DE2748528A1 - SEMICONDUCTOR SWITCH - Google Patents
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Classifications
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-
- H—ELECTRICITY
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- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
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Landscapes
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Description
Die Erfindung betrifft einen Halbleiterschalter und insbesondere einen Siliciumthyristor nit zwei Anschlußklemmen mit einer Vielzahl von in ihrer Leitfähigkeit wechselnden Bereichen, wovon ein die Umschaltung auslösender Bereich in einem ersten Bereich entgegengesetzter Leitfähigkeit angeordnet ist.The invention relates to a semiconductor switch and, more particularly, to a two-terminal silicon thyristor with a multitude of areas that change in their conductivity, one of which triggers the switchover is arranged in a first area of opposite conductivity.
Thyristoren mit drei Anschlußklemmen, wovon eine als Gate zum Zünden des Thyristors Verwendung findet, sind allgemein bekannt. Derartige Thyristoren können von einem Sperrzustand in einen leitenden Zustand umgeschaltet werden, indem an das Gate ein Zündimpuls angelegt wird. Es ist jedoch auch bekannt, Thyristoren dieser Art vom Sperrzustand in den leitenden Zustand umzuschalten, indem am Thyristor ein steiler Spannungsanstieg über der Kathoden-Anodenstrecke ausgelöst wird. Derartige Thyristoren, die durch eine positive Spannungsänderung gezündet werden, sind auch unter dem Begriff "reverse switching rectifier" bekannt.Thyristors with three terminals, one of which is used as a gate to fire the thyristor, are general known. Such thyristors can be switched from a blocking state to a conducting state by on an ignition pulse is applied to the gate. However, it is also known to switch thyristors of this type from the blocking state to the to switch the conductive state by triggering a steep rise in voltage across the cathode-anode path on the thyristor will. Such thyristors, which are triggered by a positive change in voltage, are also covered by the term "reverse switching rectifier" known.
Fs/mü · Der Fs / mü · The
809818/0988809818/0988
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterschalter zu schaffen, der im Gegensatz zu einem reverse switching rectifier mit einer rasch abfallenden bzw. zusammenbrechenden Spannung gezündet wird.The invention is based on the object of a semiconductor switch to create, in contrast to a reverse switching rectifier with a rapidly falling or collapsing Voltage is ignited.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der die Umschaltung auslösende Bereich in dem ersten 3ereich angeordnet und derart ausgebildet ist, daß beim Zusammenbruch der an dem Halbleiterschalter liegenden Spannung die umschaltung ausgelöst wird.This object is achieved according to the invention in that the area triggering the switchover is arranged in the first area and is designed in such a way that in the event of a breakdown the voltage applied to the semiconductor switch triggers the switchover.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.Further embodiments of the invention are the subject of further claims.
3ei einem derartigen Halbleiterschalter wird durch das Zusammenbrechen der anliegenden Spannung ein Verdrängungsstrom ausgelöst, der in vorteilhafter Weise zum Zünden des Thyristors Verwendung findet. Dabei wird unter dem Begriff Zünden die Umschaltung des Thyristors vom nicht leitenden Zustand in den leitenden Zustand verstanden.In such a semiconductor switch, the collapse of the applied voltage triggers a displacement current which, in an advantageous manner, is used to ignite the Thyristor is used. The term ignition refers to the switching of the thyristor from the non-conductive State understood in the conductive state.
Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen!The advantages and features of the invention also emerge from the following description of exemplary embodiments in connection with the claims and the drawing. Show it!
Fig. 1 eine Draufsicht auf den Thyristor gemäß der Erfindung ;Fig. 1 is a plan view of the thyristor according to the invention ;
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1;FIG. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1; FIG.
Fig. 3 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung;3 shows a plan view of a further embodiment the invention;
Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV der Fig. 3;FIG. 4 shows a section along the line IV-IV in FIG. 3; FIG.
