DE2449089C3 - Steuerbarer Halbleitergleichrichter - Google Patents

Steuerbarer Halbleitergleichrichter

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Description

— bei dem eine der beiden Hauptoberflächen von der freiliegenden Oberfläche einer der beiden äußersten (Ne) der vier Zonen und einer an diese angrenzenden Zwischenzone (Pb) gebildet wird,
— bei dem ein Hauptelektrodenpaar (2,3) auf den Hauptoberflächen mit je einer der beiden äußersten Zonen (Pe, Ne) kontaktiert ist,
— bei dem eine Steuerelektrode (4) so auf der durch die beiden benachbarten Zonen (Pb, Ne) gebildeten Hauptoberfläche angebracht ist, daß sie mit der Zwischenzone (Pe)in Kontakt steht,
— bei dem in der Zwischenzone (Pb) eine Hilfszone (13) mit zu dieser entgegengesetztem Leitungstyp liegt, deren eine Oberfläche in der durch die Zwischenzone (Pb) mitgebildeten Hauptoberfläche liegt und kleiner ist als die ebenfalls in der Hauptoberfläche liegende Oberfläche der entsprechenden äußersten Zone (Ne)
— bei dem auf derselben Hauptoberfläche eine Hilfselektrode (5) angeordnet ist, wobei ein Teilflächenbereich der Hilfselektrode (5) unter Freilassung eines der Steuerelektrode (4) zugekehrten Teils der Oberfläche der Hilfszone (13) mit dieser kontaktiert ist und der verbleibendeFlächenbereich in Kontakt mit der Zwischenzone (Pb) steht,
— bei dem die Hilfselektrode (5) in einem Abstand gegenüber der mit ohmschem Kontakt zur äußersten Zone (Ne) angebrachten Hauptelektrode (3) ist und
— bei dem der zwischen der äußersten Zone (Ne) . und der Zwischenzone (Pb) gebildete pn-Übergang (Jz) an einer von der Steuerelektrode entfernt liegenden Stelle kurzgeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet;
— daß die Steuerelektrode (4) zwischen der äußersten Zone (Ne) und der Hilfszone (13) je in einem Abstand von denselben angeordnet ist, und
— daß der freiliegende Bereich des pn-Überganges (Ji) zwischen der äußersten Zone (Ne) und der Zwischenzone (Pb) an der von der Steuerelektrode (4) entfernten Stelle durch einen Teil der Hilfselektrode (5) kurzgeschlossen ist.
2. Halbleitergleichrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Hilfselektrode (5) längs des Umfanges der äußersten Zone (Ne) erstreckt.
65
Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Halbleitergleichrichter der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-OS 21 57 091 oder DE-OS 19 48 155 bekannten Art
Ein idealer Halbleitergleichrichter soll so ausgelegt sein, daß möglichst schnell eine möglichst große Fläche unter Anwendung eines möglichst kleinen Steuersiroms in den Durchlaßzustand umgeschaltet wird. Ein Gleichrichter der diese Bedingungen weitgehend erfüllt, ist in Form eines Halbleitergleichrichters mit Steuerungsverstärkung bekannt.
