DE3340012A1

DE3340012A1 - Schalttyristoren

Info

Publication number: DE3340012A1
Application number: DE19833340012
Authority: DE
Inventors: Barry Wayne Acton London Williams
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-11-16
Filing date: 1983-11-04
Publication date: 1984-05-17
Also published as: GB2130028B; GB2130028A; JPS59155168A

Description

BESCHREIBUNG: (f

Die Erfindung betrifft einen Vollsteuer-Schaltthyristor (GTO).

Ein herkömmlicher Thyristor ist eine Hochleistungs-Halbleitervorrichtung mit einem P-N-P-N-Aufbau, der durch Anlegen eines Anschaltimpulses am Gatter oder Schalteingang der Vorrichtung beaufschlagt wird und solange

^q durchsteuert, bis der Hauptstrom unter einen minimalen Pegel (Haltestrom) abfällt, der erforderlich ist, den Strorafluß durch Regenerationswirkung (Gegenstrom) aufrecht zu erhalten. Thyristoren weisen gesteuerte Halbleitergleichrichter (SCR) auf, die meist nur in einer Richtung leiten sowie Triacs, die in beiden Richtungen durchsteuern.

Es wurden verschiedene Vorschläge für Vollsteuerschaltthyristoren gemacht, d.h. gesteuerte Halbleitergleichrichter die durch Anlegen eines Abschaltimpulses an den Schalteingang der Vorrichtung abgeschaltet werden können. Diese Vorrichtungen verwenden meist einen gemeinsamen Schalteingang oder ein Schaltgatter für das Ein- und Ausschalten, wobei das Einschalten durch Anlegen des positiven Impulses an das Schalttor und das Abschalten durch das Anlegen eines negativen hochstromigen Schaltimpulses an den Schalteincrang erfolgt. Diese Vorrichtungen weisen jedoch eine schwache Abschaltleistung auf (normalerweise einen Abschaltverstärkungsgrad von weniger als 5 und eine Abschaltzeit von 5 bis 30 Mikr ο Sekunden) -.·

In der Anmeldung Nr. 2 069 255A ist ein Vollsteuerschalt-Thyristor beschrieben, der durch Anlegen eines positiven Impulses an einen ersten Schalteingang angeschaltet und durch Anlegen eines positiven Impulses an einen zweiten Schalteingang abgeschaltet werden kann.

-2-

Die Anordnung ist so ausgelegt, daß sie parallel zum Strompfad zwischen dem Schalteingang und der Kathode des gesteuerten Halbleitergleichrichters beim Abschalten einen Pfad von genügend niedriger Impedanz bietet, daß der Hauptstromfluß unter den Pegel abfällt, der erforderlich ist, den Stromfluß durch Regenerationswirkung aufrecht zu erhalten. Eine Vorrichtung dieser Bauart weist normalerweise einen Abschaltverstärkungsgrad in der Größenordnung von 100 und eine Abschaltzeit von wenigen Mikrosekunden auf.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine integrierte Halbleitervorrichtung zu schaffen, welche eine Verbesserung gegenüber der in der Anmeldung Nr.2 069 255A beschriebenen Vorrichtung sowohl leistungs- als auch herstellungsmäßig bietet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Thyristorbereich auf, in dem die folgenden Elemente eingebaut sind: (1) Ein Thyristorbereich, der eine erste und eine zweite im Abstand voneinander angeordnete Elektrode und weitere Elektroden zwischen den beiden Hauptelektroden umfaßt, welche einen Strompfad für den Hauptstrom zwischen den Hauptelektroden bilden, wobei zu den weiteren Elektroden eine Schaltbereichelektrode zum Anschalten des Hauptstromes zwischen den Hauptelektroden beim Anschalten der Vorrichtung und zum Abschalten des Hauptstroms beim Abschalten der Vorrichtung gehört; und (2) ein Schaltbereich, der eine erste und zweite Elektrode sowie eine zwischen diesen beiden angeordnete Steuerelektrode aufweist, welche einen Strompfad zwischen der ersten und zweiten Elektrode bildet, wobei die erste Elektrode des Schaltbereichs gemeinsam mit der Schaltbereichelektrode des Thyristorbereichs eine Elektrode bildet, und die zweite Elektrode des Schaltbereichs elektrisch an die zweite Hauptelektrode des Thyristorbereichs gekoppelt ist, wodurch der Schaltbereich beim Anschalten der Vorrichtung beaufschlagt wird und eine

-3-

BAD ORIGINAL

Abschaltspannung an der Steuerelektrode des Schaltbereichs anliegt, um einen Pfad von genügend niedriger Impedanz parallel zum Hauptstrompfad zwischen der Schaltbereichelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Thyristorbereichs

r- zu schaffen, damit der Hauptstromfluß unter den Pegel abo

falle, der erforderlich ist, diesen Stromfluß durch Regenerationswirkung aufrecht zu erhalten, wodurch die Vorrichtung abschaltet.