Fig. 5 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform der Erfindung;FIG. 5 is a plan view of a third embodiment of FIG Invention;
809818/0968809818/0968
FiR. 6FiR. 6th
WS99P-1638WS99P-1638
Fig. 7a und 7b Schnitte längs der Linie Vila,VIIb-VIIa,VIIb der Fig. 1;7a and 7b sections along the line Vila, VIIb-VIIa, VIIb of Fig. 1;
Fig. 9 ein vereinfachtes Schaltungsaodell des Thyristors gemäß der Erfindung;9 shows a simplified circuit model of the thyristor according to the invention;
Fig. 10, 11 und 12 praktische Anwendungsbeispiele für einen Thyristor gemäfi der Erfindung;10, 11 and 12 practical application examples for a thyristor according to the invention;
In den Fig. 1 und 2 ist der grundsätzliche Aufbau eines Thyristors 10 gemäß der Erfindung dargestellt, der in einer vorzugsweise aus Silicium bestehenden Halbleiterscheibe 12 ausgebildet ist. Die Halbleiterscheibe 12 hat vier Schichten mit abwechselnder Leitfähigkeit, wobei sowohl eine NPUP-als auch eine PNPN-Anordnung verwendbar ist. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die erste der Oberfläche 13 der Halbleiterscheibe 12 zugeordnete Schicht N-leitend und bildet die Emitterbereiche 14- und 16. Dabei bilden sich zu der zweiten P-Ieitendon Schicht, die den Basisbereich 13 darstellt, PN-Cbergänge 15 und 17 aus. Eine dritte umleitende Schicht 20 liegt unter dem Basisbereich 18, wobei sich zwischen den beiden Schichten ein PN-Übergang 19 ausbildet. Schließlich ist eine vierte untere als Anoden-Emitterbereich 22 wirksame Schicht vorgesehen, die zur dritten Schicht 20 hin einen PN-Übergang 21 hat. Die Emitterbereiche 14 und 16 sind ait Elektroden 24und 26 an der Oberfläche 15 versehen. Sine weitere Elektrode 28 ist auf der Unterfläche 29 der als Anoden-Emitterbereich 22 wirksamen vierten Schicht angebracht.1 and 2, the basic structure of a thyristor 10 according to the invention is shown, which is in a preferably made of silicon semiconductor wafer 12 is formed. The semiconductor wafer 12 has four layers with alternating conductivity, whereby both an NPUP and a PNPN arrangement can be used. In the embodiment shown, the first is surface 13 the layer assigned to the semiconductor wafer 12 is N-conductive and forms the emitter regions 14 and 16 of the second P-line donor layer, which represents the base region 13, PN-C junctions 15 and 17 from. A third redirect Layer 20 lies below the base region 18, a PN junction 19 being formed between the two layers. Finally, a fourth lower area is used as the anode emitter area 22 effective layer is provided, which corresponds to the third layer 20 has a PN junction 21. The emitter regions 14 and 16 are provided with electrodes 24 and 26 on the surface 15. Another electrode 28 is on the lower surface 29 of the fourth layer, which acts as the anode-emitter region 22, is applied.
Der Basisbereich 18 erstreckt sich über die Emitterbereiche 14- und 16 hinaus und verläuft an zumindest drei BereichenThe base region 18 extends over the emitter regions 14 and 16 and runs in at least three areas
bis 809818/0968 until 809818/0968
J (ρ WS99P-1638 J (ρ WS99P-1638
bis zur Oberfläche 13 der obersten Schicht. Dabei erstreckt sich ein erster Teil 30 des Basisbereiches zwischen den Smitterbereichen 14 und 16 bis zur Oberfläche 13 der ersten Schicht. Ein zweiter Teil 32 des Basisbereiches 18 verläuft zur Oberfläche 13 auf der Außenseite des Emitterbereiches 14, wogegen ein dritter Teil 34 des Basisbereiches 18 zur Oberfläche 13 auf der Außenseite des Emitterbereiches 16 verläuft. Die Elektroden 24 und 26 stehen sowohl mit den Emitterbereichen als auch mit den zur Oberfläche 13 verlaufenden Teilen 32 und 34 des Basisbereiches in ohmischer Kontaktverbindung· up to surface 13 of the top layer. A first part 30 of the base region extends between the Smitter areas 14 and 16 up to surface 13 of the first layer. A second part 32 of the base region 18 runs to the surface 13 on the outside of the emitter area 14, whereas a third part 34 of the base region 18 to the surface 13 runs on the outside of the emitter region 16. The electrodes 24 and 26 are both connected to the emitter regions as well as with the parts 32 and 34 of the base area running to the surface 13 in ohmic contact connection
Im Teil 30 des Basisbereiches 18 ist eine Barriere vorgesehen, um eine Einengung für den seitlich fließenden Strom im Basisbereich zu schaffen. Unter seitlich fließendem Strom v;ird dabei derjenige Strom verstanden, der von dem Teil des Basisbereiches 18 unter dem Emitterbereich 14 durch den Teil ^ des Basisbereiches zum unter dem Emitterbereich 16 liegenden 3asisbereich fließt. Eine solche Barriere zum Einengen des Stromes kann z.B. eine eingeätzte Vertiefung 36 sein. Anstelle einer solchen Vertiefung ist auch ein N-leitender Bereich verwendbar, der anstelle der Vertiefung 36 in dem Teil 30 des Basisbereiches 18 ausgebildet ist.A barrier is provided in part 30 of the base region 18 in order to create a constriction for the laterally flowing current in the base region. Under current flowing laterally v; ith thereby that current understood, the 18 flows from the part of the base region under the emitter region 14 by the portion ^ of the base region to below the emitter region 16 3asisbereich. Such a barrier for restricting the current can be an etched recess 36, for example. Instead of such a recess, an N-conductive region can also be used, which is formed in part 30 of the base region 18 instead of the recess 36.
