DE2201041A1 - Thyristor - Google Patents

Description

SIEMENSAKTIENGESELLSCHAi¹T ·■ München 2, H.AU 1972 Berlin und München Wittelsbacherplatz

Thyristor ·

Beim Einschalten von Thyristoren ist man an möglichst großen primären Zündbereichen interessiert. Diese Bereiche führen nämlich unmittelbar nach dem Einschalten den gesamten Laststom. Man kann bei konventionellen Thyristoren große .primäre Zündbereiche durch Anwendung hoher Steuerströme erreichen. Dieser Effekt wird noch· weiter verstärkt in Thyristoren mit amplifying gate, wo besonders hohe Steuerströme durch einen integrierten Hilf sthyristor erzeugt werden.

Ein solcher Thyristor ist bereits beschrieben worden. In seinem Halbleiterkörper ist ein Hilfsemitter vorgesehen, der mit den beiden Basisschichten und der zweiten Emitterschicht des Thyristors einen Hilfsthyristor bildet. Der Hilfsthyristor liegt zwischen der Zündelektrode und dem Hauptthyristor und wird bei Einspeisen eines Steuerstromes in die Zündelektrode vor dem Hauptthyristor gezündet. Der Laststrom des Hilfsthyristors fließt über die Basis zum Emitter des Hauptthyristors und zündet diesen. Der Laststrom des Hilfsthyristors ist so groß, daß er eine von Anfang an linienförmige Zündung des Hauptthyristors bewirkt. Ist der Hauptthyristor gezündet, so fließt der Laststrom nur durch diesen und der Hilfsthyristor erlischt. Die Stromübernahme auf den Hauptthyristor geht so schnell, daß der Hilfsthyristor nicht unzulässig hoch belastet wird.

Bei dem beschriebenen Thyristor ist jedoch die Zündung des Hilfsthyristors vor der Zündung des Hauptthyristors und damit ein Schutz des Hauptthyristors im aligemeinen

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nur dann gewährleistet, wenn der Zündstrom für den !Thyristor über die Zündelektrode fließt. Dies ist jedoch nicht immer der Pail. Ein Thyristor kann bekanntlich auch durch eine an die Laststrecke angelegte Spannung "über Kopf" gezündet werden. Dieme Art der Zündung wird bei Anlegen einer die Ifullkippspannung überschreitenden Spannung an die Laststrecke z. B· durch einen Lawinendur chbruch im sperrenden Blockier- pn-übergang erzielt. Beim Überkopfzünden ist aber nicht sichergestellt, daß der Hilfsthyristor zuerst zündet, da der Lawinendurchbruch an irgenteiner Stelle in der Thyristortablette statt*- finden kann. Zündet der Hauptthyristor zuerst, so wird dieser lediglich punktförmig gezündet und damit meistens zerstört.

Im Hauptpatent ist eine Maßnahme Torgeschlagen worden, die sicherstellt, daß der Hilfsthyristor selbst dann vor dem Hauptthyristor zündet, wenn an die Laststrecke des Thyristors eine die Nullkippspannung überschreitende Spannung angelegt wird. Der Vorschlag besteht darin, daß die unter der Basiszone liegende weitere Basiszone einen Bereich aufweist, dessen spezifischer Widerstand kleiner als der der übrigen weiteren Basiszone ist und daß dieser Bereich nicht über den äußeren Rand des Hilfsemitters hinausragt. Dadurch finde't der Lawinendurchbruch unter dem Hilfsemitter statt und der Hilfsthyristor zündet immer zuerst.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Thyristor mit einem Halbleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps, von denen die erste, der Emitter mit einer Elektrode und die zweite, die Basis, mit einer Zündelektrode versehen ist, und mit einem Hilfsemitter, der zwischen dem Emitter und der Zündelektrode liegt und eine Hilfselektrode aufweist und der elektrisch mit der Basis verbunden ist, und mit einer unter der Basis liegen-

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den weiteren Basis mit einem Bereich, dessen spezifischer Widerstand niedriger als der der übrigen weiteren.Basis ist und der nicht über den-äußeren Rand des Hilfsemitters¹' hinausragt, "nach Patent ... (Aktz.: P 21 40 993.8 (VPA 71/1129)). ■■'.'■'

Hat der Bereich niedrigeren spezifischen Widerstand einen sehr großen Durchmesser, so muß demnach auch der Hilfsemitter großen Durchmesser haben. Mit dem Durchmesser des Hilfsemitters wächst auch seine Fläche. Mit wachsender Fläche wird der Hilfsthyristor aber immer empfindlicher gegen Spannungen großer Steilheit. Mit anderen Worten, der Thyristor kann bei großer Ausdehnung des Bereiches niedrigeren spezifischen Widerstandes bereits bei Spannungen mit relativ niedriger Anstiegsgeschwindigkeit durchzünden. Dies ist im allgemeinen nicht erwünscht»

