DE2830912C3

DE2830912C3 - Halbleiterschalter

Info

Publication number: DE2830912C3
Application number: DE2830912A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Ito; Akio Sagawa; Masayoshi Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1977-07-13
Filing date: 1978-07-13
Publication date: 1980-08-21
Also published as: CA1101565A; DE2830912B2; JPS5418664A; US4184086A; DE2830912A1; JPS5722487B2

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen aus der deutschen Offenlegungsschrift 26 40 621 bekannten

ίο Gattung.

Im folgenden soll ein Halbleiterschalter mit dem genannten PNPN-Aufbau kurz »PNPN-Scbalter« genannt werden.

Der PNPN-Schalter hat den Nachteil, daß er selbst im ausgeschalteten Zustand fälschlich gezündet wird, wenn zwischen dem P-Emitter {Anodenanschluß) und dem N-Emitter eine plötzliche Vorwärtsspannung angelegt wird. Diese Erscheinung wird »dv/rfi-Effekt« oder »Geschwindigkeitseffekt« genannt. Es gibt bislang einige Vorschläge, um diese Erscheinung zu vermeiden. Die Widerstandskraft, bis zu der der PNPN-Schalter durch eine Stoßspannung (dv/dt) nicht fälschlich gezündet wird, wird im allgemeinen »c/v/t/i-Fcstigkeit« genannt.

Vorschläge zur Erhöhung der dv/dt-Festigkeit sind außer aus der oben penannten Offenlegungssciirift auch aus den US-Patentschriften 36 09 413 und 4015 143 bekannt. Nach beiden Vorschlägen ist ein Transistor zwischen P-Basis und den N-Emitter des PNPN-Schalters geschaltet, und nur wenn eine plötzliche Vorwärtsspannung zwischen dem P-Emitter und dem N-Emitter des PNPN-Schalters angelegt wird, wird der Transistor durchgeschaltet und schließt den Weg zwischen der P-Basis und dem N-Emitter elektrisch kurz, wodurch fälschliche Zündungen vermieden werden.

Nach diesem Verfahren wird sicherlich die dv/dt-Festigkeit während der Zeit, in der die plötzliche Stoßspannung angelegt wird, verbessert. In manchen Fällen tritt jedoch eine fehlerhafte Zündung nach

■to Beendigung der Stoßspannung auf.

Diese Erscheinung besteht darin, daß beim Abschalten des Kurzschlußtransistors nach Beendigung der Stoßspannung die Spannung zwischen der P-Basis und dem N-Emitter des PNPN-Schalters höher als die Aktivierungsspannung des PNPN-Schalters wird, mit dem Ergebnis, daß der Schalter fälschlich zündet.

Ein Faktor für dac Auftreten der fälschlichen Zündung ist die Erholzeitkonstante des PNPN-Schalters. Bei großen Erholzeiten tritt eine fälschliche Zündung leicht auf.

Die Erholzeitkonstante wird durch den Integrationsaufbau der PNPN-Schalter bestimmt. Im allgemeinen steigt sie mit zunehmender Integrationsdichte. Die Möglichkeit zu einer gleichzeitigen Erhöhung der dv/dt-Festigkeit und der Integrationsdichte waren daher bislang beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Halbleiterschalter der eingangs genannten Gattung eine fälschliche Zündung nach Beendigung der Stoßspan-

M nung zu verhindern.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegeben. Der danach gebaute Halbleiterschalter vermeidet nicht nur gemäß der Aufgabenstellung fehlerhafte Zünoun-

^h5 ge sondern weist außerdem hohe dv/dt- Festigkeit auf und gestattet hohe Integrationsdichte bei geringen Fertigungskosten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in

den Unteransprüchen angegeben.

Im folgenden werden Ausfühningsformen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Auf dieser ist bzw. sind

Fig. 1, 3 u. 4 Schaltbilder, die jeweils eine Ausführungsform der Erfindung zeigen,

Fig.2 ein Impulsform-Diagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform, und

Fig.5 u. 0 Schaltbilder, die jeweils konkrete Ausführungsformen von Impulsverbreiterungsschaltungen der F i g. 1 bis 3 zeigen.