Bei den Halbleitergleichrichtern mit Steuerverstärkung (vgl. z. B. die DE-OS 19 48 155) ist zwischen der mit einer der Zwischenzonen in Kontakt stehenden Steuerelektrode und der an diese angrenzenden äußersten Schicht ein kleiner Bereich eingeschaltet, der vom gleichen Leitungstyp wie die äußerste Schicht ist Dieser Bereich ist elektrisch leitend mit der Oberfläche der Zwischenzone verbunden. Die Überbrückung erfolgt durch eine Hilfselektrode an einer von der Steuerelektrode entfernten Stelle. Beim Einschalten dieser Struktur schaltet der Steuerstrom ausgehend von der Steuerelektrode zunächst einen ersten Vierschichtenbereich ein, dessen eine äußere Zone jener kleine Bereich ist. Daran anschließend wird der Hauptbereich des steuerbaren Halbleitergleichrichters, also ein zweiter Vierschichtenbereich, dessen eine äußere Zone die äußerste Hauptzone der Struktur ist, eingeschaltet. Dieses Einschalten erfolgt dabei durch den Laststrom, der durch den ersten Vierschichtenbereich fließt. Dieser Strom dient sozusagen als Steuerstrom für den zweiten Vierschichtenbereich. Auf diese Weise kann ein steuerbarer Halbleitergleichrichter erhalten werden, der mit einem relativ kleinen Steuerstrom über eine relativ große Leitungsfläche rasch eine ausreichende Anfangsleitung zur Verfügung stellen kann. Gleichrichter dieses Typs mit Steuerverstärkung weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie zum Einschalten des zweiten Vierschichtenbereiches des Gleichrichters zwischen den Hauptelektroden ausgesprochen hohen Mindestspannungen erfordern. Wie bereits erwähnt, setzt beim Einschalten des ersten Vierschichtenbereiches, dessen äußerste Zone der kleine Bereich ist, in den Gleichrichtern mit Steuerverstärkung der Fluß des Laststroms ein. Der Laststrom fließt also von der Hilfselektrode, die von der äußersten Zone einen vorbestimmten Abstand hat, über die Zwischenzone in die angrenzende äußerste Zone. Die an die Hauptelektroden angelegte Spannung muß daher um einen Betrag erhöht werden, der dem durch den Widerstand zwischen der äußersten Zone und dem kleinen Bereich verursachten Spannungsabfall entspricht. Nur durch diesen Ausgleich des Spannungsabfalls kann der zweite Vierschichtenbereich der Struktur zugeschaltet werden. Auf diese Weise werden beim Einschalten unter Steuerverstärkung also wesentlich höhere Spannungen benötigt als sie beim direkten Einschalten des zweiten Vierschichtenbereichs, dessen eine äußerste Zone die äußerste Zone der Struktur ist, durch den Steuerstrom erforderlich sind. Der Spannungsabfall nimmt daher mit größer werdenden Einraststrom des ersten Vierschichtenbereiches zu. Unter »Einraststrom« wird dabei der kleinste Durchlaßstrom verstanden, bei dem der Thyristor unmittelbar nach dem Zünden und dem Abklingen des Zündimpulses noch im Durchlaßzustand bleibt. Mit anderen Worten nimmt also der Spannungsabfall mit zunehmender Durchschlagspannung des Gleichrichters zu. Die zum Einschalten des Gleichrichters erforderliche Mindestdurchlaßspannung zwischen den Hauptelektroden (die-
se Mindestspannung ist im folgenden als Kippspannung bezeichnet) nimmt mit zunehmendem Spannungsabfall «irischen dem kleinen Bereich und der benachbarten äußersten Schicht der Struktur zu. Das führt dazu, daß bei direkter Parallelschaltung solcher Gleichrichter merkliche Stromunsymmetrien entstehen. Dabei kann durchaus der Fall eintreten, daß bei parallelgeschalteten Gleichrichtern einer so lange ausgeschaltet bleibt, bis der Durchlaßstrom eines benachbarten eingeschalteten Gleichrichters so weit angestiegen ist, daß dessen Durchlaßspanüung den Wert der Kippspannung des ausgeschalteten halbleitergesteuerten Gleichrichters erreicht Bei Parallelschaltung mehrerer steuerbarer Halbleitergleichrichter dieser Art nimmt daher die Stromunsymmetrie mit zunehmender Kippschaltung zu.
Es sei das Beispiel zweier direkt parallelgeschalteter Gleichrichter mit Kippspannungen von 1,3 und 1,7 V betrachtet Wenn das Steuersignal zu einem Zeitpunkt angelegt wird, wenn die über die Hauptelektroden liegende Spannung größer als die größere aer beiden Kippspannungen, also größer als 1,7 V ist, beträgt der Zeitunterschied zwischen dem Einschalten der beiden Gleichrichter nur 0,2 μ5. Wenn dagegen das Steuersignal zu einem Zeitpunkt aufgeprägt wird, zu dem die an den Hauptelektroden liegende Durchlaßspannung kleiner als die größere der beiden Kippspannungen, also kleiner als 1,7 V ist, so liegt die zeitliche Verzögerung zwischen dem Einschalten beider Gleichrichter immerhin bereits bei 2 ms.