_in Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da ein einziger gemeinsamer Bereich für die Schaltbereichelektrode des Thyristorbereiches und die Steuerelektrode des Schaltbereiches die Herstellung erheblich vereinfacht und es gestattet, andere Konstruktionsmerkmale mit einzubauen,

, p- die sonst nicht zweckmäßig wären. Außerdem haften der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht die Nachteile des früher vorgeschlagenen Vollsteuerschalttransistors mit einem einzigen Schalttor an.

2Q Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die erste und zweite Hauptelektrode des Thyristorbereichs auf entgegengesetzten Seiten des Trägers ausgeformt, wobei die weiteren Elektroden zwischen den Haupteleketroden angeordnet sind und einen Pfad für den Hauptstrom zwischen

2g den Hauptelektroden über den Träger hinweg bilden. Außerdem können die Elektroden des Schaltbereiches gegenüber den Elektroden des Thyristorbereiches so angeordnet sein, daß der Strompfad zwischen der ersten und zweiten Elektrode des Schaltbereiches im allgemeinen parallel zum Hauptstrompfad des Thyristorbereiches liegt.

Als Folge der funktioneilen Bereichsüberlappung zwischen dem Thyristor- und Schaltbereich können die Steuerelektroden von zwei auf eine reduziert werden. In diesem Falle wird der Schaltbereich beim Abschalten der Vorrichtung an-

, gesteuert, und eine Anschaltspannung liegt an der Steuerelektrode des Schaltbereiches an, um den Fluß des Hauptstromes zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode des Thyristorbereiches auszulösen, wodurch die Vorrichtung an-

,_ geschaltet wird. Die Tatsache, daß eine einzige Steuer-5

elektrode für das An- und Abschalten verwendet wird, vereinfacht die Anschlüsse an externe Schaltungen des Gerätes im Vergleich zu der in der Anmeldung Nr. 2 069 2 55A beschriebenen Vorrichtung.

Bei Bedarf können jedoch immer zwei Steuerelektroden vorgesehen werden. In diesem Falle besorgt eine zweite Steuerelektrode das Anschalten der Vorrichtung, wobei diese zweite Steuerelektrode zusammen mit der Schaltbereichelektrode des Thyristorbereiches eine Elektrode darstellt und so geschaltet ist, daß sie den Hauptstromfluß zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode des Thyristorbereiches auslöst, wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, wobei eine Anschaltspannung an der zweiten Steuerelektrode anliegt.

Ist nur eine einzige Elektrode vorgesehen, so ist es vorteilhaft, wenn die Verbindung zwischen der Steuerelektrode des Schaltbereiches und der Schaltbereichelektrode infolge der Sperrvorspannung am Verbindungspunkt durch die Anschalt-

₂P- spannung unterbricht, wenn diese an der Steuerelektrode anliegt, wodurch eine Spannung an der Schaltbereichelektrode ansteht, welche den Hauptstromfluß zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode des Thyristorbereichs auslöst. Damit kann die Vorrichtung in besonders einfacher

on Weise mit einer minimalen Zahl von Fertigungsstufen hergestellt werden. Der Schaltbereich kann ein doppelpoliger Transistor sein,dessen Basis die Steuerelektrode des Schaltbereiches darstellt. Der Transistor ist vorzugsweise ein P-N-P-N-Transistor, und die Schaltbereichelektrode des Thyristorbereichs ist ein P-Basisbereich, wobei der Emitter

33 AOO 1 2 _ΛΌ

des Transistors zusammen mit dem P-Basisbereich des Thyristorbereiches geschaltet ist.

Um sicherzustellen, daß die Thyristorwirkung auf dem Thy-,-ristorbereich beschränkt bleibt, ist vorzugsweise ein niederohmiger Bereich gegenüber dem Schaltbereich nahe der ersten Elektrode vorgesehen- Außerdem weist die zweite Elektrode vorzugsweise einen verhältnismäßig hochohmigen Mittelbereich auf, so daß bei den niedrigen Strompegeln _in während des Abschaltens der Hauptstrom bestrebt ist, in die äußeren Bereiche der Elektrode zu fließen und dadurch das Verfahren zu fördern, nachdem der Hauptstrom über den Schaltbereich während des Abschaltens nebengeschlossen wird.