F i g. 1 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung. Sie besteht im Prinzip aus einem PNPN-Schalter 10, einer Schalteinrichtung 20, einem elektrostatischen kapazitiven Element 30 und einer Impulsverbreiterungsschaltung 40.

Das elektrostatische kapazitive Element 30 und die Impulsverbreiterungsschaltung 40 bilden eine später zu beschreibende Treibereinrichtung.

Der PNPN-Schalter 10 weist einen Vierschichtenaufbau, bestehend aus einem P-Emitter (P\\ einer N-Basis (N\\ einer P-Basis (P₂) und einem N-Emitter (N₂), auf. Der P-Emitter (Pt) ist mit einem Anodenanschluß A, der N-Emitter N₂) mit einem KathodenanschluB K und die P-Basis (P₂) mit einem Gate-Anschluß G versehen. Der PNPN-Schalter 10 wird gezündet, indem ein Gate-Signal auf den Gate-Anschluß G gegeben wird.

Die Schalteinrichtung 20 ist hier konkret als N PN-Transistor dargestellt. Sie weist einen Eingangsanschluß 21, einen Ausgangsanschluß 22 und einen Steueranschluß 23 auf. Der Eingangsanschluß 21 ist mit der P-Basis (P₂) des PNPN-Schalters 10 verbunden, während der Ausgangsanschluß 22 mit dem N-Emitter (N₂) des PNPN-Schalters 10 verbunden ist

Der Steueranschluß 23 der Schalteinrichtung 20 ist mit einem Ausgangsanschluß 42 der Impulsverbreiterungsschaltung 40 verbunden. Durch ein Treibersignal der Impulsverbreiterungsschaltung 40 wird die Schalteinrichtung 20 dahingehend in Tätigkeit gesetzt, daß sie den Weg zwischen der P-Basis (P₂) und dem N-Emitter (TV₂) des PNPN-Schalters 10 kurzschließt

Das elektrostatische kapazitive Element 30 und die Impulsverbreiterungsschaltung 40 bilden die Treibereinrichtung zur Steuerung der Schalteinrichtung 20. Die Treibereinrichtung stellt den Stoßzustand, in welchem die Spannung zwischen dem P-Emitter (Anode A) und dem N-Emitter (Kathode K) des PNPN-Schalters 10 abrupt ansteigt, fest und liefert das Treibersignal an den Steueranschluß 23 der Schalteinrichtung 20 während so einer Zeit, die langer als die Dauer des Stoßzustandes ist.

Es sei nun angenommen, daß eine Spannung Vak in Form einer Rampenfunktion, drren Anstieg, wie in F i g. 2 gezeigt, zur Zeit ίο beginnt, au die Anode A des PNPN-Schalters 10 gelegt worden ist.

In diesem Fall wird die Stoßspannung V^k durch einen Kondensator 31 differenziert und der Differentialstrom Ib in die impulsverbreitprungsschaltung 40 eingegeben.

Die Impulsverbreiterungsschaltung 40 erzeugt für das Einschalten der Schalteinrichtung 20 einen Strom Ic bzw. verlängert den Strom /gfür eine bestimmte Zeit Tm nach dem Zeitpunkt t\, zu der der Anstieg der . Stoßspannung endet. Auf diese Weise ist eine unrichtige bzw. fehlerhafte Zündung des PNPN-Schalters nach Beendigung des Anstiegs der Stoßspannung verhindert Die Arbeitsweise wird nun genau erläutert.

Es sei Tp die Zeitdauer nach dem Zeitpunkt t\ der Beendigung des Anstiegs der Stoßspannung Vak, die notwendig ist, damit die Klemmenspannung Vc des Gates G auf die Aktivierungsspannung Vg des PNPN-Schalters absinken kann (angegeben durch eine gestrichelte Linie in der Figur), wenn die Schalteinrichtung 20 nicht angeschlossen ist Ferner sei 7s die Zeitdauer, bis die Schalteinrichtung 20 nach Beendigung der Stoßspannung Vak abschaltet wonach die Spannung am Gate G wieder ansteigt und ihren gegenwärtigen Scheitelwert erreicht Des weiteren sei Tso die Zeitdauer nach Beendigung des Stromes Ic bzw. des verlängerten Stromes Ib bis zum Abschalten der Schalteinrichtung 20. Bei den Schaltungen nach dem Stand der Technik waren die Umstände so, daß, wenn die Zeitdauer Ts kürzer als die Zeitdauer T_p wird selbst nach Beendigung des Anstiegs der Stoßspannung eine Spannung am Gateanschluß G erscheint, die größer oder gleich der Aktivierungsspannung Vb ist, so daß der Schalter fälschlich gezündet wird. Bei der Erfindung dagegen ist die Zeitdauer T_p kleiner als Ts = Tm + Tso. weil der Strom /β zum Einschalten der Schalteinrichtung 20 um die Zeitdauer Tmdurch die Impulsverbreiterungsschaltung aufrechterhalten wird.

