DE1564185B2 - Schaltungsanordnung fuer einen steuerbaren halbleitergleichrichter sowie steuerbare halbleitergleichrichter hierzu - Google Patents

Schaltungsanordnung fuer einen steuerbaren halbleitergleichrichter sowie steuerbare halbleitergleichrichter hierzu

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DE1564185B2 DE19661564185 DE1564185A DE1564185B2 DE 1564185 B2 DE1564185 B2 DE 1564185B2 DE 19661564185 DE19661564185 DE 19661564185 DE 1564185 A DE1564185 A DE 1564185A DE 1564185 B2 DE1564185 B2 DE 1564185B2
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Description

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seiner vollständigen Leitfähigkeit beruht zum Teil scheibe hinweg mit größerer Geschwindigkeit ausdarauf, daß die Anfangsleitung mit Stromträgern ein- breiten kann als dies bisher möglich war. Durch die setzt, die von dem Verbindungspunkt zwischen der Verwendung eines Zündstromimpulses, dessen Im-Steuerelektrode und der Halbleiterscheibe ausgehen. pulshöhe gleich oder größer als die Höhe des Last-Dieses verhältnismäßig begrenzte Ladungsträger- 5 stromes ist, der den steuerbaren Halbleitergleichrichplasma kann zwar die Anfangsleitfähigkeit sehr ter zwischen Kathode und Anode in völlig gleitenschnell einleiten, weil es sich nur über eine kurze dem Zustand durchfließt, ist es möglich, ein Strecke längs der Breite der Halbleiterscheibe aus- Ladungsträgerplasma auszubilden, bei dem keine breiten muß, um die Stromleitung einzuleiten. Diese Gefahr des »Aushungerns« des Plasmas besteht, was Strecke kann in der Größe von etwa 0,125 mm io einen zu hohen Innenwiderstand bzw. einen zu liegen. hohen Spannungsabfall an dem Halbleitergleichrich-
Um die vollständige Leitfähigkeit zu erzielen, muß ter sowie eine Zerstörung dieses Halbleitergleich-
sich jedoch das Ladungsträgerplasma über die ge-, richters zur Folge haben würde,
samte Breite der Halbleiterscheibe erstrecken, das Es ist zwar bereits bekannt (Literaturstelle »Thy-
heißt auf die Größe von etwa 6 mm. Außerdem be- 15 ristor-Handbuch« von A. Hoff mann und K. Stok-
stehen über die Breite der Halbleiterscheibe hinweg ker,Siemens-SchuckertWerke,Berlin/Erlangen, 1965,
keine Beschleunigungsfelder, so daß die Expansions- Seiten 20, 21 und 48), daß der Steuerelektrodenstrom
geschwindigkeit des Ladungsträgerplasmas verhält- einen merklich über den statischen Wert hinaus-
nismäßig gering ist. gehenden Wert erreichen muß, doch waren bisher
Zur Verringerung der Zeitdauer bis zur vollen 20 genaue qualitative Angaben in bezug auf das VerLeitfähigkeit ist es bereits bekannt (Patentschrift hältnis von Steuerstrom zu Laststrom nicht bekannt. 47 975 des Amtes für Erfindung- und Patentwesen Die Erzeugung eines ausgedehnten Ladungsträgerin Ost-Berlin), die äußere (Kathoden-)Schicht des plasmas bei der erfindungsgemäßen Schaltungssteuerbaren Halbleitergleichrichters in Segmente zu anordnung erfordert eine große Steuerelektrodenunterteilen, zwischen denen zusammenhängende 25 fläche, die der Kathodenfläche des steuerbaren Streifen der angrenzenden inneren Schicht freigelas- Halbleitergleichrichters eng benachbart ist. Entspresen sind, in die die in Steuerteilelektroden unterteilte chend ist auch ein verhältnismäßig starker Zünd-Steuerelektrode an dieser inneren Schicht eingefügt stromimpuls erforderlich, da anderenfalls nur längs ist. Bei diesem bekannten steuerbaren Halbleiter- des Kathodenrandes einige Plasmapunkte entstehen gleichrichter ist der vom Initialplasma zurückzu- 30 können.