Ein weiterer Nachteil der steuerbaren Halbleitergleichrichter mit Steuerverstärkung liegt darin/daß die Gleichrichter auch vor dem Aufprägen des Steuersignals eingeschaltet werden können. Ein solches Einschalten ohne Steuersignal kann stets dann auftreten, wenn der zeitliche Spannungsgradient dv/di der angelegten Spannung relativ groß ist und bzw. oder wenn der Gleichrichter eine relativ hohe Temperatur hat.
Beim Gleichrichter mit Steuerverstärkung sind der kleine Bereich und die Hilfselektrode in der an die äußerste Schicht angrenzenden Zwischenzone angeordnet. Die auf diese Zwischenzone folgende zweite Zwischenschicht, die also mit der zuvor diskutierten äußersten Schicht der Struktur nicht in direkter Verbindung steht, ist also größer als die an diese äußerste Zone unmittelbar angrenzende Zwischenzone, in der der kleine Bereich ausgebildet ist. Das führt dazu, daß der in den inneren Bereichen des Gleichrichters, die in Richtung der Normalen gesehen nicht von der äußersten Zone bedeckt sind, erzeugte Verschiebungsstrom und Sperrstrom in den peripheren Bereichen der kleineren äußeren Zone konzentriert sind. Diese Stromkonzentration in den peripheren Bereichen der einen äußersten Zone der Struktur führt ebenfalls zum Einschalten vor dem Aufprägen eines Steuersignals. Ein solches unbeabsichtigtes Einschalten vor dem Aufprägen eines Steuersignals verhindert nicht nur die verläßliche Steuerbarkeit eines solchen Gleichrichters, sondern führt in aller Regel auch zur thermischen Beschädigung oder Zerstörung dieser Gleichrichter.
Im Halbleitergleichrichter mit »regenerativer Steuerung« weist eine der beiden äußersten Schichten einen Vorsprung auf, der teilweise in Richtung auf eine Steuerelektrode vorspringt, ohne mit der Hauptelektrode verbunden zu sein. Ein bestimmter Bereich dieses Vorsprunges und ein Bereich einer Zwischenzone, die gegenüberliegend angrenzend an diese äußerste Zone angeordnet isl. sind elektrisch mittels einer Hilfselektrode miteinander verbunden. Beim Betneb wird zunächst dieser Vorsprung durch den über die Steuerelektrode aufgeprägten Steuerstrom eingeschaltet Der durch dieses Einschalten eingeleitete Laststromzufluß führt zum Auftraten einer Potentialdifferenz zwischen dem mit der Hilfselektrode kontaktierten Bereich des Vorsprungs und der Hauptelektrode. Diese zwischen der über die Hilfselektrode zwischen dem Bereich der Zwischenzone, die mit der Hilfselektrode in Kontakt
ίο steht, und der Hauptelektrode· aufgeprägte Spannung schaltet so den Bereich derjenigen äußersten Zone ein, der der Hilfselektrode gegenüber liegt Auch die Gleichrichter dieses Typs weisen den Nachteil auf, daß die zwischen den Hauptelektroden zum Einschalten des Gleichrichters erforderliche Mindestdurchlaßspannung, also die Fingerspannung, ebenso hoch wie in den Gleichrichtern mit der beschriebenen Form der Steuerverstärkung ist. Bei Gleichrichtern mit regenerativer Steuerung wird zunächst ein erster Vierschichtenbereich eingeschaltet dessen eine äußerste Schicht durch den Vorsprung definiert ist. Der resultierende Laststrom fließt von der Hilfselektrode über die Zwischenzone in die eine äußerste Schicht der Struktur. Wenn Gleichrichter dieses Typs mit regenerativer Steuerung direkt parallel zueinander geschaltet werden, treten die gleichen spürbaren Stromunsymmetrien wie bei der entsprechenden Schaltung der Gleichrichter mit der zuvor beschriebenen Steuerverstärkung auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen steuerbaren Halbleitergleichrichter gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, der mit schwachen Steuersignalen und kleiner Kippspannung hohe Einschaltgradienten d v/df und di/dt ermöglicht und in Zeit- und Temperaturverhalten derart
^5 stabilisiert ist, daß weder unbeabsichtigte Einschaltungen noch Stromunsymmetrien bei Parallelschaltung, noch thermische Beschädigungen auftreten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die vom Patentanspruch 1 erfaßten Maßnahmen gelöst.