Selbst wenn die Zeitdauer Tp, bis die Klemmenspannung Vc am Gate auf die Aktivierungsspannung Ve abfällt wegen der Erholzeitkonstanten T_p des PNPN-Schalters 10 zwischen Tm und Ts liegt (selbst wenn also T_M <Tp <T_S = ^m+ Tso), zündet der PNPN-Schalter 10 nicht. Deshalb läßt su-h selbst nach Beendigung des Anstiegs der Stoßspannung eine fälschliche Zündung in vollkommener Weise verhindern.

Gemäß Fig. 1 wurde ferner ein Widerstand 70 verwendet. Er ist zwischen der P-Basis (P₂) und dem N-Emitter (N₂) des PNPN-Schalters 10 angeordnet, und seine Größe hat Einfluß auf die Gate-Empfindlichkeit und die dv/c/f-Festigkeit. Im allgemeinen verbessert sich die Gate-Empfindlichkeit, wenn der Widerstandswert des Widerstands 70 hoch gewählt wird, die c/v/di-Festigkeit sinkt jedoch. Umgekehrt verschlechtert sich bei niedrigem Widerstand die Gate-Empfindlichkeit, während die t/v/rff-Festigkeit ansteigt

Ein Widerstand 60 stellt eine Last für den PNPN-Schalter 10 dar. Eine Batterie 50 bildet die Stromquelle der Impulsverbreiterungsschaltung 40. Anschlüsse 41,42,43 und 44 sind externe Anschlüsse der Impulsverbreiterungsschaltung 40.

F i g. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Die Schalteinrichtung 20 und die Impulsverbreiterungsschaltung 40 sind die gleichen wie in Fig. 1. Als elektrostatisches kapazitives Element 30 wird eine solche eines PN-Sperrübergangs aus einer Diode 32 verwendet. Ferner ist ein Ende des elektrostatischen kapazitiven Elements 30 mit der N-Basis (N\) des PNPN-Schalters 10 verbunden.

Auch beim Halbleiterschalter der Fig.3 fließt beim Anlegen einer Stoßspannung an die Anode A ein Differentialstrom von der N-Basis (N₁) des PNPN-Schalters 10 durch die elektrostatische Sperrübergangskapazität der Diode 32 zur Impulsverbreiterungsschaltung 40 und wird für eine bestimmte Zeit durch die Impulsverbreiterungsschaltung 40 weiter aufrechterhalten, so daß sich der gleiche Effekt wie bei der Ausführungsform der F i g. 1 erwarten läßt.

F i g. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein PNP-Transistor 80, welcher aus einem P-Kollektor (P3), einer N-Basis (Ni) und einem P-Emitter (Pa) besteht, zwischen

die N-Basis (N\) des PNPN-Schalters 10 und den Steueranschluß 23 der Schalteinrichtung 20 geschaltet. Ferner ist eine PN-Diode 90, welche aus Schichten Ps und Ns besteht und eine elektrostatische Kapazität aufweist, zwischen die Basis (N3) und den Emitter (Pa) des PNP-TrariMstors 80 gelegt.

Bei Vergleich von F i g. 4 mit F i g. 1 ist ersichtlich, daß der Teil, der dem elektrostatischen kapazitiven Element 30 aus F i g. 1 entspricht, durch die elektrostatische Übergangskapazität der Schichten Λ/3 und P₃ des PNP-Transistors 80 in Fig.4 und der Teil, der der Impulsverbreiterungsschaltung 40 entspricht, durch die PN-Diode 90 realisiert ist.