legende Weg unter die die vollständige Leitung über- Im einzelnen muß bei der erfindungsgemäßen
nehmenden Bereiche der Kathode dennoch relativ Schaltungsanordnung vom Steuerstromkreis ein
groß, so daß die Einschaltzeit nur wenig verringert Steuerelektroden-Kathodenstromimpuls geliefert wer-
wird und die Probleme der Überlastung des Steuer- den, der ebenso groß ist, wie der von der Kathode
baren Halbleitergleichrichters vor seiner vollständig 35 zu führende Laststrom oder noch größer als dieser,
gen Durchschaltung weiterhin gegeben sind. Andererseits muß dieser Stromimpuls von extrem
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kurzer Dauer sein, und bei einer sehr geringen Span-Schaltungsanordnung für einen steuerbaren Halb- nung zur Verfügung gestellt werden, während selbstleitergleichrichter der obengenannten Art zu schaf- verständlich der durch die Kathode fließende Lastfen sowie einen steuerbaren Halbleitergleichrichter 40 strom bei hoher Spannung und für eine verhältnisfür diese Schaltungsanordnung auszubilden, bei dem mäßig lange Zeitdauer auftritt,
die Einschaltzeit wesentlich verringert ist, so daß die Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung obere Frequenzgrenze erhöht wird und die vom ergibt sich also eine Spannungsverstärkung (mit bei steuerbaren Halbleitergleichrichter aufzunehmende weitem kleineren Leistungsverlusten während der Verlustleistung sehr gering ist. 45 Stromleitung als bei einem steuerbaren Halbleiter-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- gleichrichter vom Transistortyp), wobei der steuerlöst, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter mit bare Halbleitergleichrichter leitend bleibt, wenn eineiner vier Schichten von abwechselnd entgegengesetz- mal der Zündstromimpuls angelegt ist, so daß dieser tem Leitfähigkeitstyp aufweisenden Halbleiterscheibe nur für eine verhältnismäßig kurze Zeit benötigt und mit einer Kathode an der ersten Schicht, einer 50 wird.
Steuerelektrode an der zweiten Schicht und einer Bei dem Abschalten des steuerbaren Halbleiter-Anode an der vierten Schicht versehen ist, wobei die gleichrichters muß das Ladungsträgerplasma zwi-Steuerelektrode in eine Vielzahl von Steuerteilelek- sehen der Kathode und der Anode schnellstens betroden unterteilt ist, die die Kathode über ihre Kon- seitigt werden, und zwar unabhängig von der normataktfläche hinweg unterbrechen, und daß die zweite 55 len Rekombination in den vier Schichten. Daher Spannungsquelle so ausgelegt ist, daß ihr ein Zünd- wird eine Schnellabschaltung des steuerbaren Halbstromimpuls entnehmbar ist, dessen Impulshöhe leitergleichrichters dadurch herbeigeführt, daß aus gleich oder größer als die Höhe des Laststromes ist, den Steuerteilelektrodenbereichen ein starker negader den steuerbaren Halbleitergleichrichter zwischen tiver Strom abgezogen wird, wobei die Anode des Kathode und Anode in völlig gleitendem Zustand 60 steuerbaren Halbleitergleichrichters an einer negatidurchfließt. ven Spannung liegt. Die Kombination des negativen
Auf diese Weise wird das Ladungsträgerplasma Steuerelektrodenstroms mit der negativen Anödender Anfangsleitung an vielen über die Breite der spannung führt zu einem äußerst schnellen Abbau Halbleiterscheibe verteilten Punkten erzeugt. Die des Ladungsträgerüberschusses des steuerbaren HaIb-Vielzahl von einzelnen, voneinander getrennten 65 leitergleichrichters, weil die Ladungsträger innerhalb Steuergitterelektroden schafft eine Vielzahl von der geringen Teilkathodenbreite eine kleine Weg-Stromleitungs-Ansatzpunkten, so daß sich das La- strecke bis zu den Steuerteilelektroden hin zu dungsträgerplasma über die Breite der Halbleiter- durchlaufen haben, wobei beim Übergang in die
Steuerteilelektroden ein äußerst wirksamer Ladungsträgerverlust durch Rekombination eintritt. Dementsprechend ist auch ein starker Abschaltstrom für die Steuerelektrode erforderlich.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Schaltungsanordnung wird die Ansprechgeschwindigkeit des steuerbaren Halbleitergleichrichters wesentlich erhöht und die Einschaltzeit stark verringert. Dadurch sind steuerbare Halbleitergleichrichter in dieser Schaltungsanordnung bei höheren Frequenzen zu betreiben als dies bisher möglich war.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert.
