druhou vrstvu 26 báze, ležící pod jeho třetí emitorovou vrstvou 112—b, takže mezi kolektorovou vrstvou 102 a řídicí elektrodou 118 vzniká závěrné předpětí pro třetí emitorovou vrstvu 112—b elektricky spínaného tyristoru 110—2.

Je tedy možné zlepšit fotosenzitivitu zmenšením hodnoty odporu R_p2 a snížením jím vyvolaného závěrného předpětí třetí emitorové vrstvy 112—b.

Když se mezi anodu 28 a katodu 34 takového tyristorového prvku připojí abnormální napětí, lze tento pochod popsat v souvislosti s ekvivalentním obvodem na obr. 8.

OznačLli se J_d hustota proudu protékajícího každou kapacitou Cl až Cs a C_M přechodů, pak napětí Vi až Vs na odporech Ri až Rs při vzniku rušivého proudu v důsledku abnormálního přiloženého napětí jsou v [podstatě úměrná proudové hustotě J_d. Odpor lze tedy vyjádřit rovnicí

Ri = Ví/Ju (1) kde j = 1, 2......,5.

Maximální hodnoty předpětí V12, V23, V34, V15 a Vs v propustném směru tyristorů 110—1 až 110—5 jsou rovné napětím na diodách Dl až Ds (obr. 8), a jsou vyjádřeny následujícími rovnicemi:

V12 = Vi — V2 = (Ri —R2) . Cj. dv/dt(2)

V23 = V₂ — Vs = (R2 — Из) . Cj . dv/dt(3)

V34 = V3 — V4 = (R3 — R4) . Cj. dv/dt(4)

V45 = V4 — Vs = (R4 — Rs) . Cj. dv/dt(5)

Vs = Rs . Cj. dv/dt(6) kde Cj . dv/dt = J_d a Cj je kapacita přechodu.

Když hodnoty V12, V23, V34, V45, Vs dosáhnou úrovně difúzních potenciálů diod Di až Ds, zvýši se rychle přechod elektronů z každého řídicího tyristoru a ten řídicí tyristor, jehož předpětí překročí difúzní potenciál jako první, zapne při dv/dt.

Hodnoty Ri až Rs jsou zvoleny tak, aby hodnoty napětí V12, V23, V34, V45 byly menší nebo rovné napětí Vs. Když jsou rovné napětí Vs, dostaneme následující rovnosti:

Rs = R4—Rs = R3—R4 = R2—R3 = Ri—R2, z nichž vyplývá vztah Rs = R4/2 = R3/3 = = R2/4 = Ri/5. Aby se vyhovělo uvedené podmínce, musejí být hodnoty Ri až Rs zvoleny tak, aby vyhovovaly alespoň následujícím vztahům Rs R4/2, Rs ž R3/3, Rs ž R2/4 a Rs Ri/5.

Jak vyplývá z předchozího, je podle vynálezu nezbytné zabránit snížení fotosenzitivy tím, že se nastaví hodnota odporu mezi řídicí elektrodou 118 prvního řídicího tyristoru 110—2 druhého stupně В a kolektorovou vrstvou 102 na hodnotu 100 ohmů nebo menší. Odpor R2 závisí na šířce třetí emitorové vrstvy 112—b typu N⁺ druhého řídicího tyristoru 110—2, hodnota odporu mezi řídicí elektrodou 118 a kolektorovou vrstvou 102 se dá zmenšit zvětšením délky třetí emitorové vrstvy 112—b. Lze tedy realizovat podmínky pro Ri až Rs a podmínky ipro velikost odporu mezi kolektorem 102 a řídicí elektrodou 118, aniž by se vzájemně rušily.

