DE1184869B - Gesteuerter Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps - Google Patents
Gesteuerter Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit vier Zonen abwechselnden LeitungstypsInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. Kl.: HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1184 869
Aktenzeichen: L 31691 VIII c/21 g
Anmeldetag: 12. November 1958
Auslegetag: 7. Januar 1965
Die Erfindung betrifft einen steuerbaren und gesteuerten Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit einem
einkristallinen Halbleiterkörper und mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps.
Man verwendet zur Steuerung elektrischer Schaltkreise mit zunehmender Häufigkeit Halbleiter-Leistungsgleichrichter
der vorerwähnten Art, deren Mangel jedoch darin besteht, daß die durch sie übertragbaren
Leistungen dadurch begrenzt sind, daß solche steuerbaren Halbleiter-Leistungsgleichrichter
bei einer hohen Kollektorspannung einen schwachen Kollektorstrom und bei einer niedrigen Kollektorspannung
einen starken Kollektorstrom ermöglichen müssen.
Die maximale Spannung, die man an einen Leistungsgleichrichter der genannten Art anlegen
kann, wird von dem Lawineneffekt bestimmt, der durch die Entstehung von Elektronen- und Löcherpaaren
in der Kollektor-Basis-Sperrschicht infolge des Durchgangs des Stromes durch die Sperrschicht
erzeugt wird. Die auf diese Weise in der Basiszone entstehenden Majoritätsladungen verursachen eine
Verstärkung des Emitterstromes, wodurch der erwähnte Paarbildungsvorgang noch verstärkt wird.
Der Effekt ist also in der Weise rückwirksam, daß er plötzlich zu einer Überbelastung führt, die den
Halbleiter-Leistungsgleichrichter durch Erhitzen beschädigt. Dieser Effekt tritt auf, sobald das elektrische
Feld in der Kollektor-Basis-Sperrschicht einen gewissen Wert überschreitet. Das elektrische Feld
könnte verringert werden, indem man als Werkstoff für die Basiszone sehr schwach dotiertes, eigen- oder
nichteigenleitendes Halbleitermaterial wählt, um die Wirkung der Sperrschicht zu verstärken und folglich
das elektrische Feld zu verringern. Um jedoch zu vermeiden, daß sich die Sperrschicht bis in die Zone
des Emitters ausdehnt, was einen Kurzschluß zwischen Emitter und Kollektor verursachen würde,
müßte die Basiszone verhältnismäßig dick sein. Auf diese Weise könnte man einen Halbleiter-Leistungsgleichrichter
erstellen, der zum Sperren einer ziemlichen hohen Spannung in der Lage ist, womit die
erste vorgenannte Betriebsbedingung erfüllt wäre.
Wenn dagegen ein solcher Halbleiter-Leistungsgleichrichter die zweite vorgenannte Betriebsbedingung
erfüllen soll, tritt folgende Erscheinung auf:
Da die Kollektorspannung sehr niedrig ist, wird die Sperrschichtzone sehr klein, so daß die effektive
Basiszone sehr dick wird. Daraus ergibt sich eine starke Rekombination, die zu einem sehr starken
Basisstrom Anlaß gibt, so daß eine sehr kleine Anzahl der injizierten Ladungen aus dem Emitter zum
Gesteuerter Halbleiter-Leistungsgleichrichter
mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps
mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps
Anmelder:
Compagnie Generale d'filectricite, Paris
Vertreter:
Dipl.-Ing. R. Müller-Börner,
Berlin 33, Podbielskiallee 68,
und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, München 22,
Patentanwälte
Als Erfinder benannt:
Jakob Luscher, Carouge, Genf (Schweiz)
Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 29. November 1957 (53 198)
Kollektor gelangen würde. Der Emitter würde also mit der Basis einen Gleichrichter bilden, und der
Kollektor wäre praktisch abgeschaltet.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich, kann also ein Halbleiter-Gleichrichter der bisher üblichen Bauart
nicht für hohe Leistungen verwendet werden.
Diese Möglichkeit kann auch nicht durch Anwendung verschiedener bekannter Ausbildungsformen
von Halbleiterbauelementen geschaffen werden, bei denen Halbleiterkörper vom Leitungstyp pnip oder
npin hintereinandergeschaltet werden. Bei diesen Bauelementen haben die beiden äußeren Zonen Leitfähigkeiten
vom gleichen Typ. Sie eignen sich deshalb nicht zur Lösung der gestellten Aufgabe.