_1S- Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Steuerelektrode und die zweite Elektrode des Schaltbereichs vom Thyristorbereich durch einen Kanal oder eine Rinne im Träger getrennt, wobei die Anschlüsse an die erste und zweite Hauptelektrode durch Druckplattenkontakte

on erfolgen. Um diese Kontakte nicht zu stören, kann der Anschluß für die Steuerelektrode über einen in einer Rinne angeordneten Kontakt erfolgen.

Die Vorrichtung kann so ausgelegt sein, daß der Ansteuerstrom für die Steuerelektrode des Schaltbereiches am Knotenpunkt zwischen der Schaltbereichelektrode des Thyristorbereichs und der Steuerelektrode ansteht, wenn der Hauptfluß zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode des Thyristorbereiches fließt. Die Tatsache, daß der Ansteuer-QQ strom für den Schaltbereich aus der Schaltbereichelektrode des Thyristorbereiches stammt, bedeutet, daß kein eigener Anschluß für den Schaltbereich erforderlich-ist, der als gemeinsamer Anschluß mit der Schaltbereichelektrode ausgelegt ist.

-6-

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Fign. 1A-1C drei verschiedene Stromlaufplane einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fign. 2A-2B Stromlaufplane entsprechend der Darstellung der Fig. 1C mit den Anschalt- und Abschalt

kreisen der Vorrichtung;

Fig.3 ein schematischer Grundriß von einer Seite des Trägers ohne Kontakte;

Fig. 4 eine Detailzeichnung von Fig. 3;

Fig. 5 einen Schnitt durch einen Abschnitt der Vorrichtung längs der Linie V-V der Fign. 3 und 4;

Fig. 6 ein Kurvenbild des Abschaltverstärkungsgrades (J über der wirksamen Basisbreite W, für verschiedene Konzentrationsgehalte der Basis eines Transistorbereiches der Vorrichtung;

Fig. 7 ein Bereich gleich dem der Fig. 5 einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Die dargestellten Vorrichtungen können als Vollsteuerschaltthyristoren (GTO-SCR) bezeichnet werden, wobei jede Vorrichtung mehrere Halbleiterelemente umfaßt, die auf einem einzigen Haltleiterträger integriert sind. Obwohl die Zeichnungen der besseren Erläuterung vom Aufbau und Funktion, dieser Vorrichtungen dienen, sei bemerkt, daß sie

— 7 —

keine wahren Darstellungen der praktischen Ausführungsformen dieser Vorrichtung sein sollen. In der Praxis könnten die verschiedenen Bauteile und die verschiedenen Bereiche der einzelnen Bauteile körperlich nicht voneinander zu unterscheiden sein, wobei auch der wirkliche Aufbau etwas komplizierter sein kann als in der Darstellung der Figuren.

Fig. 1A zeigt die Grundform der Vorrichtung, aus der zu

+ — + ersehen ist, daß die Vorrichtung einen Bereich 1 ρ η pn SCR

^0 aufweist, der durch einen geätzten Kanal oder eine Rinne 2 von einem Bereich 3 pnp Paralleltransistor getrennt ist. Der gesteuerte Halbleiterbereich 1 weist eine Anode 4 ρ , eine Basis 5 η , einen Basisbereich 6 ρ und eine Kathode 7 η auf. Der Transistorbereich 3 weist einen Emitter 8 p,

IS eine Basis 9 η und einen Kollektor 10 ρ auf. Der Bereich ρ besteht gemeinsam mit der Basis 6 ρ des SCR-Bereiches 1 und dem Emitter 8 des Transistorbereiches 3. Ein Tor- oder Schaltgliedkontakt 11 ist an die Basis 9 des Transistorbereiches 3 geführt, um das An- und Abschalten der Vorrichtung ^zu steuern. Bei einer abgeänderten Ausführung der Vorrichtung ist ein eigener Schaltkontakt 12 an die Basis 6 ρ des SCR-Bereiches 1 zum Anschalten der Vorrichtung geführt, wobei der Schaltkontakt 11 nur zum Abschalten dient. Ein Kathodenkontakt 13 ist mit der Kathode 7 des SCR-Bereiches 1 und dem Kollektor 10 des Transistorbereiches 3 verbunden. Ein Anodenkontakt 14 ist an die Anode 4 ρ des SCR-Bereiches 1 und an den Anodenbereich 15 η angeschlossen, der sicherstellt, daß die SCR-Wirkung auf den SCR-Bereich 1 beschränkt bleibt.

Fig. 1B zeigt den aus dem integrierten Aufbau der Fig.iA herausgezogenen Transistorbereiches 3, wobei kein direkter Kontakt zum Basisbereich 6 ρ des SCR-Bereiches 1 besteht (der das Schalttor eines herkömmlichen gesteuerten HaIbgleichrichters oder SCR bildet) oder zum Emitter 8 des

Transistorbereiches 3 der abgebildeten Vorrichtung.