Při popsané konstrukci je stupeň odolnosti dv/dt dán činným odporem R_n druhé vrstvy báze 26 posledního tyristoru 110—5 druhého stupně B. Podle tohoto provedení s pěti řídicími tyristory lze Rg určit tak, aby vyhovoval hodnotě dv/dt podle předem stanovených specifikací. Současně lze odpor Ri zvětšit až na pětinásobnou hodnotu proti odporu R5. Je-li žádoucí zvětšit průměr fotosenzitivní plochy 6, aby se zvýšila fotosenzitivita fototyristoru 110—1 a zlepšila účinnost světelné vazby se soustavou přenášející světelný signál, je obecně nezbytné, aby odpor Ri byl velký. Podle vynálezu lze Rl snadno zvýšit, aniž by se snížil stupeň odolnosti dv/dt, takže lze značně zlepšit jak fotosenzitívitu, tak účinnost světelné vazby. Při pokusu s běžným fototyristorovým prvkem na napětí 4 Kv, kcly průměr d fotosenzitivní plochy fototyristoru 110—1 se rovná 1,5 mm0, je dv/dt = 1 500 V/,«s a minimální světelný spínací výkon 0* = 4 rnw. Pro foLotyristorový prvek podle vynálezu s pěti řídicími tyristory lze dosáhnout spínacího světelného' výkonu 0* = 2 yíi\n. Při použití vynálezu za stejných podmínek, tedy ipři 0* — 4 mw, mohl být průměr fotosenzitivní plochy oproti, běžnému zařízení zdvojnásoben na d = 3 mni. Porovnává-li se systém pro přenos světelného signálu se světelnými vlákny o průměru 1,5 mm ve svazku se systémem s optickými vlákny o průměru 3 mm, pak v případě, že světelným zdrojem je elektroluminiscenční dioda, zlepší se výstupní světelný signál této diody a účinnost světelné vazby optických vláken troj- nebo vícenásobně. V každém případě lze podstatně snížit budicí proud fotoluminisc-enční diody. Protože velikost budicího proudu fotoluminiscenční diody má velký vliv na její životnost, lze použitím vynálezu podstatně zlepšit spolehlivost celého zařízení. Tyristorový prvek spínaný světelným signálem, vytvořený podle vynálezu, je velice účinný, zejména při zapojení jako tyristorový ventil při přenosu stejnosměrného výkonu, kde se vyžaduje vysoká spolehlivost přepínání. Když se zvětší průměr fotosenzitivní plochy, existuje obecně tendence ke zvyšování svodového proudu vznikajícího v této oblasti a ke snížení odolnosti při vysokých teplotách. Protože však podle vynálezu teče svodový proud po stejné dráze jako rušivý proud, je tyristorový prvek podle vynálezu rovněž účinný v. tom, že znemožňuje chybné sepnutí vyvolané svodovým proudem. Lze tedy realizovat tyristor s vynikajícími napěťovými charakteristikami při vysokých teplotách.

Kromě toho lze v důsledku vytvoření kolektorových vrstev dosáhnout ještě dalších výhod. Jak ukazuje obr. 2, jsou podle dosavadního stavu techniky odpory Ri a R2 elektricky spojeny katodou 7b a napětí vznikající na odporu Ri v důsledku rušivého proudu je kompenzováno napětím na odporu Rs, čímž se zlepší stupeň odolnosti dv/dt. Když se však má zabránit poklesu stupně odolnosti dv/dt hlavního tyristoru 8, nezbytně se zmenší stupeň odolnosti di/dt. Naproti tomu podle vynálezu jsou odpory Ri až Rs a Rm elektricky spojeny přes kolektorovou vrstvu 1G2 a tady počet řídicích tyristorů lze jednoduše zvýšit. Proud teče na začátku fáze vedení přes fototyristor 110—1 a snižuje se úměrně к počtu řídicích tyristorů v dalších stupních. Tyristorový prvek podle vynálezu tedy snižuje koncentraci proudu na fototyristoru 110—1. Kromě toho lze fotosenzitivní plochu jednoduše zvětšit, aniž by se snížila hodnota stupně odolnosti dv/dt, a fotosenzitivita.

V důsledku se zvětší počáteční oblast sepnutí a proudová hustota v sepnutém stavu na začátku vedení proudu se podstatně zmenší. Z těchto důvodů vynález značně zvyšuje hodnotu stupně odolnosti di/dt ve srovnání s dosavadním zařízením. Podle výsledků získaných s tyristorovým prvkem vyrobeným na experimentálním základě bylo možno podle vynálezu dosáhnout velikosti di/dt větší nebo rovné 600 A, což je dvakrát až třikrát lepší než u běžného tyristoru.

Obr. 10 znázorňuje půdorys obměněného provedení předchozích příkladů, přičemž hranice přechodů P—N, které jsou viditelné mezi jednotlivými elektrodovými vrstvami, jsou pro jasnost vynechány. Tento tyristorový prvek obsahuje první řídicí stupeň A s fototyristorem 209, druhý řídicí stupeň В sestávající ze tří elektricky spínaných tyristorů 202—1, 202—2, 203—3 a třetí řídicí stupeň C sestávající rovněž ze tří elektricky spínaných tyristorů 204—1, 204—2, 204—3.