Es gibt ferner Halbleiterverstärker, deren Wirkungsweise zwar von der des klassischen Transistors
abweicht, die aber ebenfalls nicht für die Steuerung größerer Leistungen geeignet sind. Bei ihnen durchfließt
der zu steuernde Hauptstrom nur einen einzigen Halbleiter vom Typ ρ oder η in seiner Längsrichtung,
jedoch keinen Übergang zwischen den Halbleiterzonen. Die Übergänge sind vielmehr bei dieser Bauform
dazu bestimmt, veränderliche Kapazitäten längs des Hauptstromweges zu bilden. Zu einer Verstärkung
mit hoher Leistung lassen sie sich nicht heranziehen. Die bekannte Anordnung diente vielmehr
zur Verstärkung von Signalen auf Mikrowellenfrequenzen.
409 767/262
Ebenfalls für die Zwecke der Erfindung nicht geeignet sind bekannte Halbleiterverstärker mit zwei
Stufen, die von komplementären npn- und pnp-Transistoren, die auf demselben Kristall angeordnet
sind, gebildet werden.
Es sind auch Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen von Hookschen Raumladungszonen Gebrauch
gemacht wird und eine Reihe hintereinandergeschalteter Zonen verschiedenen Leitungstyps vorhanden
ist, die bei Belastung in Sperrichtung mindestens zwei einander wechselseitig bedingende Raumladungen
entgegengesetzten Vorzeichens erzeugen, auf denen die Sperrwirkung beruht und von denen mindestens
zwei mittlere Zonen durch äußere Mittel steuerbar sind, während an zwei äußeren Zonen zwei
sperrschichtfreie Elektroden liegen und zum Zwecke einer Stabilisierung der negativen Stromspannungscharakteristik
der Halbleiteranordnung bezüglich des Bereiches oder der Zeit Hochohmwiderstände oder
Kapazitäten entsprechender Dimensionierung vor die Steuerelektraden geschaltet sind. Auch hierbei konn- :
ten nur die in der Nachrichtentechnik üblichen Leistungen unter der Einwirkung entsprechender
Steuerimpulse mit gewissen Verzögerungswirkungen gesperrt oder gesteuert werden.
Ziel der Erfindung ist im Gegensatz zu den vorerwähnten bekannten Anordnungen die Schaffung
eines Halbleiter-Leistungsgleichrichters für besonders große Leistungen, der einerseits eine Spannung
von einigen hundert Volt sperren und andererseits, ausgelöst durch eine Steuerspannung, einen Strom
von zwischen etwa 10 und 100 A bei einem sehr geringen inneren Spannungsabfall leiten kann. Der
gesteuerte Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und mit vier Zonen
abwechselnden Leitungstyps, der zur Lösung dieser Aufgabe geeignet ist, ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterkörper aus einer etwa eigenleitenden oder einer gegenüber den anderen Zonen
schwach dotierten, schichtförmigen ersten Zone eines ersten Leitungstyps besteht, die an ihren beiden einander
gegenüberliegenden Hauptflächen je mit einer wenigstens zehnfach dünneren schichtförmigen zweiten
und dritten Zone eines zweiten entgegengesetzten Leitungstyps versehen ist, an deren dritter Zone eine
vierte Zone des ersten Leitungstyps angebracht ist, daß die zweite, dritte und vierte Zone mit je einer
ohmschen Elektrode versehen sind, von denen die äußeren im Stromkreis des gleichzurichtenden
Wechselstroms liegen, und daß bei in Sperrichtung gepoltem pn-übergang zwischen der ersten und der
dritten Zone eine Steuerspannung zwischen der dritten und vierten Zone so angelegt ist, daß eine
Ladungsträgerinjektion aus der vierten in die dritte Zone auftritt, eine Diffusion dieser Ladungsträger in
die erste Zone stattfindet und dadurch der Gleichrichter in den leitenden Zustand kippt.
Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung beispielsweise an zwei Ausführungsformen an
Hand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch den Halbleiter-Leistungsgleichrichter
nach der Erfindung,
Fig. 2a bis 2e den Potentialverlauf in den verschiedenen
Schichten des Gleichrichters in unterschiedlichen Stadien seines Betriebes und
F i g. 3 eine abgeänderte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiter-Leistungsgleichrichters,
Wie in der Fig. 1 gezeigt ist, enthält der Halbleiter-Leistungsgleichrichter
eine aus einem sehr schwach dotierten Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps, beispielsweise Silizium vom Leitungstyp »n«, bestehende Zoneß, die die Basiszone des
Gleichrichters bilden soll. Die Zone B ist verhältnismäßig dick, nämlich wenigstens 0,2 mm und höchstens
2 mm. Die den Emitter bildende Zone£ besteht, wie auch die den Kollektor bildende Zone C,
aus einem Halbleitermaterial eines zweiten entgegengesetzten Leitungstyps, beispielsweise »p«. Eine
vierte aus einem Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps bestehende Zone Ea steht mit der Zone C
in Verbindung. Jeder der Zonen E, C und Ea ist
wenigstens zehnfach dünner als die Zoneß. Die Zonen E, C und Ea sind je mit einer ohmschen
Elektrode 1, 2 bzw. 3 ausgestattet, durch die sie mit elektrischen Kreisen versehen werden können.