Die Ersatzschaltung der Fig. 1C zeigt die verschiedenen Verbindungspunkte des SCR-Bereiches 1 und des Transistorbereiches 3 als Flächendioden P-N D , D. , D , D _fa und D ,. Dieses Modell dient nur zur Erläuterung der An- und Abschaltkreise des Schaltbereiches.

Damit der SCR angeschaltet werde, muß die das SCR-Schalttor zum KathodenVerbindungspunkt darstellende Diode D in Vorwärtsrichtung vorgespannt werden (Fig. 2A) um einen Stromfluß von der Anode zur Kathode der Diode zu schaffen. Dies wird durch eine genügend starke Erhöhung der Schalttorspannung über das Kathodenpotential erreicht, um einen Anschaltstrom zu erzeugen. Dieser Anschaltkreis stützt sich auf den Gegenstrom, der durch die Diode D ^ läuft, welche die Emitter-Basisverbindung des Transistors darstellt. Ein genügend starker Schalttorstrom zum Anschalten wird dadurch sichergestellt, daß D , unter Gegenvorspannung bis zum Durchbruch bei einigen wenigen Volt wegen der Zener- oder Lawxnendurchbruchwirkung geschaltet ist. Liegt die Schalttorspannung über dem Durchbruchpegel von D , , dann kann die Stärke des Schaltstromes durch die externe Gatterschaltung gesteuert werden. Die Diode D , , die die Kollektor-Basisleitung des Transistors darstellt, ist während der Einschaltphase ebenfalls in Gegenrichtung vorgespannt, und daher muß schaltungsmäßig vorgesehen werden, daß der Durchbruchpegel der Gegenspannung von D , größer ist als der von D r . Damit wird sichergestellt, daß D , nicht den durch D , und D gebildeten Anschaltpfad überbrückt. Diese Forderungen an die Durchbruchspannung werden durch Wahl entsprechender P-N-Dotierungsdichten für die Einzelbereiche des Transistorbereiches 3 erfüllt.

Um eine SCR-Abschaltung zu erreichen, wird die Torspannung unter die Kathodenspannung abgesenkt, wodurch ein Teil des SCR-Hauptstromes über die Diode D , nebengeschlossen wird, welche die Emitter-Basisverbindung des Transistors darstellt. Auf diese Weise wird der Basis-Emitterweg in Vorwärtsrichtung vorgespannt, und der Basisstrom wird für den Transistorbereich 3 gewonnen. Damit wird der Transistorbereich 3 angesteuert, sättigt bei einer sehr niedrigen Spannung und steuert unter Überbrückung von D den Hauptstrom durch. D.h., daß die an D anliegende Spannung zu niedrig ist, um die erforderliche Elektroneninjektion zu bewirken, damit der SCR-Bereich 1 durch Regenerationswirkung in seinem angekoppelten Zustand verbleibe. Der Schaltstrom fällt auf Null zurück, wenn der Hauptstrom des SCR auf Null fällt, wobei D in Gegenrichtung durch die negative Schalttorspannung vorgespannt wird.

Die Vorrichtung wird durch Diffundieren in beide Seiten eines Silikonträgers von der Bauart η ausgeformt. Fig.3 zeigte eine Ansicht der Kathodenseite des Trägers 18 ohne Kontakte, wobei das mittlere Schalttor 22 sowie sechs Transistoren und die dazwischen parallel geschalteten SCR-Blöcke 19 gezeigt sind, welche das Schalttor 22 umschliessen. Fig. 4 zeigt einen Abschnitt von einem der parallel dazwischengeschalteten Blöcke 19 in näheren Einzelheiten, woraus hervorgeht, daß der SCR-Bereich 20 und der Transistorbereich 21 parallel miteinander verschaltet sind, um sicherzustellen, daß alle Teile des SCR-Abschnitts nächst dem Transistorabschnitt angeordnet sind, um den Basisquerwiderstand ρ möglichst klein zu halten. Natürlich sind auch andere Schaltungsanordnungen des SCR- und des Transistorbereichs möglich.

Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil des Trägers 18 im parallel geschalteten Block 19. Im oberen Abschnitt dieses Bereiches ist ein Unterbereich ρ dargestellt,

welcher die SCR-Anode 4 bildet sowie eine Anode 15 η , welche den SCR-Hauptstrom auf den SCR-Bereich 1 beschränkt. Eine ununterbrochene Schicht aus Aluminiumüberzug 30 bedeckt diese Seite des Trägers 18 und ermöglicht einen An-Schluß an die Anode mit einem nicht gezeigten metallischen Druckplattenkontakt. Im unteren Abschnitt des dargestellten Bereiches ist ein verhältnismäßig dicker Unterbereich ρ gezeigt, der die Basis 6 ρ des SCR-Bereiches 1 darstellt. Die SCR-Kathode 7 weist einen Bereich 31 η und einen Mittelbereich 32 η auf. Der Bereich 32 η ist Teil eines N-Epitaxialbereich.es und hilft beim Abschalten des SCR-Bereiches 1, da der SCR-Hauptstrom vorzugsweise im Bereich η und nicht im Mittelbereich 32 η fließt, so daß der Fluß des SCR-Hauptstromes bei niedrigen Strompegeln während des Abschaltens geteilt wird und bestrebt ist, zu den benachbarten Transistorabschaltbereichen zu fließen, wobei das Verfahren unterstützt wird, durch welches der Hauptstrom über den Transistorbereich 3 während des Abschaltens nebengeschlossen wird.

Der Emitter 8, die Basis 9 und der Kollektor 10 des Transistorbereiches 3 werden durch die Unterbereiche ρ , η und ρ gebildet, wobei der Transistor- und SCR-Bereich 1 und 3 durch die geätzten Rinnen oder Kanäle 2 voneinander getrennt sind. Wie erwähnt, muß die Durchbruchspannung des Emitter-Basisweges des Transistorbereiches 3 kleiner sein als die des Kollektor-Basisweges, und dies wird durch den Schalttorverstärkerbereich 32 η gefördert. Dieser Bereich 33 verringert auch den Eingangswiderstand des Schalttores (gate access resistance) und erhöht den Verstärkungsfaktor des Transistorbereiches 3 durch Verbesserung seiner Gummel-Zahl.

Die maximale Dotierung der Basis ρ des SCR-Bereiches 1

24 -3 ist auf weniger als 2.10 Atome . m begrenzt, um eine richtige Verriegelungs- oder EinkLinkunqswirkunq dos SCR-Bereiches 1 sicherzustellen. Der Emitter 8 des Tran-

BAD ORIGINAL

sistorbereiches 3 wird daher durch einen Unterbereich 34 ρ gebildet, der sich auch über den Schalttorkontakt hinaus erstreckt. Dieser Unterebereich 34 erhöht den Verstärkungsgrad des Transistors durch Verbesserung des Wirkungsgrades der Emitterinjektion. Er schließt auch die Möglichkeit aus, daß das Schalttor einen Parasiten-SCR bildet, welcher während der Äbschaltphase ankoppeln oder verriegeln würde und stellt sicher, daß der Emitter-Basisweg des Transxstorbereiches 3 unter der Gegenvorspannung durch- IQ bricht, ehe der Kollektor-Basisweg für die richtige Anschaltwirkung erforderlich ist. Die Notwendigkeit mit diesem Bereich ρ kann durch eine gut durchdachte Anordnung und Positionierung des Basiskontaktes vermieden werden.

Die Aluminiumschichten 35 und 36 werden auf die Kathode 7 des SCR-Bereiches 1 sowie auf den Kollektor 10 des Transxstorbereiches 3 aufgebracht, und eine weitere Metallisierungsschicht 37 stellt die Schalttorkontakte dar. Diese sind in den geätzten Kanälen oder Rinnen 38 ausgeformt und bilden Kathoden- und Schalttorkontakte auf geteilter Stufe. Damit kann das herkömmliche Metallplattierungsverfahren für den Kathodendruckkontakt verwendet werden, ohne den gasförmigen Schaltkontakt zu stören. Die Trennung zwischen den Transistor- und SCR-Bereichen 1 und 3 sowie die Passivierung des Knotenpunktes werden durch SiO„-Schichten 39 an den Wänden der geätzten Rinnen 2 und 38 unterstützt.

Die normalen Dotierungsdichten der verschiedenen Bereiche der Vorrichtung sind wie folgt:

qn + 26 —3

^ύυ η 1.10 Atome . m

p 1.10 Atome . m

+ 24 -3

ρ 3.10 Atome . m

ρ 1.5.10 Atome . m

22 -3

η(epitaxial)2.10 Atome . m

n~ 6.1O¹⁹ Atome . m"³

Die Basis 9 des Transistorbereiches 3 weist eine geringe Dotierungsdichte auf und ist sehr schmal, um einen hohen Verstärkungsgrad zu erzielen. Fig. 6 stellt ein Kurvenbild des Abschaltverstärkungsfaktors ß über der wirksamen Basis-

,- breite W, des Transistorbereiches 3 für verschiedene Dob b

tierungsdichten der Basis 9 dar, wobei folgendes angenom-

24 -3 men wird: Emitterdotierungsdichte von 2.10 .Atome.m ,

2 6 —3 Kollektordotierungsdichte von 1.10 .Atome.m bei einer Umgebungstemperatur von 2 5 C.