Die Vertiefung 36 erstreckt sich nicht über die gesamte Breite des in Fig. 1 dargestellten Trnsistors, sondern nur über einen solchen Teilbereich, daß eine eingeengte Verbindung 38 erhalten bleibt, in der sich der Teil 30 des Basisbereiches 18 bis zur Oberfläche 13 der Schicht erstreckt. Der Basisbereich 18 wird vorzugsweise durch Diffusion hergestellt, so daß sich ein abnehmender Widerstand mit abnehmender Entfernung von der Oberfläche 13 ergibt. Daraus ergibt sich, daß die eingeengte Verbindung 38 einen verhältnismäßig geringen Widerstand für den seitlich fließenden Strom hat.The recess 36 does not extend over the entire width of the transistor shown in Fig. 1, but only over such a portion that a narrowed connection 38 is obtained remains, in which the part 30 of the base region 18 extends to the surface 13 of the layer. The base area 18 becomes preferably made by diffusion, so that there is a decreasing resistance with decreasing distance from the surface 13 results. It follows that the constricted connection 38 has a relatively low resistance for the laterally flowing current.
ι / 809818/0968 ι / 809818/0968
Die Ausführungsform des Thyristors gemäß den Fig. 1 und 2 ist, bezogen auf die Vertiefung 36 als Symmetrieebene symmetrisch, wobei der Bereich 1A- als Haupt-Kathoden-Emitterbereich und der Bereich 16 als Hilfs-Emitterbereich wirksam ist. Die externen Anschlüsse gehen an die als Kathode wirksame Elektrode 24 und an die als Anode wirksame Elektrode 28, wie in der Zeichnung mit den Buchstaben K und A angedeutet ist.The embodiment of the thyristor according to FIGS. 1 and 2 is symmetrical with respect to the recess 36 as the plane of symmetry, the region 1A being the main cathode-emitter region and the region 16 is effective as an auxiliary emitter region. the External connections go to the electrode 24 acting as the cathode and to the electrode 28 acting as the anode, as in FIG Drawing with the letters K and A is indicated.
In den Fig. 3 und 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Thyristors 110 dargestellt, der aufgrund seiner Formgebung insbesondere für Anwendungsbereiche mit hohen Strömen in der Größenordnung von einigen 1CX) Ampere geeignet ist. Der Thyristor 110 1st kreisförmig aufgebaut. Funktionsmäßig nit dem Thyristor gemäß Fig. 1 und 2 gleichartige Teile sind bezüglich der beiden letzten Ziffern der Bezugszeichen gleich bezeichnend. Die Halbleiterscheibe 112 ist aus mehreren Schichten mit abwechselnder Leitfähigkeit aufgebaut und hat eine obere Schicht mit zwei N-leitenden Emitterbereichen 114 und 116. Davon ist der Emitterbereich 116 als Hilfs-Soiitt erber eich ringförmig um den Hauptemitterbereich 114 verlaufend ausgebildet. Diese Emitterbereiche 114 und 116 haben gegenüber dem P-leitenden,darunter angeordneten Basisbereich 118 PN-Übergänge 115 und I17. Ferner liegen unter dem Basisbereich 118 ein N-leitender Bereich 120 und darunter ein P-leitender Bereich 122 mit dazwischenliegenden PN-Übergängen 119 und 121. Elektroden 124 % 126 und 128 stehen cit den Bereichen 114 bzw. 116 bzw. 122 in ohmischer Kontaktverbindung. Die Teile 13Ο, 132 und 134 des Basisbereiches erstrecken sich bis zur Oberfläche 113 der oberen Schicht.3 and 4 show a further embodiment of a thyristor 110 which, due to its shape, is particularly suitable for areas of application with high currents in the order of magnitude of a few 1CX) amperes. The thyristor 110 is constructed in a circular manner. Parts that are functionally identical to the thyristor according to FIGS. 1 and 2 are identically identifiable with regard to the last two digits of the reference symbols. The semiconductor wafer 112 is made up of several layers with alternating conductivity and has an upper layer with two N-conducting emitter regions 114 and 116. These emitter regions 114 and 116 have PN junctions 115 and I17 opposite the P-conducting base region 118 arranged therebelow. Further, below the base region 118, an N-type region 120 and including a P-type region 122 with intervening PN junctions 119 and 121. electrodes are 124% 126 and 128 cit the areas 114, 116 and 122 in ohmic contact connection. The parts 13Ο, 132 and 134 of the base region extend to the surface 113 of the upper layer.
In dem Teil 130des Basisbereiches 118 ist zwischen den Emitterbereichen 114 und 116 eine Barriere bzw. eine Vertiefung 136 vorgesehen, die eine Kanalwirkung auf den querfließenden Strom bzw. eine Einengung dieses Stromes bewirkt. Die Vertiefung 136 umgibt den Haupt-Emitterbereich 114 nahezuIn the part 130 of the base region 118, between the emitter regions 114 and 116, a barrier or a depression 136 is provided which effects a channel effect on the transverse current or a constriction of this current. The recess 136 almost surrounds the main emitter region 114
vollständig,Completely, 809818/0968809818/0968
8,Η#. 8 , Η # .