In F i g. 1 bilden das elektrostatische kapazitive Element 30 und die Impuisverbreiterungsschaitung 40 die Treibereinrichtung für die Schalteinrichtung 20. In Fig.4 bilden der PNP-Transistor 80 und die Diode 90 die Treibereinrichtung.

Im Betrieb fließt, wenn eine plötzliche Stoßspannung an die Anode A des PNPN-Schalters 10 gelegt wird, während des Ansteigens der Stoßspannung (während der Zeitdauer U>—t\ in Fig. 2) ein Strom, der den Obergang zwischen der Basis (Nj) und dem Kollektor (P₃) des Transistors 80 auflädt, zum Steueranschluß 23 der Schalteinrichtung 20. Auf diese Weise wird der Stromweg zwischen dem Gate C und der Kathode K des PNPN-Schalters 10 auf einen niedrigen Widerstand heruntergedrückt und eine fehlerhafte bzw. ungeeignete Zündung wird verhindert. Der Ladestrom des Übergangs Basis (N3) — Kollektor (Pj) besteht dabei aus einem Strom, der durch den Emitter (Pa) des Transistors 80 fließt, und einem Strom, der die elektrostatische Kapazität des Übergangs Schicht M — Schicht Ps der Diode 90 auflädt. Daher werden Ladungen in der elektrostatischen Kapazität des Sperrübergangs der Diode 90 gespeichert.

Nach Beendigung des Anstiegs der Stoßspannung (nach fi in F i g. 2) wird kein Ladestrom mehr von der Anode A her erhalten. Da jedoch die im Sperrübergang der Diode 90 gespeicherten Ladungen über den Emitter (Pa) und die Basis (N3) des Transistors 80 entladen werden, wird der Ersatz- bzw. äquivalente Erholzeit bzw. Verzögerungszeit des Transistors 80 lang, und der Basisstrom des Transistors, der die Schalteinrichtung 20 bildet, kann aufrechterhalten werden. Auf diese Weise kann beim Anlegen der Stoßspannung an den PNPN-Schalter 10 die Schalteinrichtung 20 nicht nur während des Ansteigens der Stoßspannung, sondern für eine Zeit, die langer als die Erholzeit T_p des PNPN-Schalters (die Zeit, bis die Gate-Spannung des PNPN-Schalters unter die Aklivierungsspannung Vb = 0,7 V fällt) ist, selbst nach Beendigung des Anstiegs der Stoßspannung im leitenden Zustand bleiben. Der Weg zwischen dem Gate G und der Kathode K des PNPN-Schalters 10 läßt sich also während einer solchen Zeitdauer kurzschließen.

Fig.5 zeigt ein konkretes Beispiel der Impulsverbreiterungsschaltung 40 aus F i g. 1 oder 3. Dieses Beispiel ist ein monostabiler Multivibrator aus Transistoren 40-1 und 40-2, Kondensatoren 40-3 und 40-4 sowie Widerständen 40-5 bis 40-9. Wenn ein Stromim-

is puls (der Strom vom elektrostatischen kapazitiven Element 30) auf den Eingangsanschluß 41 des monostabilen Multivibrators 40 gegeben wird, wird eine Spannung einer bestimmten Impulsbreite, die durch die Zeitkonstante des monostabilen Multivibrators bestimmt ist, erzeugt und ein Strom zum Einschalten der Schalteinrichtung an einem Ausgangsanschluß 42 über den Widerstand 40-9 geliefert.