Dabei ist es aus der US-PS 34 76 989 an sich bekannt, die Steuerelektrode zwischen der äußersten Zone und der Hilfszone je in einem Abstand von denselben anzuordnen.
Außerdem ist bei dem steuerbaren Halbleitergleichrichter des Patents 23 29 872 mit älterem Zeitrang die Hauptemitterzone und die Zwischenzone durch einen Teil der Hilfselektrode kurzgeschlossen. Der Gegenstand des älteren Patents unterscheidet sich jedoch von dem erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleitergleichrichter durch eine andersartige Lage der Steuerelektrode zur Haupt- und Hilfselektrode.
Da bei dem erfindungsgemäßen steuerbaren Halbleitergleichrichter die Steuerelektrode zwischen dem äußersten Bereich und dem Hilfsbereich liegt, werden beim Anlegen eines Steuersignals an die Steuerelektrode ein Teil eines Hauptgleichrichters mit der einen äußersten Zone und ein Teil eines Hilfsgleichrichters mit der Hilfszone annährend gleichzeitig eingeschaltet, während bei dem bekannten Gleichrichter der eingangs beschriebenen Art anfangs nur ein Teil eines Hilfsgleichrichters mit der Hilfezone eingeschaltet wird. Daher wird im Vergleich zum Stand der Technik die Kippschaltung vermindert und der zeitliche Stromgradier1 di/dt unmittelbar nach dem Einschalten erhöht.
Weiter ist bei dem erfindungsgemäßen Gleichrichter die eine äußerste Zone und die Zwischenzone durch einen Teil der Hilfselektrode kurzgeschlossen, so daß Leck- und Verschiebungsströme an der Stelle, an der die
Steuerelektrode und die Hilfszone angeordnet sind, über die eine Hauptelektrode abgeleitet werden können, ohne daß sie über den pn-Übergang fließen müßten. Hierdurch kann beim erfindungsgemäßen Halbleitergleichrichter der zeitliche Spannungsgradient dy/df gegenüber bekannten Gleichrichtern wesentlich erhöht werden.
Eine bevorzugte Weiterbildung und Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand des Unteranspruchs 2.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nächstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel des Gleichrichters,
Fig. 2 den Schnitt IV-IV in Fig. 1.
In den Fig.! und 2 ist ein erstes Ausführursgsbeispie! des steuerbaren Halbleitergleichrichters gezeigt. Das Halbleitersubstrat 1 besteht aus vier zusammenhängenden Schichten bzw. Zonen Pe, Nb, Pb und Ne alternierend unterschiedlichen Leitungstyps zwischen einem Paar einander gegenüberliegender Hauptoberflächen. Die Schicht Pe (im folgenden Pe-Schicht) ist eine p-leitende Emitterschicht, die Schicht Nb (im folgenden Nb-Schicht) ist eine η-leitende Basisschicht die mit der P/;-Schicht einen ersten pn-Übergang /i bildet, die '25 Schicht Pb ist eine p-leitende Basisschicht (im folgenden Ps-Zone), die mit der A/s-Schicht einen pn-Übergang /2 bildet, und die Schicht Ne ist schließlich eine n-leitende Emitterschicht (im folgenden Νε-Zone), die mit der Ps-Zone einen dritten pn-Übergang/3 bildet.