Es zeigt ■
Fig. 1 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäß verwendbaren steuerbaren Halbleitergleichrichter,
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linien 4-4 nach Fig. 1,
F i g. 3 einen Ausschnitt aus der F i g. 2, der die Anordnung einer Steuerteilelektrode in einer Nut der Halbleiterscheibe darstellt,
F i g. 4 eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
F i g. 5 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß verwendbaren steuerbaren Halbleitergleichrichters,
F i g. 6 einen Querschnitt entlang der Linien 6-6 nach F i g. 5,
F i g. 7 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß verwendbaren steuerbaren Halbleitergleichrichters,
F i g. 8 einen Querschnitt entlang der Linien 8-8 nach F i g. 7,
F i g. 9 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäß verwendbaren steuerbaren Halbleitergleichrichters,
. Fig. 10 einen Querschnitt durch eines der Löcher der Fig. 9 entlang der Linien 10-10 nach Fig. 9..
In den Fig. 1 bis.3 ist eine Silizium-Halbleiterscheibe 20 mit einer NPNP-Schichtenfolge dargestellt.
Bei dem erfindungsgemäß verwendbaren steuerbaren Halbleitergleichrichter ist eine Vielzahl von miteinander zusammenwirkenden Steuerteilelektroden und Teilkathoden vorgesehen. Hierzu ist, wie aus F i g. 2 zu erkennen, aus der Oberfläche der Halbleiterscheibe 20 eine Vielzahl von Nuten 21, 22, 23 und 24 herausgearbeitet, deren Tiefe bis unter den obersten P-N-Übergang der Halbleiterscheibe 20 hinunterreicht. Daraufhin werden, wie aus F i g. 3 zu erkennen, dünne Aluminiumstreifen 25, 26, 27 und 28 als Steuerteilelektroden am Boden der Nuten 21 bis 24 eingelegt und anlegiert, so daß eine P+- leitende Kontaktzone (F i g. 3) entsteht, wobei die Steuerteilelektroden 25 bis 28 mit der Halbleiterscheibe 20 elektrisch verbunden sind. Daraufhin werden diese Nuten in geeigneter Weise abgedeckt, und es werden Teilkathoden 29, 30, 31, 32 und 33 auf die stehengebliebenen N-leitenden Schichten der Halbleiterscheibe 20 aufgebracht, während eine Anode 34 mit der Unterseite der Halbleiterscheibe 20 verbunden wird.
Zur Herstellung der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Elektrodenanordnung kann ein beliebiges anderes Verfahren angewandt werden.
Die Steuerteilelektrode 25 nach den F i g. 1 und 2 wirkt mit den Teilkathoden 29 und 30 zusammen. In ähnlicher Weise wirken die übrigen Steuerteilelektroden 26 bis 28 jeweils mit zwei benachbarten Teilkathoden zusammen.