F i g. 6 zeigt eine weitere konkrete Ausführungsform der Impulsverbreiterungsschaltung 40. Sie besteht aus einem Transistor 40-10, einem Kondensator 40-11 und einem Widerstand 40-12. Wenn ein Stromimpuls auf einen Eingangsanschluß 41 gegeben wird, wird eine am Kollektor des Transistors 40-10 liegende Versorgungsspannung (die Spannung der in F i g. 1 gezeigten Batterie 50) auf den Kondensator 40-1! gegeben. Nach Verschwinden des Eingangsstromimpulses wird ein Strom zum Einschalten der Schalteinrichtung 20 über den Ausgangsanschluß 42 entsprechend der Zeitkonstanten zwischen dem Widerstand 40-12 und dem Kondensator 40-11 geliefert. Der Strom zum Einschalten der Schalteinrichtung 20 läßt sich dementsprechend durch geeignete Wahl des Widerstands 40-12 und des Kondensators 40-11 weiter aufrechterhalten.
Bei den vorstehenden Ausführungsformen der Erfindung wird ein strombetriebener Schalter des Vierschichten-PNPN-Aufbaus als Halbleiterschalter verwendet Auch im Falle der Verwendung eines photobetriebenen Schalters wird eine hohe dv/dt- Festigkeit wie in den vorangegangenen Beispielen erreicht, und es kann ein Halbleiterschalter hoher Integrationsdichte geschaffen werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

1 Patentansprüche:

1. Halbleiterschalter mit einem PNPN-Schalter mit Vierschichtenaufbau, bestehend aus einem P-Emitter, einer N-Basis, einer P-Basis und einem N-Emitter, und mit wenigstens drei PN-Übergängen; einer Schalteinrichtung mit einem Eingangsan-Echluß, einem AÜsgangsanschluß und einem SteueranschluB, wobei der Eingangsanschluß mit der P-Basis und der Ausgangsanschluß mit dem N-Emitter des PNPN-Schalters verbunden ist und ein Weg zwischen der P-Basis und dem N-Emitter des PNPN-Schalters durch ein auf den Steueranschluß gegebenes Treibersignal kurzgeschlossen wird; und einer Treiberstufe zur Erzeugung des Treibersignals am Steueranschluß der Schalteinrichtung, wobei die Treiberstufe einen Stoßzustand nachweist, in dem eine Spannung zwischen dem P-Emitter und dem N-Emitter des PNPN-Schalters plötzlich ansteigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberstufe eine impulsverbreiterungseinrichtung (40) aufweist, die das Treibersignal über eine vorgegebene Dauer (Tm) nach Beendigung (t\) des Stoßzustandes verlängert

2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsverbreiterungsschaltung (40) aus einem PNP-Transistor (80), der zwischen der N-Basis (N\) des PNPN-Schalters (10) und dem Steueranschluß (23) der Schalteinrichtung (20) angeschlossen und dabei mit seinem Emitteranschluß mit der N-Basis und mit seinem Kollektoranschluß mit dem Steueranschluß verbunden ist, und einer PN-Diode (90), die mit ihrer N-Schicht (TV₅) auf der Emitterseite des PNP-Transistors und mit ihrer P-Schicht (Ps) auf seiner Basiseite liegt, aufgebaut ist.

3. Halbleiterschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsverbreiterungsschaltung (40) ein monostabiler Multivibrator ist, der durch einen über ein elektrostatisches kapazitives Element (30) eingeführten Stoßstrom betrieben wird und eine vorgeschriebene Impulsbreiie liefert.

4. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsverbreiterungsschaltung (40) aus einem NPN-Transistor (40-10) dessen Basisanschluß (41) mit einem elektrostatischen kapazitiven Element (30), dessen KollektoranschluQ (43) mit einer Spannungsquelle (50) und dessen Emitteranschluß mit einem Kondensator (40-11) verbunden ist, und aus einem Widerstand (40-12), welcher zwischen dem Emitteranschluß des NPN-Transistors und dem Steueranschluß (23) der Schalteinrichtung (20) angeschlossen ist, aufgebaut ist.

5. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsverbreiterungsschaltung (40) ein monostabiler Multivibrator ist, welcher durch einen über eine PN-Diode (32) zugeführten Strom betrieben wird und eine vorgeschriebene Impulsbreite liefert.

6. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsverbreiterungsschaltung (40) aus einem NPN-Transistor (40-10), dessen Basisanschluß (41) mit der P-Schicht einer PN-Diode (32), dessen Kollektoranschluß (43) mit einer Spannungsquelle (50) und dessen Emitteranschluß mit einem Kondensator (40-11) verbunden ist, und aus einem Widerstand (40-12), welcher zwischen dem Emitteranschluß des NPN-Transistors und dem Steueranschluß (23) der Schalteinrichtung (20) angeschlossen ist, aufgebaut ist