Der vorstehend beschriebene Halbleiter-Leistungsgleichrichter arbeitet in folgender Weise:
Wenn er mit keiner Spannungsquelle verbunden ist, baut sich der Potentialverlauf in den verschiedenen
Zonen E, B, C und Ea infolge des thermischen
Gleichgewichts entsprechend der in der Fig. 2a dargestellten Kennlinie auf.
Das Einschalten des Halbleiter-Leistungsgleichrichters in einen elektrischen Kreis mit Hilfe der
Elektroden 1 und 2 hat das Sperren dieses Kreises zur Folge. Um jede spontane Elektroneninjektion
aus dem Hilfsemitter Ea in den Kollektor C zu verhindern,
kann deren Übergang in Sperrichtung mittels einer Hilfsquelle geringer Spannung durch
Zwischenschaltung eines Widerstandes polarisiert werden. Der diesem Zustand entsprechende Potentialverlauf
ist in der F i g. 2 b dargestellt.
Wenn ein gegenüber der Elektrode 3 des Hilfsemitters
Ea positiver Spannungsimpuls an die Elektrode 2 des Kollektors C angelegt wird, der größer
als die Polarisationsspannung des Übergangs E0-C
ist, werden aus dem Hilfsemitter Elektronen in den Kollektor injiziert. Da die Schicht des Kollektors sehr
dünn ist, dringen diese Elektronen durch den Kollektor hindurch und in die Kollektor-Basis-Sperrschicht
ein, wo sie durch das elektrische Feld beschleunigt werden. Dieser Elektronenstrom bildet auf diese
Weise den zum Steuern des Emitterstroms notwendigen Basisstrom. Aus dem Emitter werden in die
Basiszone Löcher injiziert, so daß die Basiszone für einen Strom vom Emitter zum Kollektor leitend
wird. Der vom Kollektor ausgehende Strom bewirkt, daß die positive Polarisation des Kollektors gegenüber
dem Hilfsemitter so aufrechterhalten wird, daß der Elektronenstrom ebenfalls aufrechterhalten wird.
Der gesamte Stromauslösemechanismus ist also rückwirkend. Sobald der Strom ausgelöst ist, stellt der
Gleichrichter praktisch einen Kurzschluß dar. Der leitende Zustand wird aufgehoben, wenn ein negativer
Steuerspannungsimpuls angelegt wird.
Die F i g. 2 c zeigt den Potentialverlauf in den verschiedenen Zonen des Halbleiter-Leistungsgleichrichters
beim Übergang vom Sperrzustand in den leitenden Zustand, wobei letzterer in der Fig. 2d
dargestellt ist. Die Fig. 2e zeigt den Potentialverlauf im Sperrzustand, jedoch bei Umkehrung der
Polarität der zwischen den Elektroden des Emitters und des Kollektors angelegten Spannung.
Wie aus der Beschreibung der Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Gleichrichters ersichtlich, ist die-
ser in der Lage, die beiden für einen Hochleistungsgleichrichter notwendigen Bedingungen zu erfüllen.
Die eingangs erwähnte Erscheinung, die sich an den bisher bekannten Gleichrichtern zeigt, wenn man
deren Leistung erhöhen will, kann bei dem Halbleiter-Leistungsgleichrichter nach der Erfindung nicht
auftreten.
Selbst wenn die Lebensdauer der aus dem Emitter in die Basis injizierten Ladungsträger sehr kurz ist,
entsteht daraus ein sehr starker Emitter-Kollektor-Strom, da der den Basisstrom bildende Elektronenstrom
aus dem Kollektor kommt.
Es ist selbstverständlich, daß für die verschiedenen Zonen des Gleichrichters auch ein anderes Halbleitermaterial
als Silizium verwendet werden kann. So könnte man beispielsweise Germanium oder auch
Metallegierungen, wie beispielsweise Phosphor-Indium (InP), Arsen-Indium (InAs), Antimon-Gallium
(GaSb), Arsen-Gallium (GaAs), Phosphor-Aluminium (AIP) und Antimon-Aluminium (AlSb) verwenden.