Jede der Teilelektroden wird dann mit einer Stromzuleitung verbunden, z. B. sind die Teilkathoden 29 bis 33 mit den Zuleitungen 40, 41, 42, 43 und 44 verbunden. Diese Zuleitungen werden dann mit einem gemeinsamen Anschluß 45 verbunden, der den Kathodenanschluß des steuerbaren Halbleitergleichrichters darstellt.
ίο Weiterhin werden Zuleitungen 46 bis 49 jeweils mit den Steuerteilelektroden 25 bis 28 verbunden, und sämtliche Zuleitungen 46 bis 49 sind mit einem gemeinsamen Anschluß 50 verbunden, der den Steuerelektrodenanschluß des steuerbaren Halbleitergleichrichters darstellt. Die Zuleitungen 46 bis 49 können Widerstände enthalten, die zum Ausgleich des Steuerelektrodenstroms dienen und die so bemessen sind, daß sie größer sind als der übrige Widerstand zwischen der Steuerelektrode und der Kathode.
Beim Betrieb des steuerbaren Halbleitergleichrichters nach den F i g. 1 und 2 liegt zwischen den Anschlüssen 45 und 50 die erfindungsgemäß ausgelegte Spannungsquelle V2. Wie dies in F i g. 4 schematisch dargestellt ist, ist eine Spannungsquelle V1 in Reihe mit der Kathode und der Anode und einem Lastwiderstand L geschaltet. Es ist in dieser Schaltung weiterhin eine Spannungsquelle V2 vorgesehen, die in der Lage ist, einen kurzen Stromimpuls I2 zu liefern, dessen Impulshöhe größer ist als der volle LaStStTOmI1. Die Anwendung dieses kurzen Stromimpulses führt zur Entstehung einer Vielzahl einzelner Ladungsträgerplasmen zwischen den Steuerteilelektroden 25 bis 28 und den zugehörigen Teilkathoden, wobei die transversale Plasmaausbreitung über die gesamte Halbleiterscheibenfläche in einer Zeit vor sich geht, die gegenüber bekannten steuerbaren Halbleitergleichrichtern wesentlich verkürzt ist.
In den Fig. 5 bis 10 sind weitere Ausführungsformen eines steuerbaren Halbleitergleichrichters ähnlich wie in-den Fig. 1 bis 3 dargestellt. In den F i g. 5 und 6 ist eine kreisförmige Halbleiterscheibe 60 mit NPNP-Schichtenfolge wiedergegeben, die Ringnuten 61, 62, 63 und 64 aufweist. In jeder dieser Ringnuten 61 bis 64 liegen kreisringförmige Steuerteilelektroden 65 bis 68 (F i g. 6), während die überstehenden Oberflächenbereiche der Halbleiterscheibe 60 leitende Kreisringbeläge 69 bis 73 tragen, die die Teilkathoden darstellen. Jede der Teilkathoden ist dann mit einer Zuleitung verbunden, wobei alle Zuleitungen mit. einem gemeinsamen Kathodenanschluß 75 verbunden sind. Die Steuerteilelektrodenzuleitungen 65 bis 68 sind mit einem gemeinsamen Steuerelektrodenanschluß 76 verbunden.
Die Ausführungsform nach den F i g. 5 und 6 ergibt die gleichen Ergebnisse, wie sie vorstehend in bezug auf die Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 beschrieben wurden.
Eine weitere Ausführungsform des steuerbaren Halbleitergleichrichters ist in den F i g. 7 und 8 dargestellt. In diesem Fall besteht die Kathode aus einer zentralen Nabe 90 mit radialen Speichen 91 bis 98. Die zentrale Nabe 90 kann mit einem Kathodenanschluß 99 verbunden werden, wie dies in F i g. 8 dargestellt ist.
Daraufhin werden die Oberflächenbereiche zwischen den Speichen 91 bis 98 bis unter den obersten pn-übergang hinunter entfernt, wie dies in F i g. 8 dargestellt ist, und die so gewonnenen Oberflächen-
bereiche nehmen dann kreissegmentförmige Steuerteilelektroden 100 bis 106 auf. Jedes der Segmente 100 bis 106 weist eine von ihm ausgehende Zuleitung (nicht dargestellt) auf, die zu einem gemeinsamen Steuerelektrodenanschluß geführt ist.