Der η-leitende Hilfsbereich 13 ist von der Νε-Zone durch die Pg-Zone isoliert. Der Hilfsbereich 13 erstreckt sich über eine kleinere Fläche als die Νε-Zone. Eine Oberfläche des η-leitenden Hilfsbereichs 13 ist in die Ps-Zone eingebettet, während die andere Oberfläche in der Ebene der oberen Hauptoberfläche des Substrats 1 freiliegt. Mit der Pf-Schicht ist unter Bildung eines ohmschen Kontaktes eine Hauptelektrode 2 verbunden. Die Hauptelektrode 2 ist auf der unteren Hauptoberfläche des Substrats 1 ausgebildet. Die gegenüberliegende Hauptelektrode 3 bildet einen ohmschen Kontakt zur Νε-Zone auf der gegenüberliegenden Hauptoberfläche. Eine Steuerelektrode 4 ist auf der freiliegenden Oberfläche der Ps-Zone an einer Stelle zwischen der Λ/f-Schicht und dem Hilfsbereich 13 ausgebildet. Auf der Oberfläche der Ps-Zone, die die obere Hauptoberfläche des Substrats mitbildet, ist eine Hilfselektrode 5 in der Weise angeordnet, daß ein Teil dieser Elektrode einen Kontakt zum Hilfsbereich 13 bildet, während der restliche Bereich der Hilfselektrode der Peripherie der NE-Zone unter Wahrung eines bestimmten vorgegebener, Abstandes gegenüber liegt. Diese umschließende. Anordnung, die einen konstanten Zwischenabstand wahrt, ist in der F i g. 1 dargestellt Die Hilfselektrode 5 steht mit dem Hilfsbereich 13 weiterhin elektrisch in der Weise in Verbindung, daß der Oberflächenbereich des Hilfsbereichs 13 frei bleibt, der der Steuerelektrode 4 zugekehrt ist. Die Hilfselektrode 5 steht weiterhin im Kontakt mit der Ps-Zone, und zwar im Bereich der äußeren Peripherie derselben außerhalb des Hilfsbereichs 13 (F i g. 1 und 2). Ein Teil des dritten pn-Übergangs /3 ist durch einen Teil der Hilfselektrode kurzgeschlossen. Wie in den Figuren dargestellt, ist ein freiliegender Teil des dritten pn-Übergangs Jt, der von der Steuerelektrode 4 entfernt, vorzugsweise dieser diametral gegenüber, liegt infolge eines Vorsprungs 14 der Νε-Zone teilweise in den von der Hilfselektrode 5 gedeckten Bereich ausgeweitet und dort mit dieser elektrisch leitend verbunden. Die Steuerelektrode 4 ist so angeordnet, daß die Vierschichtenstruktur mit dem Hilfsbereich 13 etwas eher einschaltbar ist als der Vierschichtenbereich, der der Ni~Zone zugeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Struktur also so dimensioniert, daß die Dichte des Steuerstroms /V, 1, der von der Steuerelektrode 4 in den Hilfsbereich 13 fließt, größer ist als die Dichte des Steuerstroms ic;2, der von der Steuerelektrode 4 in die N/~Zone fließt. Zu diesem Zweck ist die Steuerelektrode 4 näher am Hilfsbereich 13 angeordnet. Alternativ dazu kann der Bereich der Pa-Zone, der zwischen der Steuerelektrode 4 und der Νε-Zone liegt, dünn gehalten werden.