Um einen von dem SCR-Bereich 1 durchgesteuerten Hauptstrom zu löschen, damit die SCR-Anode eine hohe Spannung bei geringem Leckstrom führen kann, finden die folgenden Abschaltvorgänge statt. Ein Auslösestromimpuls zwischen der Basis 9 des Transistorbereiches 3 und der SCR-Kathode 7 lädt den Basis-Emitterweg des Transistorbereiches 3 auf. Injizierte Mangelstellen durcheilen die äußerst schmale Basis zum Kollektor 10. Ein Teil des Hauptstroms des gesteuerten Halbleitergleichrichters fließt von seinem P-Basisbereich 6 zum Transistorbereich 3, der bei einer äußerst niedrigen Spannung V , .. sättigt. Diese Span-

Cg(sat)

nung ist erheblich niedriger als die p-Basis-Kathodenmetallisierungsspannung des SCR,so daß der Hauptstrom im p-Basisbereich 6 quer zum Emitter 8 des Transistorbereiches 3 versetzt wird. Die sich daraus ergebende niedrige p-Basis-Kathodenspannung bewirkt, daß wenige Elektronen in den p-Basis-Bereich des gesteuerten Halbleitergleichrichters von der Kathode 7 injiziert werden.

Da der n-Basis-Bereich 5 des SCR keine starken Elektroneninjektionen in den p-Basisbereich 6 bewirken kann, und der Kathodeninjektionspegel sehr niedrig ist, verringert sich der Überschuß der p-Basis über die Minoritätssättigungsladung hinaus.

33 AOO 1 2 _JO

Ao

Der hohe spezifische Widerstand des n-Baisbereichs 5 des SCR bewirkt, daß die Überschußminoritätsladungsverteilung der η-Basis seitlich langsamer versetzt wird als der entsprechende Ladung der p-Basis. Die Ladung der η-Basis kann beim Bestreben, sich auf den Transistorbereich 3 einzutrimmen keine genügenden Injektionsmangelstellen von der Elektrode 4 erhalten, weil dieser Bereich vom Anodenbereich ρ nur teilweise beeinflußt wird, und der Bereich 15 η Elektronen für die Wiedervereinigung mit den injizierten Mangelstellen in diesen Bereich liefert. Vom SCR-p-Basisbereich 6 und dem Anodenbereich ρ injizierte Elektrorienmangelstellen genügen nicht, die Sättigungsladung des Überschußminoritätsträgers der η-Basis aufrecht zu erhalten. Der mittlere SCR-Anschlußpunkt bleibt in Vorwärtsrichtung vorgespannt, bis beide Sättigungsladungen auf Null zurückgeführt werden, wobei die Ladungsneutralität aufrecht erhalten bleibt. Der Transistorbereich 3 steuert den vollen Hauptstrom durch, und die Anschlußspannung der Vorrichtung fällt leicht ab.

Der mittlere SCR-Anschlußpunkt erholt sich wie eine in Gegenrichtung durchsteuernde Diode (nach der Periode -di/dt). Die Gegenvorspannung des mittleren Anschlußpunktes steigt schnell mit dem Abfallen des Wiederkehrstromes mit einer exponentiellen Abstiegsflanke an. Ein zur SCR-Anode-Kathode parallel geschalteter Dämpfungskondensator verringert die Energiebelastung des mittleren Anschlußpunktes während dieser Abschaltphase.

Der Transmitterbereich 3 bleibt gesättigt, wobei der Wiederkehrstrom unterhalb des Haltestrompegels des SCR durchgesteuert wird. Der Transistorbereich 3 verläßt die Sättigung, wenn der Wiederkehrstrom einen Pegel erreicht, an dem der Verstärkungsgrad des Transistorbereiches 3 in-

folge der Rekombinationserzeugung des Trägers abfällt, d.h. auf einen Pegel, der erheblich unter dem Haltestrompegel des SCR liegt. Die Erholung und daher die Abschaltung ist damit vollständig, worauf die Ansteuerspannung für die Basis abgeschaltet werden kann.