Prstencový emitor 206 fototyristoru 200 má fotosenzitivní plochu 207 ve střední části druhé vrstvy 26 báze typu P polovodičového tělesa 20. Emitor 206 má na· -obvodu tři výstupky 208a, 208b, 208c, které vyčnívají radiálně ven a mají mezi sebou úhel 120°. Tři elektricky spínané tyristory 202—1, 202—2, 202—3 tvořící druhý řídicí stupeň В jsou umístěny v prodloužení těchto výstupků 208a, 208b, 208c a každý z nich má emitor 210—1, 210—2, 210—3 obdélníkového tvaru a řídicí elektrodu 212—1, 212—2, 212—3 vytvořenou na povrchu druhé vrstvy 26 báze (obr. 4 až 7) tak, že jsou uzavřeny v emitorech.

Protože třetí emitorová vrstva typu Ν^ψ každého z tyristorů 202—1, 202—2, 202—3 je vytvořena v podstatě stejným způsobem jako v předchozích případech, není ani popsána ani znázorněna. Elektricky spínané tyristory 204—1, 204—2, 204—3, které tvoří třetí řídicí stupeň C a mají řídicí elektrody 205—1, 205—2, 205—3, jsou vytvořeny v místech odpovídajících mezerám mezi výstupky 208a, 208b, 203c v emitoru 206 fototyristoru 200.

Na obr. 10 je řídicí tyristor 204—1 třetího řídicího stupně C umístěn mezi řídicími tyristory 202—1 a 202—2 druhého řídicího stupně В a ostatní jsou postupně označeny 204—2, 204—3 ve směru proti pohybu hodinových ruček. Každý emitor 210—1,, 210—2,

210—3 má nástavec 214 u okraje v blízkosti emitoru 206 fototyristoru 200 к připojení vodiče.

Kolektorová vrstva 220 upravená na druhé vrstvě 26 báze typu P polovodičového tělesa 20 obklopuje tyristory všech řídicích tyristorových stupňů А, В, C a za tyristory 204—1 až 204—3 se směrem к okrajům polovodičového tělesa 20 rozvětvuje na dvě strany. Kolektorová vrstva 220 slouží jako společné emitory pro všechny tři tyristory

204— 1 až 204—3 třetího řídicího stupně C stejně jako ve druhém provedení podle obrázku 6. Katoda 34 hlavního tyristoru 32 obklopuje na druhé vrstvě 26 báze kolektorovou vrstvu 220 tohoto speciálního tvaru.

Vodiče 224, například hliníkové, jsou připojeny známou technologií mezi výstupky 208a, 208b, 208c fototyristoru 200 a řídicí elektrody 212—1, 212—2, 212—3 tyristoru 202—1, 202—2, 202—3 druhého řídicího stuipně B. Současně jsou třemi vodiči 226 spojeny výstupky 214 emitorů 210—1, 210—2, 210—3 elektricky řízených tyristorů 202—1 až 202—3 druhého řídicího stupně В s řídicími elektrodami 205—1, 205—2,

205— 3 elektricky řízených tyristorů 204—1, 204—2, 204—3 třetího řídicího stupně C.

Fototyristor 200, tyristory 202—2 až 202—3 druhého řídicího stupně B, tyristory 204—1 až 204—3 třetího řídicího stupně C a hlavní tyristor 32 jsou vytvořeny v krystalografické rovině <1 1 1> křemíkového tělesa 20. Obvodové podélné strany třetích emitorových vrstev typu N⁺ a kolektorů 40 každého řídicího tyristoru jsou vytvořeny ve směrech:

[0 1 í], [0 1 1], [1 1 0], [1 1 0], [1 0 Ϊ] a (Ϊ 0 1] krystalografických os. Polovina obvodových stran každé třetí emitorové vrstvy N⁺ a kolektoru 4D je ve směru:

[0 Ϊ 1], [1 í 0] a [1 0 Ϊ] krystalografických os, přičemž krystalografické osy v těchto směrech jsou vhodné к udržení vodivé oblasti na začátku spínání a tím zajišťují sepnutí. V tomto obměněném provedení vynálezu se tedy dosáhne nejen popsaných účinků, nýbrž je rovněž možné zlepšit pracovní charakteristiku. Kromě toho délky vodičů spojujících příslušné řídicí tyristory jsou kratší ve srovnání s předchozími provedeními, což zlepšuje spolehlivost zařízení.