vollständig, so daß nur eine eingeengte Verbindung 138 in der Nähe der Oberfläche 113 für den seitlich fließenden Strom im Teil 130 des Basisbereiches 118 stehen bleibt. Zur Verringerung der Oberflächenrekombination ist eine isolierende Schicht 114, z.B.aus Siliciumdioxid, auf der Oberfläche 113 vorgesehen, welche zumindest die Teile des PIf-Ubergangs 115 und 117 in der Umgebung der eingeengten Verbindung 138 bedeckt. Durch diese isolierende Schicht wird die Rekombination von Elektronen, welche durch die Emitterbereiche 114 und 116 in den Basisbereich 118 unter der isolierenden Schicht 140 injiziert werden, auf ein Minimum reduziert.completely, leaving only a constricted connection 138 near the surface 113 for the laterally flowing Current in part 130 of base area 118 stops. To reduce surface recombination is one insulating layer 114, e.g. of silicon dioxide, on the Surface 113 is provided, which at least the parts of the PIf transition 115 and 117 in the vicinity of the narrowed Connection 138 covered. This insulating layer prevents the recombination of electrons caused by the Emitter regions 114 and 116 are injected into the base region 118 under the insulating layer 140, on Minimum reduced.
Zwischen der Kathodenelektrode 124 und dem Basisbereich sind Kurzschlußstrecken 132 in bekannter Weise angeordnet. Diese Kurzschlußstrecken 132 sind regelmäßig über den Emitter-"oereich 114 verteilt vorgesehen und haben vorzugsweise einen Abstand voneinander von etwa 0,65 mm bis etwa 1 mm bei einem Durchmesser von etwa 0,1 mm bis etwa 0,3 mm.Short-circuit paths 132 are arranged in a known manner between the cathode electrode 124 and the base region. These short-circuit paths 132 are regularly across the emitter "area 114 distributed and are preferably spaced from each other by about 0.65 mm to about 1 mm in one Diameters from about 0.1 mm to about 0.3 mm.
Die Halbleiterscheiben2 hat einen abgeschrägten Hand bzw. eine abgeschrägte Kante 141, wobei sowohl der Neigungswinkel als auch das Verfahren zur Ausbildung der abgeschrägten Kante bekannt ist. Auf der abgeschrägten Kante ist ein isolierender Schutzüberzug 142 vorgesehen, der aus einem geeigneten Überzugsmaterial besteht und vorzugsweise aus einer bei hoher Temperatur sich verfestigenden Siliciumglasur hergestellt ist.The semiconductor wafers2 has a beveled hand or a beveled edge 141, both the bevel angle and the method of forming the beveled edge is known. Provided on the beveled edge is an insulating protective coating 142 made of a suitable coating material consists and is preferably made of a high temperature solidifying silicon glaze is.
Eine weitere Aueführungsform eines Thyristors 210 ist in den Fig. 5 und 6 dargestellt, wobei dieser Thyristor analog dem Thyristor 110 gemäß den Fig. 3 und 4 aufgebaut ist. Aus diesem Grund sind auch gleiche Teile mit in den beiden letzten Ziffern sich gleichenden Bezugszeichen versehen. Der Thyristor 210 unterscheidet sich von dem Thyristor 110 dadurch, daß derAnother embodiment of a thyristor 210 is shown in FIGS. 5 and 6, this thyristor being analogous to the Thyristor 110 according to FIGS. 3 and 4 is constructed. For this reason, the same parts are also included in the last two digits provided with the same reference numerals. The thyristor 210 differs from the thyristor 110 in that the
Haupt-Head- 809818/0968809818/0968
Haupt-Emitterbereich 2i4und die zugeordnete Elektrode 224 den Hilfs-Emitterbereich 216 mit der zugeordneten Elektrode 226 umgibt.Main emitter region 2i4 and associated electrode 224 the auxiliary emitter region 216 with the associated electrode 226 surrounds.
Zum Zwecke des Vergleichs wird gezeigt, daß sich der grundsätzliche im Querschnitt dargestellte Aufbau gemäß Fig. 2 des Thyristors 10 beim Thyristor 110 gemäß Fig. 4 in dem Bereich wiederholt, der mit 10' gekennzeichnet ist; Dasselbe gilt für den Thyristor 210 in der Darstellung gemäß Fig. 6, bei dem der funktionell gleichartig aufgebaute Bereich ebenfalls mit 10' gekennzeichnet 1st. Unabhängig von der geometrisch verschiedenen Ausführungsform arbeiten die Thyristoren 10, »and 210 gleichartig.For the purpose of comparison, it is shown that the basic structure shown in cross section according to FIG of the thyristor 10 in the thyristor 110 of FIG. 4 in the Repeated area marked 10 '; The same thing applies to the thyristor 210 in the illustration according to FIG. 6, in which the area, which is functionally similar, is also identified by 10 '. Regardless of the geometrical In various embodiments, the thyristors 10, »and 210 operate in the same way.
Die Wirkungsweise des Thyristors 10 wird nachfolgend anhand der ?ig. 7a, 7*> und 8 erläutert.The mode of operation of the thyristor 10 is illustrated below with reference to FIG. 7a, 7 *> and 8 explained.
