SE428981B - Styrd halvledarlikriktare - Google Patents

Description

vsozsse-4 10 15 20 25 30 35 HO 2 nal, varvid denna tillslagsström, dvs. den genom hjälptyristorn flytande strömmen, används som en triggsignal för att tända hu- vudtyristorområdet. Följaktligen kommer framströmmen under den ti- diga tändfasen att vara uppdelad mellan huvud- och hjälptyristor- områdena. Den energi som skall omkopplas delas således mellan båda iområdena, varför di/dt-värdet kan höjas avsevärt under den tidigare delen av tillslaget.

Det har emellertid visat sig, att de senaste fordringarna på likriktare ställer större krav på genombrottsspänning, strömled- ningsförmåga och omkopplingshastigheter och därigenom fordrar ytter- ligare förbättringar hos med förstärkande styrelektrod försedda ty- ristorer. Det har nämligen visat sig att om en tyristor av detta kända slag utöver sitt huvudtyristorområde är försett med ett där- till närliggande hjälptyristorområde, så kommer elektriskt och ter- miskt genombrott lätt att ske i hjälptyristoromrâdet och i dettas närhet varför förhållandet di/dt ej kan ökas i önskad grad.

Föreliggande uppfinning avser att tillhandahålla en styrd halv- ledarlikriktare med förbättrad styrelektroduppbyggnad, varvid denna' likriktare skall ha önskat högt förhållande på di/dt-värdet.

Ett av särdragen med den enligt uppfinningen utförda styrda halv- ledarlikriktaren är att den innefattar ett hjälptyristorområde, som göres ledande med hjälp av en styrsignal, och ett huvudtyristorom- råde, vilket tänds eller görs ledande av den genom hjälptyristorn flytande tändströmmen. Anordningen utmärkes av att livslängden för laddningsbärarna i hjälptyristorområdet göres kortare än livslängden för de i huvudtyristorområdet. Med detta särdrag kommer den av hjälp- tyristorområdet upptagna omkopplingsenergin - där själva-tändområdet tenderar att vara beläget- minskas så att förhållandet di/dt under tillslagstiden avsevärt kan förbättras. För att kontrollera ladd- ningsbärarnas livslängd i hjälptyristorområdet, kan man även använda någon av följande metoder: dopning av livslängdsavkortande material, såsom guld eller platina, i hjälptyristorområdet, eller att genom elektronstrâlar, neutronstrålar eller andra radioaktiva strålar för- orsaka strâlskador som ger upphov till rekombinationscentra för ladd- ningsbärarna. Även andra lämpliga metoder kan användas. Metoden med strålningsdestruktion föredrages dock med hänsyn till att laddnings- bärarnas livslängd i hjälptyristoromrâdet, vilket är av ringa volym, måste kontrolleras selektivt med hög noggrannhet och reproducerbarhet.

Uppfinningen beskrives närmare nedan med hänvisning till ett i ritningen visat utföringsexempel. Pig. 1 visar schematiskt i planvy en tyristor med förstärkningsstyre i enlighet med en utföringsform 10 15 20 25 30 35 H0 7802656-4 av uppfinningen. Pig. 2 utgör ett tvärsnitt längs linjen II-II 1 fig. 1; Pig. 3 utgör den ekvivalenta kretsen för en tyristor med förstärkningsstyre och avser att belysa uppfinningens idê. Pig. N visar som jämförelse kurvformerna för framspänníngen och strömmen under begynnelsen av tillslagstiden, dels hos en konventionell tyris- tor och dels hos en enligt föreliggande uppfinning utförd tyristor.

Pig. 5 visar förhållandet mellan livslängden hos laddningsbärarna i det N-ledande basomràdet hos hjälptyristorn och omkopplingsenergin.§¿g¿ 6A,lAoch8A utgör tvärsnitt genom olika utföringsformer av en enligt uppfinningen utförd anordning, under det att fi . GB 7B och 8B är planvyer av respektive utföringsform.