Eine letzte Ausführungsform ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. In diesem Fall ist die Halbleiterscheibe 110 in der üblichen Weise aus vier Schichten unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp aufgebaut und mit einer Kathode 111 und einer Anode 112 versehen,
die sich jeweils über die gesamte obere bzw. untere Scheibenoberfläche hinweg erstrecken. Danach wird in die Oberfläche der Oberseite der Halbleiterscheibe 110 eine Vielzahl von Öffnungen 113 eingebracht, die sich, wie in Fig. 10 gezeigt, bis unter den obersten pn-übergang hinunter erstrecken.
Daraufhin wird eine Zuleitung 114 mit dem Grund jeder der Öffnungen 113 unter Bildung einer Steuerteilelektrode verbunden. Diese Steuerteilelektroden-
o Zuleitungen werden miteinander verbunden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
209 548/332

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung für einen steuerbaren Halbleitergleichrichter zur Erzielung einer kurzen Einschaltzeit, bei der eine erste Spannungsquelle, ein Lastwiderstand, die Kathode und die Anode in Reihe geschaltet den Laststromkreis bilden und bei der eine zweite Spannungsquelle, der ein Zündstromimpuls kurzer Impulsdauer und großer Impulshöhe entnehmbar ist, die Steuerelektrode und die Kathode in Reihe geschaltet den Steuerstromkreis bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter mit einer vier Schichten von abwechselnd entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweisenden Halbleiterscheibe (20, 60) und mit einer Kathode (29 bis 33, 61 bis 64) an der ersten Schicht, einer Steuerelektrode an der zweiten Schicht und einer Anode (34) an der vierten Schicht versehen ist, wobei die Steuerelektrode in eine Vielzahl von Steuerteilelektroden (25 bis 28, 65 bis 68) unterteilt ist, die die Kathode über ihre Kontaktfläche hinweg unterbrechen, und daß die zweite Spannungsquelle (F2) so ausgelegt ist, daß ihr ein Zündstromimpuls entnehmbar ist, dessen Impulshöhe gleich oder größer als die Höhe des Laststromes ist, der den steuerbaren Halbleitergleichrichter zwischen Kathode und Anode in völlig leitendem Zustand durchfließt.
2. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerteilelektroden (25 bis 28) streifenförmig ausgebildet und auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe (20) abwechselnd mit den sich dadurch ergebenden streifenförmigen Teilkathoden (29 bis 33) angeordnet sind.
3. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerteilelektroden (65 bis 68) ringförmig ausgebildet und auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe (60) abwechselnd mit den sich dadurch ergebenden ringförmigen Teilkathoden (61 bis 64) und konzentrisch zu diesen angeordnet sind.
4. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerteilelektroden entlang von Durchmessern einer kreisförmigen Halbleiterscheibe verlaufende Streifen sind, und daß die sich dadurch ergebenden Teilkathoden Kreissegmente sind.
5. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerteilelektroden als Kreissegmente (100 bis 106) ausgebildet sind, und daß die sich dadurch ergebenden Teilkathoden (91 bis 98) entlang von Durchmessern der kreisförmigen Halbleiterscheibe verlaufende Streifen sind.
6. Steuerbarer Halbleitergleichrichter für eine Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerteilelektroden kleiner Kontaktfläche (14) sich durch Öffnungen in der Kathode (111) und in der ersten Schicht hindurch zu der zweiten Schicht erstrecken.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für einen steuerbaren Halbleitergleichrichter zur Erzielung einer kurzen Einschaltzeit, bei der eine erste Spannungsquelle, ein Lastwiderstand, die Kathode und die Anode in Reihe geschaltet den Laststromkreis bilden und bei der eine zweite Spannungsquelle, der ein Zündstromimpuls kurzer Impulsdauer und großer Impulshöhe entnehmbar ist, die Steuerelektrode und die Kathode in Reihe geschaltet
ίο den Steuerstromkreis bilden sowie auf einen steuerbaren Halbleitergleichrichter für diese Schaltungsanordnung.