Zum Zeitpunkt t » 0 liegt am Thyristor 10 eine Sperrspannung VAK= V0 an den mi* A ^1* * gekennzeichneten Klemmen sät der angegebenen Polarität an. Einige Zeit später, und zwar zum Zeitpunkt t * t. wird aufgrund einer externen Steuerung ein scharfer Spannungsabfall verursacht, wodurch ein Verdrängungsstrom i, entsteht, der von der Sathodenelektrode 24 zur Anodenelektrode 28 längs den ausgezogenen Linien gemäß Fig. 7a fließt. Dieser Verdrängungsstrom i^ ist proportional der Kapazität des in Durchlaßrichtung blockierenden PN-Übergangs 19 sowie der Steilheit des Spannungsabfalls. Ein Teil des Verdrängungsstromes id fließt durch die eingeengte Verbindung 38 und dann durch den Teil dee Basisbereiches 18 unter dem Hilfsemitterbereich 16. Es ergibt sich daher im Basisbereich 13 unter diesem HiIfsemitterbereich 16 ein Spannungsabfall idr, wobei r der Widerstand ^änga dem Strompfad ist. Dieser Widerstand ist proportional dem Widerstand des Basisbereiches 13. Wenn .unter dem Hilf semi tterbereich 16 ein Spannungsabfall existiert, der größer als etwa 0,7V ist, werden Elektronen vom Emitterbereich 16 emittiert. Diese Elektronen werden anAt the time t »0, a reverse voltage V AK = V 0 is applied to the thyristor 10 at the terminals marked mi * A ^ 1 * * with the specified polarity. Some time later, at time t * t. a sharp voltage drop is caused due to an external control, as a result of which a displacement current i is produced, which flows from the cathode electrode 24 to the anode electrode 28 along the solid lines according to FIG. 7a. This displacement current i ^ is proportional to the capacitance of the PN junction 19 blocking in the forward direction and the steepness of the voltage drop. Part of the displacement current i d flows through the narrowed connection 38 and then through the part of the base region 18 under the auxiliary emitter region 16. There is therefore a voltage drop i d r in the base region 13 under this auxiliary emitter region 16, where r is the resistance along the current path is. This resistance is proportional to the resistance of the base region 13. If .under the auxiliary semi-ter region 16 there is a voltage drop that is greater than approximately 0.7V, electrons are emitted from the emitter region 16. These electrons are going to
809810/0960809810/0960
WS99P-1568WS99P-1568
der Grenzschicht zwischen der Metallelektrode 26 und dem Basisbereich 18 aufgenommen, wo ein positiver Löcherstrora von der Hilfsemitterelektrode 26 in den Basisbereich 18 fließt, wie mit Hilfe von gestrichelten Linien angedeutet ist.the interface between the metal electrode 26 and the Base region 18 added, where a positive hole tora flows from the auxiliary emitter electrode 26 into the base region 18, as indicated with the help of dashed lines.
Zum Zeitpunkt t=t2 ist die Spannung V^„ vom anfänglichen Wert V0 auf etwa 0,25 VQ abgefallen. Zu diesem Zeitpunkt hat die Elektronenemission von der Kante des Emitterbereiches 16 eine lokalisierte Verringerung des Übergangswiderstands im PN-Übergang 19 verursacht, was ermöglicht, daß ein lokalisierter, in Durchlaßrichtung fließender Zündstrom i-. zu fließen beginnt. Dieser Zündstrom i» fließt über die eingeengte Verbindung 38 und dann über den Basisbereich 13 unter den Hauptemitterbereich 14 zur Kathodenelektrode 24, wodurch ein Spannungsabfall ifr mit der in Fig. ?b dargestelltenPolarität entsteht. Wenn dieser Spannungsabfall ifr etwa 0,7 V übersteigt, werden Elektronen von der Kante des Emitterbereiches 14 wie dargestellt emittiert. Diese emittierten Elektronen dianen der Zündung des Thyristors, wie für den Fachmann erkennbar ist.At the time t = t2, the voltage V ^ "has dropped from the initial value V 0 to approximately 0.25 V Q. At this point in time, the electron emission from the edge of the emitter region 16 has caused a localized reduction in the contact resistance in the PN junction 19, which enables a localized, forward-flowing ignition current i-. begins to flow. This ignition current i »flows via the narrowed connection 38 and then via the base region 13 under the main emitter region 14 to the cathode electrode 24, as a result of which a voltage drop i f r with the polarity shown in FIG. When this voltage drop i f r exceeds about 0.7 V, electrons are emitted from the edge of the emitter region 14 as shown. These emitted electrons are used to trigger the thyristor, as will be apparent to those skilled in the art.
Die Thyristoren 110 und 210 arbeitet in derselben Weise wie der beschriebene Thyristor 10. Bei beiden Thyristoren wird die Zündung durch eine kollabierende Spannung ausgelöst, welche einen Verdrängungsstrom erzeugt, aus dem eine Elektronenemission vom Hilfsemitterbereich aus resultiert.The thyristors 110 and 210 works in the same way as the thyristor 10 described. In both thyristors, the Ignition triggered by a collapsing voltage, which generates a displacement current from which an electron emission results from the auxiliary emitter area.
Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Thyristor 110 fließt der erwähnte Verdrängungsstrom von der Kathodenelektrode 124 über die Kurzechlußstrecken 132 in den Basisbereich 118. Ein Teil des Verdrängungsstromes fließt dann nach der Seite, d.h. in radialer Richtung nach außen, bis er auf die Vertiefung 136 trifft, welche einen konzentrierten Stromfluß durch die eingeengte Verbindung 138 verursacht. Dieser konzentrierte Strom fließt weiter nach außen, wie vorausstehend in Verbindung mit dem Thyristor 10 gemäß Fig. 7a erläutert.In the thyristor 110 shown in FIGS. 3 and 4 flows the mentioned displacement current from the cathode electrode 124 via the short-circuit paths 132 into the base region 118. A Part of the displacement current then flows to the side, i.e. in a radial direction outwards, until it hits the depression 136, which causes a concentrated flow of current through the constricted connection 138. This concentrated Current continues to flow to the outside, as explained above in connection with the thyristor 10 according to FIG. 7a.
UnterUnder
809818/0968809818/0968
Unter dem Hilfsemitterbereich 116 des Thyristors 110 entsteht in dem Teil des Basisbereiches 118 in der Umgebung der eingeengten Verbindung 138 ein Spannungsabfall. Sodann ergibt sich eine Elektronenemission aus dem Hilfsemitterbereich 116 durch einen Teil des PN-Übergangs 117 in der unmittelbaren Nähe der eingeengten Verbindung 138. Der Übergangswiderstand in einem Teil des HT-tfoergangs 119 unter der eingeengten Verbindung 138 erniedrigt sich als Folge dieser Elektronenemission, wodurch ein lokalisierter Zündstrom in Durchlaßrichtung ausgelöst wird, der von der Anodenelektrode 128 über den niederen Widerstandsbereich des PN-überganges II9 und durch die Kurzschlußstrecken 132 zur Kathodenelektrode 124 fließt. Der Zündstron erzeugt einen Spannungsabfall im Basisbereich unter dem Hauptemitterbereich 114· und veranlaßt eine Elektronenemission aus dem Smitterbereich 114·, welche den Thyristor 110 zündet. Die Anordnung der Kurzschlußstrecken 132 ist wichtig. Die der eingeengten Verbindung 138 am nächsten gelegene Kurzschlußstrecke 132 muß weit genug weg von der eingeengten Verbindung 138 angeordnet sein, damit der Spannungsabfall unter dem Saitterbereich 114, wie er sich zwischen der nächstgelegenen Kurzschlußstrecke 132 und der eingeengten Verbindung 138 messen läßt, genügend hoch ist, um eine Elektronenemission von der der eingeengten Verbindung 138 am nächsten liegenden Kante des Emitterbereiches 114 aus auszulösen.Arises under the auxiliary emitter region 116 of the thyristor 110 in the part of the base region 118 in the vicinity of the constricted Connection 138 a voltage drop. Then it results an electron emission from the auxiliary emitter region 116 through part of the PN junction 117 in the immediate vicinity of the narrowed connection 138. The contact resistance in one Part of the HT-tfoergang 119 under the narrowed connection 138 decreases as a result of this electron emission, whereby a localized ignition current is triggered in the forward direction, from the anode electrode 128 via the lower Resistance range of the PN junction II9 and the short-circuit sections 132 flows to cathode electrode 124. The Zündstron creates a voltage drop in the base region below the main emitter region 114 and causes electron emission from the smitter area 114 ·, which ignites the thyristor 110. The arrangement of the short-circuit paths 132 is important. The short-circuit path closest to the narrowed connection 138 132 must be far enough away from the restricted connection 138 be arranged so that the voltage drop below the Saitter area 114 as it is between the nearest Measure short circuit 132 and the narrowed connection 138 is high enough to cause electron emission from the one closest to the constricted junction 138 Edge of the emitter region 114 to trigger off.
Der Thyristor 210 gemäß den Fig. 5 und 6 funktioniert in entsprechender Veise. Wenn die Spannung V^ zusammenbricht, fließt ein Verdrängungsstrom von der Kathodenelektrode 224 zur Anodenelektrode 228. Ein Teil dieses Verdrängungsstromes fließt nach der Seite durch die eingeengte Verbindung 238 und verursacht eine Elektronenemission aus dem Hilfsemitterbereich 216. Diese Elektronenemission aus dem Emitterbereich 216 verringert den Übergangswiderstand des PN-Übergange 219 in der Umgebung des Emissionsbereiches, was das Fließen eines Zündstromes inThe thyristor 210 according to FIGS. 5 and 6 functions in a corresponding manner Veise. When the voltage V ^ collapses, flows a displacement current from the cathode electrode 224 to the anode electrode 228. A part of this displacement current continues to flow the side caused by the narrowed connection 238 and an electron emission from the auxiliary emitter region 216. This electron emission from the emitter region 216 reduces the Contact resistance of the PN junctions 219 in the vicinity of the Emission range, what the flow of an ignition current in
Durch-By-
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Salt·:Salt:
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Durchlaßrichtung von der Elektrodenelektrode 228 zur Kathodenelektrode 224 zuläßt, womit die Elektrodenemission aus dem Emitterbereich 214 verursacht wird und die Zündung des Thyristors 210 erfolgt. Die Kurzschlußstrecken 232 des Thyristors 210 dienen demselben Zweck wie die Kurzschlußstrecken 132 beim Thyristor 110.Forward direction from the electrode electrode 228 to the cathode electrode 224 allows, with which the electrode emission from the Emitter region 214 is caused and the ignition of the thyristor 210 takes place. The short-circuit paths 232 des Thyristor 210 serve the same purpose as the short-circuit paths 132 in thyristor 110.