Diese Abschaltkreise können auch so angesehen werden, daß sie das leitende Plasma in einen "wirksam verkürzten" Kathodenbereich von äußerst geringem spezifischen Widerstand (entsprechend dem Transistorbereich 3)und in einen verkürzten Anodenbereich mit einem entsprechend niedrigen spezifischen Widerstand (entsprechend dem Anodenbereich 15 ohne ρ -Diffusion) "ziehen". Der Nebenschlußtransistorbereich 3 soll einen hohen Vorwärts- und Rückwärtsverstärkungsgrad, jedoch eine sehr niedrige Ein- und Ausschaltspannungscharakteristik aufweisen.

Fig. 7 zeigt einen Bereich wie den der Fig. 5, jedoch eine abgeänderte Ausfuhrungsform der Vorrichtung, bei welcher getrennte Schaltkontakte 11 und 12 zum Aus- und Einschalten der Vorrichtung vorgesehen sind. Ein direkter Kontakt wird zwischen der Metallbeschichtung 40 am Schalttor und der p-Basis 6 des SCR-Bereiches über eine Region 41 ρ hergestellt, und das Anschalten erfolgt über einen positiven Impuls der direkt am Anschalttor anliegt, so daß der Emitter-Basispfad des Transistorbereichs 3 nicht mehr bei einer niedrigen Spannung durchbrechen muß. Sonst ist die abgeänderte Vorrichtung im wesentlichen gleich der Konstruktion der Vorrichtung der Fig. 5. Da diese Vorrichtung über ein eigenes Schalttor für das Anschalten verfügt, bleiben seine elektrischen Charakteristiken im wesentlichen die eines herkömmlichen gesteuerten Halbleitergleichrichters. Außerdem gibt es keinen Kompromiß bezüglich der Hochspannungseigenschaften der SCR-Vorwärtssteuerung. Bei Bedarf kann auch dem Anschalttor ein Verstärkungstor beigefügt werden.

Außer den vorstehend beschriebenen Beispielen sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können andere Trennungsverfahren wie Bestrahlung und Diffusion zusätzlich zu den oder anstelle von den geätzten Rinnen verwendet werden. Auch die Schalttore brauchen nicht in den geätzten Bereichen des Trägers angeordnet zu sein. Ebenso kann der Schaltbereich zum Durchsteuern des Hauptstromes beim Abschalten in der Form einer zweipoligen Vorrichtung nach dem Muster N-P-N oder P-N-P, einer Vorrichtung mit η-Kanal oder p-Kanal-Feldsteuerung, einer III-V-Technology Device, einer einer supraleitenden oder einer anderen Schaltvorrichtung ausgeführt sein. Der Schaltbereich kann auch in den Anodenkreis des SCR statt in den Kathodenkreis eingefügt sein wie bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen. Schließlich kann der Bereich 15 η entfallen, um eine Vorrichtung mit Gegenspannungssperreigenschaften zu schaffen.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Schaltthyristor mit einem Halbleiterträger, in den wie folgt integriert ist: (1) ein Thyristorbereich mit

ρ- einer ersten und von dieser im Abstand angeordneten zweiten Hauptelektrode sowie weitere zwischen den Hauptelektroden angeordnete Elektroden, die einen Pfad für den Hauptstrom zwischen den Hauptelektroden bilden, wobei die weiteren Elektroden eine Schaltbereichelektrode _n zum Auslösen des Hauptstromflusses zwischen den Hauptelektroden beim Anschalten und zum Beenden des Hauptstromflusses beim Abschalten der Vorrichtung umfassen; und (2) einen Schaltbereich, der eine erste und zweite sowie eine Steuerelektrode aufweist, die zwischen der

^ ersten und zweiten Elektrode angeordnet ist und einen Pfad für den Strom zwischen der ersten und zweiten Elekrode bildet, wobei die zweite Elektrode des Schaltbereichs elektrisch an die zweite Hauptelektrode des Thyristorbereiches gekoppelt ist und der Schaltbereich beim Einschalten der Vorrichtung geschaltet wird, worauf eine Abschaltspannung an der Steuerelektrode des Schaltbereiches anliegt, um einen Pfad von genügend niedriger Impedanz parallel zum Hauptstrompfad zwischen der Schaltbereichelektrode und der zweiten Hauptelektrode des Thyristorbereiches zu schaffen, damit der Hauptstromfluß unter den Pegel abfalle, der erforderlich ist, diesen Stromfluß durch Regenerationswirkung zu erhalten, worauf die Vorrichtung abschaltet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrode (8) des Schaltbereiches (3) gemeinsam mit der Schaltbereichelektrode (6) des Thyristorbereiches (1) ausgeführt ist.