Třebaže vynález je znázorněn a byl popsán v souvislosti se speciálními provedeními, lze v jeho rámci provést nejrůznější obměny. V příkladech byl popsán fototyristor, vynález lze však aplikovat i na elektricky spínaný tyristor, jehož řídicí elektroda je vytvořena v. oblasti fotosenzitivní plochy. Tvary a uspořádání řídicích tyristorů se může měnit podle požadovaných specifikací. Konečně lze několik řídicích tyristoru uspořádat tak, aby byly obklopeny kolektorem vytvořeným na druhé vrstvě báze typu P, čímž se postupně elektricky připojuje společná třetí emitorová vrstva typu N* к řídicí elektrodě každého řídicího tyristoru.

Claims (6)

1. Polovodičový prvek řiditelný zářením pro řízení přenosu elektrického výkonu, obsahující hlavní tyristor a řídicí tyristor pro řízení hlavního tyristoru, kde polovodičové vrstvy hlavního tyristoru odpovídají první emitorové vrstvě, první a druhé vrstvě báze a druhé emitorové vrstvě, které jsou uspořádány na sobě a jsou střídavě prvního a druhého typu vodivosti, přičemž druhá vrstva báze má první povrchovou oblast, v níž je vytvořena druhá emitorová vrstva, a obnaženou druhou povrchovou oblast, a na druhé emitorové vrstvě a na první povrchové oblasti druhé vrstvy báze, která prochází druhou emitorovou vrstvou, je uspořádána vodivá katoda, vyznačený tím, že řídicí tyristor sestává z tyristorových řídicích stupňů (А, В, C) s řídicími tyristory (38—1 až 38—3, 110—1 až 110--5, 200, 202—1 až 202—3, 204—1 až 204—3), které mají společnou první emitorovou vrstvu (22) a první vrstvu [24] a druhou vrstvu (26) báze s hlavním tyristorem (32) a každý z nich má třetí emitorovou vrstvu (30b, 30c, 30d, 112—a, až 112—c) stejného typu vodivosti jako druhá emitorová vrstva (30a) hlavního tyristoru (32), vytvořenou na druhé povrchové oblasti (26b) druhé vrstvy (26) báze.

2. Polovodičový prvek podle bodu 1, vyznačený tím, že první tyristorový řídicí stupeň (A) obsahuje fototyristor (38—1,110—1, 200) pro řízení hlavního tyristoru (32), kde třetí emitorová vrstva (30b, 112a) má tvar ploché uzavřené smyčky a ohraničuje na druhé povrchové oblasti (26b) druhé vrstvy (26) báze plochu (6, 207) pro příjem záření.

3. Polovodičový prvek podle bodů 1 a 2, vyznačený tím, že v tyristorových řídicích stupních (В, C) následujících za prvním tyristorovým řídicím stupněm (A) s fototyristorem (38—1, 110—1, 200) je uspořádán nejméně jeden elektricky spínaný tyristor

254958 (38—2, 38—3, 110—2 až 110—5, 202—1 až 202—3, 204—1 až 204—3), jehož třetí emitorová vrstva (30c, 30d, 112—b, 112—c) ve tvaru uzavřené smyčky ohraničuje na druhé povrchové oblasti (26b) druhé vrstvy (26) báze hradlovou oblast tohoto elektricky spínaného tyristoru (38—2, 38—3, 110—2 až 110—5, 202—1 až 202—3, 204—1 až 204—3).

4. Polovodičový prvek podle bodu 3, vyznačený tím, že elektricky spínané tyristory (38—2, 38—3, 110—2 až 110—5, 202—1 až 202—3, 204—1 až 204—3) jsou zapojeny do série.

5. Polovodičový prvek podle bodů 3 a 4, vyznačený tím, že na druhé povrchové oblasti (26b) druhé vrstvy (26) báze je uspořádána vodivá kolektorová vrstva (36, 102,

220), která je s ní v elektrickém kontaktu a je elektricky oddělena od katodové vrstvy (34) a od třetích emítorových vrstev (30b, 30c, 30d, 112—a až 112—c) řídicích tyristorů (38—1 až 38—3, 110—1 až 110—4, 200, 202—1 až 202—3).

6. Polovodičový prvek podle bodů 3 a 4, vyznačený tím, že na druhé povrchové oblasti (26b) druhé vrstvy (26) báze je uspořádána vodivá kolektorová vrstva (102, 220), která je v elektrickém kontaktu se druhou povrchovou oblastí (26b) druhé vrstvy (26) báze a s třetí emitorovou vrstvou (112—c) elektricky spínaného tyristoru (110—5, 204—1 až 204—3) v posledním tyristorovém řídicím stupni (В, C).