Für.eine praktische Anwendung wurde ein Thyristor beispielsweise mit dem Aufbau gemäß den Fig. 3 und 4 erstellt. Dieser Thyristor hatte die folgenden Abmessungen: Gesamtdurchmesser 33 ram, Durchmesser der Kathodenelektrode 124 etwa 28 mn, Außen durchmesser der Hilfsemitterelektrode 126 etwa 32 mm, Breite des Hilfsemitterbereiches etwa 2 mm, Breite der Vertiefung etwa 1 mm, Abstand zwischen dem Hand der Vertiefung und den angrenzenden Emitterbereichen 114 und 116 etwa 0,5 πιπί, Breite der eingeengten Verbindung 133 zwischen den Enden der Vertiefung 136 etwa 2 mm, Überlappung der Hilfsemitterelektrode 126 über den Basisbereich 118 etwa 0,25 mm. Die Kurzschlußstrecken 132 sind in hexagonaler Anordnung mindestens 0,9 °m voneinander entfernt und haben einen Durchmesser von etwa 0,2 mm. Die Anordnung der Kurzschlußstrecken 132 ist derart, daß der Abstand, z.B. der Abstand X gemäß Fig. 4 der Kurzschlußstrecken 132 von der Kante des Emitterbereiches 114 mindestens etwa 4,5 mm beträgt.For a practical application, a thyristor, for example with the structure according to FIGS. 3 and 4, was created. This thyristor had the following dimensions: overall diameter 33 ram, diameter of the cathode electrode 124 about 28 mn, outer diameter of the auxiliary emitter electrode 126 about 32 mm, width of the auxiliary emitter area about 2 mm, width of the recess about 1 mm, distance between the hand of the recess and the adjacent emitter regions 114 and 116 about 0.5 πιπί, width of the narrowed connection 133 between the ends of the recess 136 about 2 mm, overlap of the auxiliary emitter electrode 126 over the base region 118 about 0.25 mm. The short-circuit paths 132 are spaced at least 0.9 ° m apart in a hexagonal arrangement and have a diameter of approximately 0.2 mm. The arrangement of the short-circuit paths 132 is such that the distance, for example the distance X according to FIG. 4, of the short-circuit paths 132 from the edge of the emitter region 114 is at least about 4.5 mm.
Der vorausstehend beschriebene Aufbau und die angegebenen Abmessungen ergeben sich aufgrund des zur Zeit besseren Verständnisses der Dynamik der Thyristorzündung. Wie bereits erwähnt, ist es notwendig, eine kritische Spannung zu erzeugen, die einen Wert von mehr als etwa 0,7 Vunter einem Emitterbereich annimmt, um die gewünschte Elektronenemission aus dem Emitter auszulösen. Die Entfernung X gemäß Fig. 4 muß deshalb groß genug sein, um einen Spannungsabfall von mehr als 0,7 V und vorzugsweise mehr als 1 V au erzeugen. Bei dem ausgeführten Thyristor ergab sich ein Schichtwiderstand vonThe construction described above and the specified dimensions result from a better understanding at present the dynamics of the thyristor ignition. As already mentioned, it is necessary to generate a critical voltage that has a value greater than about 0.7 V below one Assumes emitter area to trigger the desired electron emission from the emitter. The distance X according to FIG. 4 must therefore be large enough to produce a voltage drop of more than 0.7 V and preferably more than 1 V au. In which executed thyristor resulted in a sheet resistance of
?und wurc? and was
für denfor the
ρ
etwa 600 Ohm/cm im Basisbereich 118. Aus diesem Grund wurdeρ
about 600 ohms / cm in the base area 118. For this reason it was
809818/0968809818/0968
FLEUCHMJStIFLEUCHMJStI
für den Abstand Σ eine Große von 4,5 mm vorgesehen, damit der seitlich durch den Basisbereich 118 fließende Zündstrom einen Spannungsabfall von mehr als etwa 1 V erzeugt. Ähnliche Überlegungen haben auch Einfluß auf die Auswahl der 3reite des Hilfsemitterbereiches 116. Der Verschiebungsstrom, der im Bereich der eingeengten Verbindung 13Ö konzentriert wird, nimmt eine Große an, die ausreicht, um den kritischen Spannungsabfall bei einem Abstand von 2 mm auszulösen, wenn der Schichtwiderstand 600 Ohm/cm beträgt.for the distance Σ a size of 4.5 mm is provided so that the ignition current flowing laterally through the base region 118 generates a voltage drop of more than approximately 1V. Similar considerations also influence the selection of the 3reite of the auxiliary emitter area 116. The displacement current which is concentrated in the area of the narrowed connection 130 assumes a size which is sufficient to cover the critical voltage drop at a distance of 2 mm triggered when the sheet resistance is 600 Ohm / cm.