2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Hauptelektrode (4,7) des Thyristorbereiches (1) an sich gegenüberliegenden Seiten des

Trägers (18) ausgeformt sind und, daß die weiteren Elektroden (5,6) zwischen den Hauptelektroden (4,7) angeordnet sind, wobei sie einen Strompfad für den Hauptstrom zwischen den beiden Hauptelektroden (4,7) über den Träger (18) hinweg bilden.

3. Thyristor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8,9,10) des Schaltbereiches (3) gegenüber den Elektroden (4,5,6,7) des Thyristorbereiches (1) so angeordnet sind, daß der Strompfad zwischen der ersten und zweiten Elektrode (8,10) des Schaltbereiches (3) im allgemeinen parallel zum Hauptstrompfad des Thyristorbereiches (1) liegt.

4. Thyristor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltbereich (3) geschaltet wird, wenn die Vorrichtung abschaltet, wobei eine Abschaltspannung an der Steuerelektrode (9) des Schaltbereiches (3) anliegt, um den Hauptstromfluß zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode (4,7) des Thyristorbereiches (1) auszulösen, worauf die Vorrichtung anschaltet.

5. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Steuerelektrode zum Anschalten der Vorrichtung vorgesehen ist, die gemeinsam mit der Schaltbereichelektrode (6) des Thyristorbereiches (1) ausgeführt ist und den Fluß des Hauptstromes zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode (4,7) des Thyristorbereiches (1) auslöst, wenn die Vorrichtung abgeschaltet wird, wobei eine Anschaltspannung an der zweiten Steuerelektrode (6) anliegt.

6. Thyristor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt zwischen der Steuerelektrode (9) des Schaltbereiches (3) und der Schaltbereichelektrode (6) wegen der Gegenvorspannung, die am Verbindungs-

punkt bedingt durch die Anschaltspannung anliegt, durchbricht, wenn die Ansehaltspannung an der Steuerelektrode (9) anliegt, wodurch auch eine Spannung an der Schaltbereichelektrode (6) anliegt, welche den Hauptstromfluß zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode (4,7) des Thyristorbereiches (1) auslöst.

7. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltbereich (3) durch einen zweipoligen Transistor gebildet wird, dessen Basis die Steuerelektrode (9) des Schaltbereiches (3) darstellt.

8. Thyristor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor ein PNP-Transistor und die Schaltbereichelektrode (6) des Thyristorbereiches (1) einen P-Basisbereich darstellt, wobei der Emitter (8) des Transistors gemeinsam mit dem P-Basisbereich (6) des Thyristorbereiches (1) ausgeführt ist.

9. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Hauptelektrode (4) des Thyristorbereiches (1) und der Schaltbereich (3) an sich gegenüberliegenden Seiten des Trägers (18) angeordnet sind, daß ein Bereich (15) mit niedrigem spezifischen Widerstand in der Nachbarschaft der ersten Hauptelektrode (4) und dem Schaltbereich (3) gegenüberliegend vorgesehen ist, um sicherzustellen, daß die Thyristorwirkung auf den Thyristorbereich (1) begrenzt bleibt.

10. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Hauptelektrode (7) des Thyristorbereiches (1) einen verhältnismäßig hochohmigen Mittelbereich (32) aufweist, so daß der Haupt-

strom bei niedrigen Strompegeln während des Abschaltens bestrebt ist in die Außenbereiche (31) der zweiten Hauptelektrode (7) zu fließen.

11. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, daß durch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (9) und die zweite Elektrode (10) des Schaltbereiches (3) vom Thyristorbereich (1) durch eine Rinne (2) im Träger (18) getrennt sind.

12. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen zur ersten und zweiten Hauptelektrode (4,7) des Thyristorbereiches (1) durch Druckplattenkontakte hergestellt werden und, daß eine Verbindung zur Steuerelektrode (9) des Schaltbereiches (3) durch einen Kontakt (37) hergestellt wird, der in einer Rinne (2) des Trägers (18) angeordnet ist.

13.Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansteuerungsstrom für die Steuerelektrode (9) des Schaltbereiches (3) über den Anschlußpunkt zwischen der Schaltbereichelektrode (5) des Thyristorbereiches (1) und der Steuerelektrode

(9) zugeführt wird, wenn der Hauptstrom zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode (4,7) des Thyristorbereiches (1) fließt.

14. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verschiedenen Elektroden (4-10) durch Eindiffundieren von beiden Seiten des Trägers (18) ausgeformt werden.

BAD

1

15. Thyristor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Thyristorbereich (1) ein gesteuerter Halbleitergleichrichter ist.

5

16. Thyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltbereich (3) ein Feldeffekttransistor oder eine gesteuerte Feldvorrichtung ist, dessen Schalttor die Steuerelektrode (9) des Schaltbereiches (3) darstellt.