Andererseits könnte an Stelle eines »pnpn«-Halbleiter-Gleichrichters
als abgeänderte Ausführungsform ein solches mit »npnp«-Anordnung vorgesehen werden. In diesem Falle muß der an die Elektrode
des Kollektors angelegte Spannungsimpuls gegenüber der Elektrode des Hilfsemitters negativ sein.
Schließlich könnte die Basiszone des Halbleiterbauelements statt aus einem schwach dotierten »n«- bzw.
»pe-Halbleitermaterial aus einem eigenleitenden
Halbleiter bestehen. In diesem Falle hätte man einen »pipn«- bzw. einen »ninp «-Halbleiter-Gleichrichter.
In der F i g. 3 ist eine Ausführungsform des Halbleiter-Gleichrichters
nach der Erfindung dargestellt, bei der ein zweiter, mit dem ersten Hilfsemitter Ea
übereinstimmender Hilf semitter Ea' mit dem Emitter
£ in Verbindung steht. Dieser ist ebenfalls mit einer Elektrode 3' ausgestattet.
Es ist leicht verständlich, daß ein solcher Halbleiter-Gleichrichter
die Steuerung eines Stroms in beiden Richtungen ermöglicht. Wenn die Emitter-Kollektor-Spannung
umgekehrt wird, genügt es zum Erzielen eines Leitens in Richtung Kollektor C-Emitter E, einen gegenüber der Elektrode 3' des
Hilfsemitters Ea' positiven Steuerspannungsimpuls an
die Elektrode 1 des Emitters E anzulegen.
Es ist klar, daß dadurch die Aufgaben vom Kollektor C und Emitter E umgekehrt werden, so daß
der Kollektor C Emitter und der Emitter E Kollektor wird.
Claims (6)
1. Gesteuerter Halbleiter-Leistungsgleichrichter mit einem einkristallinen Halbleiterkörper und
mit vier Zonen abwechselnden Leistungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper
aus einer etwa eigenleitenden oder einer gegenüber den anderen Zonen schwach dotierten,
schichtförmigen ersten Zone (B) eines ersten Leitungstyps besteht, die an ihren beiden
einander gegenüberliegenden Hauptflächen je mit einer wenigstens zehnfach dünneren schichtförmigen
zweiten und dritten Zone (E bzw. C) eines zweiten entgegengesetzten Leitungstyps versehen
ist, an deren dritter Zone (C) eine vierte Zone (Ea) des ersten Leitungstyps angebracht ist, daß
die zweite, dritte und vierte Zone mit je einer ohmschen Elektrode (1, 2, 3) versehen sind, von
ίο denen die äußeren (1 und 3) im Stromkreis des
gleichzurichtenden Wechselstroms liegen, und daß bei in Sperrichtung gepoltem pn-übergang
zwischen der ersten und der dritten Zone (B, C) ein Steuerspannung zwischen der dritten und
vierten Zone (C, Ea) so angelegt ist, daß eine Ladungsträgerinjektion aus der vierten (Ea) in die
dritte (C) Zone auftritt, eine Diffusion dieser Ladungsträger in die erste Zone (B) stattfindet und
dadurch der Gleichrichter in den leitenden Zustand kippt.
2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (B)
aus etwa eigenleitendem Halbleitermaterial, die zweite Zone (E) und die dritte Zone (C) je aus
p-Halbleitermaterial und die vierte Zone (Ea)
aus n-Halbleitermaterial bestehen.
3. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (B)
aus gegenüber den anderen Zonen schwach dotiertem n-Halbleitermaterial besteht.
4. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (B)
aus etwa eigenleitendem Halbleitermaterial, die zweite (E) und die dritte (C) Zone je aus n-Halb-
leitermaterial und die vierte Zone (E0) aus
p-Halbleitermaterial bestehen.
5. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone (B)
aus einem gegenüber den anderen Zonen schwach dotierten p-Halbleitermaterial besteht.
6. Halbleitergleichrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
eine fünfte Zone (Ea) von gleichem Leitungstyp wie die vierte Zone (E0) mit der zweiten Zone (E)
verbunden, mit einer flächenhaften Elektrode versehen und auf der der vierten Zone gegenüberliegenden
Seite der ersten Zone (B) angebracht ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 949 422;
deutsche Auslegeschriften Nr. 1 027 800,
787;
787;
deutsche Auslegeschriften S 36922 VIII c/21g (bekanntgemacht am 9.5.1956); W11064 VIII a/21 a2
(bekanntgemacht am 23. 8.1956);
USA.-Patentschriften Nr. 2756 285, 2779 877;
Zeitschr. f. Elektrochemie, Bd. 58, 1954, S. 283 bis 321.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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