Der Gleichrichter arbeitet wie folgt: Im gesperrten Zustand liegt zwischen den Hauptelektroden 2 und 3 eine Spannung in der Weise, daß die Elektrode 3 auf hohem Potential liegt. Beim Anlegen einer Steuerspannung zwischen der Steuerelektrode 4 und der Hauptelektrode 3, wobei die Steuerelektrode 4 auf hohem Potential liegt, beginnt ein Steuerstrom von der Steuerelektrode 4 in den Hilfsbereich 13 und die Νε-Zone zu fließen. Der Betrag des Steuerstroms wird durch den Widerstand auf dem Pfad von der Steuerelektrode 4 über den Hilfsbereich 13 und die Hilfselektrode 5 zur Νε-Zone und durch den Pfad von der Steuerelektrode 4 direkt zur Ne-Zone bestimmt. Da ein größerer Anteil des Steuerstroms in den Hilfsbereich 13 und nicht in die Νε-Zone bei der zuvor beschriebenen Anordnung der Elemente fließt, wird zunächst der Vierschichtenbereich der Struktur eingeschaltet, der durch den Hilfsbereich 13 als äußerster Schicht definiert ist. Durch die Hilfselektrode 5 fließt in die zu dieser Hilfselektrode 5 benachbarte gegenüberliegende Νε-Zone ein Laststrom /Vi. Dadurch wird der Vierschichtenbereich eingeschaltet, dessen äußerste Schicht durch die Νε-Zone definiert ist. Dieses Einschalten erfolgt dabei in dem Randbereich der Νε-Zone, der der Hilfselektrode 5 gegenüberliegt. Der Steuerstrom, der von der Steuerelektrode 4 in den dieser gegenüberliegenden Bereich der Νε-Zone fließt, ist kleiner als die Dichte des Steuerstroms, der in den Hiifsbereich 13 fließt. Dadurch erfolgt das Einschalten der Νε-Zone mit einer geringen zeitlichen Verzögerung gegenüber dem Einschalten desjenigen Vierschichtenbereiches, der durch den Hilfsbereich 13 als äußerste Zone definiert ist. Auf diese Weise vermag die Struktur eine sehr große Anstieggeschwindigkeit di/dt in der Anfangsphase des Einschaltvorganges aufzunehmen.
Um diese Betriebsweise mit einem Gleichrichter nachdem Stand der Technik zu erzielen, muß die zwischen den Hauptelektroden angelegte Spannung größer als die kleinste Spannung sein, die erforderlich ist, den Laststrom /Vi aufgrund des Steuerstroms /ei zu erzeugen. Im Gegensatz dazu ermöglicht der Gleichrichter gemäß dem Ausführungsbeispiel die Einstellung des Laststroms ir2 aufgrund des Steuerstroms ic 2 selbst dann, wenn der Laststrom /Vi nicht auftreten kann, da die zwischen den Hauptelektroden liegende Spannung zu niedrig ist Mit anderen Worten beginnt also der Laststrom /V2 bereits bei einer äußeren Spannung zu fließen, die niedriger als die Spannung ist, die für den Laststrom /Vi erforderlich ist Diese Differenz entspricht dem Wert des Spannungsabfalls durch den Laststrom /Vi, der von der Hilfselektrode 5 durch die Pe-Zone in die Νε-Zone fließt Dadurch kann die zum Einschalten des Gleichrichters zwischen den Hauptelektroden erforderliche Mindestspannung, also die Kippspannung, gegenüber den Halbleitergleichrichtern nach
dem Stand der Technik wesentlich gesenkt werden. Gleichzeitig können hohe Einschaltstiomanstiege d/'/df aufgenommen werden. Es wird also ein steuerbarer Gleichrichter erhalten, der keine oder nur vernachlässigbare Stromunsymmetrien in Parallelschaltungen erzeugt. Da weiterhin ein Teil des dritten pn-Überganges Ji durch einen Teil der Hilfselektrode 5 kurzgeschlossen ist, werden sowohl ein Verschiebungsstrom als auch ein im Gleichrichter erzeugter Sperrstrom, die insbesondere in den ftandbereichen des Halbleitersub-
strats entstehen können, von der Hilfselektrode 5 gesammelt und fließen in die Nt-Zone, ohne durch den dritten pn-Übergang /3 zu fließen. Dadurch kann im Gleichrichter der Erfindung auch der zeitliche Spannungsverlauf d v/dt wesentlich erhöht werden.
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die beschriebene Zonenfolge hinsichtlich des Leitungstyps umgekehrt werden. Weiterhin können die Λ/^Schicht und die Hilfselektrode 5 kammartig gezahnt und miteinander verzahnt sein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Steuerbarer Halbleitergleichrichter mit einem Halbleiterkörper mit vier zwischen einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen liegenden, zusammenhängenden Zonen (Pe, Nb. Pb, Ne) alternierenden Leitungstyps,
DE2449089A 1973-10-17 1974-10-15 Steuerbarer Halbleitergleichrichter Expired DE2449089C3 (de)

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JP11590973A JPS5413959B2 (de) 1973-10-17 1973-10-17

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DE2449089B2 DE2449089B2 (de) 1977-04-14
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