Es ist bekannt, Thyristoren ohne.Hilfsemitter zur Vermeidung des Zündens bei niedrigen Spannungsanstigsgeschwindigkeiteh mit einem Hebensehluß zwischen Emitterelektrode und Basis zu versehen. Diese Maßnahme ist aber nicht genügend wirkungsvoll, wenn ein Hilfsemitter großer Ausdehnung vorhanden ist. '

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen Thyristor nach dem Hauptpatent so zu verbessern, daß dieser auch dann unempfindlich gegenüber Spannungen mit hoher Steilheit wird, wenn der Bereich niedrigeren spezifischen Widerstandes relativ groß ist.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einem beliebigen Punkt in der Flache des Hilfsemitters bis zum nächstgelegenen Punkt, an dem die Hilfselektrode elektrisch mit der Basis verbunden ist, etwa 1 bis 4 mm beträgt.

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Der Hilfsemitter kann mit übet seine Fläche verteilten Ausnehmungen versehen sein, über die die Basis mit der Hilfselektrode elektrisch verbunden ist, wobei die Ausnehmung einen Abstand von 1 bis 4 mm voneinander haben. Der Hilfsemitter kann aber auch eine Breite zwischen 1 und 4 mm haben» wenn er lediglich auf der von der Zündelektrode abgewandten Seite mit der Basis elektrisch verbunden ist.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbei^

s£iel und
Figur 2 einen Söhnitt durch ein zweites Ausführuhgsbei-

In Figur 1 ist ein Halbleiterelement für einen Thyristor gezeigt* Difeses weist einen Emitter 1, eine Basis 2, eine weitere Basis t und einen weiteren Emitter 4 auf. Der Emitter 1 ist .mit einer Elektrode 5 und der Emitter 4 mit einer Elektrode 11 versehen. Der Emitter 1 weist Ausnehmunge'ä 6.auf* durch die die Basis 2 hindurchreicht. Über die Ausnehmungen 6 ist die Basis 2 mit der Elektrode elektrisch verbunden*

An der Bäsiö 2 ist ein Hilfsemitter 7 vorgesehen, der mit einer Hilfselektrode 8 versehen ist. Im Hilfsemitter öiiid Ausnehmungen 9 värgfeseheiij durch die die Basis 2 bis zur Hilfselektrode S reicht und mit dieser elektrisch verbunden ist* Di§ Bääis 2 weist fSrher noch einen Zühdkon- / takt 10 auf* lh der weiteren Basis 3 ist ein Bereich 14' vorgesehen» der niedrigeren spezifischen Widerstand als die übrige weitere Basis 3 hat* iör spezifische Widerstand im Bereich ί life|t etwa 10 bi§ 4Ö^§ si* B. 25# unter deiä sf>ezi-,fischen Wiierstand der Übrifeii telteren Basis 3. Deir Sereich 14 ragt nieilt über den äUÖÖi'en Rand des Hilfsemitters 1 heraus*

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Bei einem spezifischen Widerstand, der z. B. 25$ unter dem der übrigen weiteren Basis 3 liegt, ergibt sich eine Durchbruchspannung des blockierenden pn-Überganges zwischen der Basis 2 und der weiteren Basis 3, der etwa um 10$ unter der Durchbruchspannung dieses pn-Überganges außerhalb des Bereiches H liegt. Bei Anlegen einer die Nullkippspannung übersteigenden Spannung an die Elektroden 5 und 11 wird daher zuerst im Bereich 14 ein Lawinendurchbruch im genannten pn-übergang stattfinden. D.h., der aus Hilfseraitter und den Zonen 2, 3 und 4 bestehende Hilfsthyristor zündet. Der. Laststrom des Hilfsthyristors fließt über die Hilfselektrode 8 in die Basis 2, den Emitter 1 und wirkt dort als Zündstrom für den aus den Zonen 1, 2, 3 und 4 bestehenden Hauptthyristor. Der Laststrpm des Hilfsthyristors ist dabei so stark, daß der Hauptthyristor in einem relativ großen Flächenbereich zündet.