Die bisher in derartigen Schaltungsanordnungen verwendeten steuerbaren Halbleitergleichrichter zeigen hinsichtlich des nutzbaren oberen Frequenzbereichs eine Grenze, die in erster Linie durch die Einschaltzeit des steuerbaren Halbleitergleichrichters bestimmt ist. Im einzelnen ist die Einschaltzeit eines steuerbaren Halbleitergleichrichters äußerst kurz und kann in der Größenordnung von 1 μβ liegen. Der steuerbare Halbleitergleichrichter ist jedoch nach dieser Zeit noch nicht im Zustand völliger Leitfähigkeit, so daß besondere Schaltungsmaßnahmen angewendet werden müssen, um zu vermeiden, daß der steuerbare Halbleitergleichrichter vor seiner vollständigen Durchschaltung voll belastet wird, wobei für dieses vollständige Durchschalten eine Zeit in der Größenordnung von 5 bis 10 μβ erforderlich sein kann. Daraus ergibt sich, daß ein steuerbarer HaIbleitergleichrichter auch nach Beginn seiner Leitfähigkeit noch einen merklichen Spannungsabfall in der Durchlaßrichtung aufweist, der ständig kleiner wird. Wenn der Durchlaßstrom des steuerbaren Halbleitergleichrichters auf seinen vollen Wert ansteigt, während dieser sich ständig verringernde Spannungsabfall in der Durchlaßrichtung noch verhältnismäßig hoch ist, so übersteigt die im steuerbaren Halbleitergleichrichter auftretende Verlustleistung dessen Belastbarkeit und der steuerbare Halbleitergleichrichter kann beschädigt oder zerstört oder doch in seiner ordnungsgemäßen Arbeitsweise beeinträchtigt werden. Die volle Belastung des steuerbaren Halbleitergleichrichters darf also erst dann auftreten, wenn der innere Spannungsabfall des steuerbaren Halbleitergleichrichters auf die Größenordnung von 1 °/o oder weniger der Ausgangsgleichspannung abgesunken ist.
Ein steuerbarer Halbleitergleichrichter kann z. B. innerhalb von 1 μβ eingeschaltet werden, wonach die Sperrspannung in der Vorwärtsrichtung um 50 °/o abgenommen hat und der Vorwärtsstrom auf 50 °/o seines Endwertes angestiegen ist. Bei einer Zeitdauer von 10 με für das Absinken der Sperrspannung in der Vorwärtsrichtung auf 1 %> des Anfangswertes und bis zur vollen Einschaltung des steuerbaren HaIbleitergleichrichters muß der steuerbare Halbleitergleichrichter annähernd doppelt so viel Verlustleistung in Form von Wärme aufnehmen als es seiner Leistungstype entspricht. Wenn die dem steuerbaren Halbleitergleichrichter zugebilligte Stromanstiegszeit auf 5 με verringert wird, so ist die durch die Verlustleistung auftretende Wärme um den Faktor 5 größer, während sie bei einer Verringerung auf 4 μβ um den Faktor 10 vergrößert wird. Bei noch weiterer Verringerung auf 2 μβ muß der steuerbare Halbleitergleichrichter annähernd die 10Ofache Wärmeleistung aufnehmen, für die er ausgelegt ist.
Die Zeitverzögerung zwischen der Anfangsstromleitung eines steuerbaren Halbleitergleichrichters und
DE19661564185 1966-09-22 1966-09-22 Schaltungsanordnung fuer einen steuerbaren halbleitergleichrichter sowie steuerbare halbleitergleichrichter hierzu Ceased DE1564185B2 (de)

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