In ?ig. 9 ist ein vereinfachtes Schaltungsmodell 110 des Thyristors gemäß der Erfindung dargestellt, anhand dessen die Wirkungsweise analog erläutert werden kann. Wenn die Spannung ^AK zusammenbricht,' fließt ein Verdrängungsstrom vom Kondensator C ab und zündet den Thyristor T^, der seinerseits den Kauptthyristor T2 zündet.In? Ig. 9 shows a simplified circuit model 110 of the thyristor according to the invention, on the basis of which the mode of operation can be explained in an analogous manner. When the voltage ^ AK collapses, a displacement current flows from the capacitor C and ignites the thyristor T ^, which in turn ignites the main thyristor T 2 .
In Fig. 10 ist ein grundsätzlicher Schaltungsaufbau für die Anwendung eines thyristors,.ζ·3. des Thyristors 310 gezeigt. Zunächst fließt über den Schaltkreis kein Stron, da der Schalter 350 geöffnet ist. Venn dieser Schalter geschlossen wird, wird der Thyristor 310 durch die zusammenbrechende Spannung gezündet, vorausgesetzt, daß die Impedanz des Schalters 350 im leitenden Zustand größer als die des Thyristors 310 ist. Ale Schalter können sowohl mechanische, elektrosiechanische als auch Halbleiterelemente Verwendung finden.In Fig. 10 is a basic circuit structure for the Application of a thyristor, .ζ · 3. of thyristor 310 shown. Initially, no electricity flows through the circuit because the Switch 350 is open. When this switch is closed is, the thyristor 310 is triggered by the collapsing voltage, provided that the impedance of the switch 350 is greater than that of thyristor 310 in the conductive state. All switches can be mechanical or electrical as well as semiconductor elements are used.
In Fig. 11 ist eine Anwendungsform mit parallelgeschalteten Thyristoren 310 dargestellt, die zu einem Thyristor 360 mit drei Anschlußklemmen parallelgeschaltet sind. Wenn das Gate 362 in herkömmlicher Weise mit einem Signal beaufschlagt wird, zündet der Thyristor 360 und zündet damit alle Thyristoren 310.In Fig. 11 is an application form with parallel-connected Thyristors 310 shown, which are connected in parallel to a thyristor 360 with three terminals. When the gate 362 is applied with a signal in a conventional manner, the thyristor 360 ignites and thus ignites all thyristors 310
Ein Serien-Parallelbetrieb kann auch in der in Fig. 12 dargestellten Weise verwirklicht werden. Zu diesem Zweck werdenA series parallel operation can also be carried out in that shown in FIG Way to be realized. Be for this purpose
paralleleparallel 809818/0968809818/0968
Mt·: Λ/ Mt ·: Λ / *WZ«M* WZ «M
parallele Anordnungen von Thyristoren 310 miteinander in Serie geschaltet. Jede Thyristoranordnung ist mit einem Ansteuerelement 370 versehen, das in der Lage ist, die jeweilige Parallelanordnung der Thyristoren zu zünden. Bei der dargestellten Anordnung finden lichtempfindliche Schaltelemente Verwendung, die in der Lage sind, alle Parallelanordnungen von Thyristoren 310 gleichzeitig zu zünden. Ein derartiger durch Licht einwirkung bestätigter Schalter hat den Vorteil·, daß die einzelnen parallelen Thyristoranordnungen gezündet werden können, unabhängig von dem an der Parallelanordnung anliegenden Spannungsniveau.parallel arrangements of thyristors 310 connected to one another in series. Each thyristor arrangement is with one Control element 370 is provided, which is capable of the respective Ignite parallel arrangement of the thyristors. Light-sensitive switching elements are found in the arrangement shown Use that are able to fire all parallel arrangements of thyristors 310 at the same time. One such by The advantage of a switch that has been confirmed by the action of light is that the individual parallel thyristor arrangements are ignited can, regardless of the voltage level applied to the parallel arrangement.
Die Vorteile der Erfindung können beispielsweise auch bei herkömmlichen Thyristoren mit drei Anschlußklemmen Anwendung finden, wenn diese mit den vorausstehend beschriebenen Zündeigenschaften versehen sind. Wenn in einem solchen Fall die Zündung über das Gatter ausfällt,ist es immer noch möglich, über die zusammenbrechende Spannung eine Zündung des Thyristors vorzunehmen.The advantages of the invention can also be used, for example, in conventional thyristors with three connection terminals if they are provided with the ignition properties described above. If in such a case the Ignition via the gate fails, it is still possible to trigger the thyristor via the collapsing voltage.
809818/0968809818/0968
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