Wird dagegen an die Elektroden 5 und 11 eine Spannung hoher . Steilheit gelegt,so bildet sich im Halbleiterkörper auf Grund der Kapazität des sperrenden pn-Übergangs ein über die Fläche des pn-Übergangs im wesentlichen konstanter Verschiebungsstrom aus, der zum Hilfsemitter 7 und zum Emitter 1 fließt. Dies ist in Figur 1 durch die in die Basis 3 eingezeichneten Ladungsträgerpaare angedeutet· Ein Teil der Ladungsträger fließt zum Hilfsemitter 7 bzw» zum Emitter 1, während ein andeer Teil der Ladungsträger durch die Ausnehmungen 9 bzw„ 6 direkt zur Hilfselektrode 8 bzw· EmitteüELektrode 1 fließt. Der durch die Ausnehmungen 9 bzw. 6 abfließende Strdmanteil iat bei kleinen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten sehr hoch und verhindert sowohl ein Zünden des Hilfsthyristors als auch ein direktes Zünden des Hauptthyristors. Damit kann der Hauptthyristor auch nicht über ■ den Hilfsthyristor gezündet werden. Bei Anlegen einer Spannung hoher Steilheit an die Elektroden 5 und 11 wächst der t Verschiebungsstrom. Mit steigendem Verschiebungsstrom wächst der Anteil des durch den pn-übergang zwischen Hilfaemitt^

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und Basis 2 fließenden Stroms relativ stärker als der durch die Ausnehmungen 9 bzw· 6 fließende Strom, da der dlfferentielle Widerstand mit wachsendem Strom abnimmt. Der Hilfsthyristor zündet daher erst oberhalb einer bestimmten Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung. Man wird die Kurzschlüsse im Hilfsthyristor vorteilhafterweisβ so bemessen, daß die Zündung im Hilfsthyristor bei etwas geringeren SpannungsanstiegEjgeschwindigkeiten einsetzt als die Zündung im Hauptthyitistor. Dadurch ist auch für eine Zündung durch zu hohe Spannungsanstigsgeschwindigkeiten sichergestellt, daß der Hauptthyristor über einen großen primären Zündbereich eingeschaltet wird. Brauchbare Thyristoren weisen von irgendeinem beliebigen Punkt des Hilfsemitters 7 bis zu einem Punkt, an dem die Basis 2 mit der Hilfselektrode 8 verbunden ist, eine!* Abstand von 1 bis 4 mm auf.

In Figur 2 ist ein anderes Ausführungsbeispiel gezeigt, das sich von dem nach Figur 1 dadurch unterscheidet, daß der Hilfsthyristor keine Ausnehmungen enthält. Der Hilfsemitter ist hier mit 12 und die Hilfselektrode mit 13 bezeichnet. Alle anderen !Teile weisen die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 auf· Der Hilfaeraitter hat in diesem 'Ausführungsbeispiel eine Breite von 1 bis 4 mm und ist auf der Außenseite elektrisch mit der Basis verbunden. Auch damit ist die Bedingung erfüllt, daß irgend ein beliebiger Punkt des Hilfsemitters nicht mehr.ala 1 bis 4 mm von einem beliebigen Punkt entfernt ist, an dem $ie Hilfselektrode elektrisch mit Basis verbunden ist.

3 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims (1)

1. JDhyristor mit einem Haltleiterkörper mit mindestens vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyp, von denen die erste, der Emitter, mit einer Elektrode; und die zweite, die Basis_Jmit einer Zündelektrode versehen ist,- und mit einem Hilfsemitter, der zwischen dem Emitter und der Zündelektrode liegt und eine Hilfselektrode aufweist, und der elektrisch mit der Basis verbunden istj und mit einer unter der Basis liegenden weiteren Basis mit einem Bereich, dessen spezifischer Widerstand niedriger als der der übrigen weiteren Basis ist üüd der hiöht über den äußeren Rand des Hilfsemitters hinausragt> nach Patent .*. (Aktz.: P 21 40 993.8 (VPA Ή/1129)), dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen einem beliebigen Punkt in der Oberfläche des Hilfsemitters (?»12) bis zum näclistgelegenälen Punkt, an dem die Hilfselektrode elektrisch mit der Basis (2) verbunden ist ι etwa 1 bis 4 mm beträgt.

Lstör nach Anspruch 1,dadurch g e k e h η ζ e i e h h e t , daß der Hilfsemitter (7) mit über seine Fläche verteilten Ausnehmungen (9) versehen . ist> über die die Basis (2) mit der Hilfselektrode (8) elektrisch verbunden ist, und daß die Ausnehmungen (9) einen Abstand von 1 bis 4 mm voneinander haben»

3,i inyristor nach Anspruch 1* d a d u r c h g e k e' η .ii ζ e ifchnet , daß der Hiifsemitter (12) ging Sreit§ zwischen 1 und 4 mm hat und lediglich auf der von der Zündelektrode (10) abgewandten Seite mit der Bäsi§. (£) elektrisch verbunden ist_e

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