Pig. 1 och 2 visar i planvy respektive i snitt en tyristor med förstärkningsstyre. Såsom framgår av dessa figurer är ett skiv- format halvledarsubstrat 1 av kisel med två huvudytor 11 och 12 för- sett med fyra halvledarskikt, nämligen ett P-ledande emítterskikt PE, ett N-ledande basskikt NB, ett P-ledande basskikt PB och ett N- ledande emitterskikt NE. Sistnämnda skikt består av ett huvudemitter- område NE1 och ett hjälpemitterområde NE2, vilket är isolerat från huvudemitteromrâdet av det P-ledande basskiktet och vilket har mindre yta än huvudemitterområdet. Det P-ledande emitteromrádet PE och det N-ledande basskiktet NB bildar en första PN-övergång J1. Det N-ledande basskiktet NB och det P-ledande basskiktet PB bildar en andra PN- -övergång J2. Det P-ledande basskiktet PB och det N-ledande emítter- skiktet NE bildar en tredje PN-övergång J3. En på huvudytan 11 anord- nad anodelektrod 2 står i spärrfri kontakt med det P-ledande emitter- skiktet PE, och en på den andra huvudytan 12 placerad katodelektrod 3 står i spärrfri kontakt med huvudemitterområdet N31 hos det N-ledande emitterskiktet NE. En styrelektrod H är anordnad på huvudytan 12 i spärrfri kontakt med det P-ledande basskiktet PB, varvid styrelektroden och huvudemitterområdet NE1 ligger på varsin sida om hjälpemitterom- rådet NE2. En hjälpstyrelektrod 5 på substratets 1 huvudyta 12 - dvs. på det P-ledande basskiktet PB - är separerad från emitterområdet NE1, vilket det omger. Denna elektrod 5 står i elektrisk kontakt med ytan av hjälpemitteromrádet NE2. TM betecknar ett huvudtyristorområde be- stående av de delar av skíkten PE, NB, PB och NE1 som ligger till hö- ger om den streckade linjen X i fig. 2, under det att TA betecknar ett hjälptyristorområde bestående av de delar av nyssnämnda skikt som lig- ger till vänster om linjen X. Skikten PE, NB och PB används gemensamt av tyristorerna TM och TA.

I enlighet med föreliggande uppfinning göres livslängden för "vsozese-4 10 15 20 25 30 35 HO 4 laddníngsbärarna i hjälptyristorn T kortare än motsvarande livs- längd i huvudtyristorn TM. Exempelvis kan hjälptyristoromrâdet se- lektivt utsättas för lämplig strålning, så att de av strålningen förorsakade skadorna alstrar rekombinationscentra.

Verkan av livslängdsminskningen för hjälptyristorområdets TA laddningsbärare kommer att beskrivas mer detaljerat nedan med ut- gångspunkt från den ovan behandlade tyristorn.

Om en triggsignalspänning anbringas mellan styret Q och katod- elektroden 3, och om en förspänning anbringas mellan anoden 2 och katoden 3, kommer styrström att flyta via hjälpemitterområdet NE2, hjälpstyrelektroden 5, huvudemitteromrâdet NE1 och katodelektroden 3, vilket indikeras med en pil i1. Eftersom strömtätheten JA för den styrström som flyter in i hjälpemítterområdet NE2 och tätheten JM för den styrström som flyter in i huvudemitterområdet NE1 är fast- lagda så att JA:$»JM, så kommer först hjälptyristoromrâdet TA att tändas och förorsaka en framström som flyter i den med pilen i2 an- givna riktningen. Därefter kommer huvudtyristoromrâdets större om- råde mittemot hjälpstyrelektroden 5 att tändas av framströmmen så attfen"framström bringas flyta i_pilens is riktning. I en med för- stärkande styrelektrod försedd styrelektroduppbyggnad, kommer såle- des framströmmen under den tidigare delen av tillslaget att vara upp- delad i-två komponenter, vilka flyter genom hjälptyristorområdet TA resp. huvudtyristorområdet TM. Som resultat härav kommer omkopplings- energin att delas upp mellan hjälp- och huvudtyristorområdena så att förhållandet di/dt kan förbättras.

I en tyristor som har ett hjälptyristoromrâdet inom vilket dock laddningsbärarnas livslängd inte kontrolleras i enlighet med följan- de uppfinning, tenderar emellertid elektrisk eller termisk skada eller genombrott att uppträda i hjälptyristoromràdet och i dess när- het så att förhållandet di/dt inte kan förbättras tillräckligt. Or- saken till detta är följande. Förhållandet di/dt hos en med förstär- kande styrelektrod försedd tyristor begränsas av den större av de om- kopplingsförluster som uppträder per initialledande område hos hjälptyristorområdet TA å ena sidan och hos huvudtyristorområdet TM å andra sidan. För att åstadkomma en höjning av di/dt-förhållandet måste därföride initialledande områdena hos hjälp- och huvudtyrístor- erna ökas i enlighet med motsvarande energiförbrukningar. Eftersom huvudtyristoromrâdet TM som styrström använder en stor framström (betecknad med pilen i2) flytande genom hjälptyristorområdet TA, kan initialledområdet lätt ökas genom att öka längden på huvudemit- 10 15 20 25 30 35 H0 7802656-4 terns NE1 omkrets gentemot hjälpelektroden 5. Vad beträffar hjälp- tyristorn TA kommer emellertid en ökning av hjälpemitterns NE2 om- kretslängd mot styrelektroden H helt enkelt att medföra att en stör- re styrström erfordras. Dessutom kan initialledområdet knappast ökas av följande skäl. När hjälptyristoromrâdet TA i en med förstärkande styre försedd tyristor tänds och anodströmmen (iz i fig. 2) flyter från hjälpelektroden 5 till katodelektroden 3, uppträder nämligen ett spänningsfall mellan hjälpstyrelektroden 5 och katodelektroden 3. När spänningsfallet ökar, avtar styrströmmen (i1 i fig. 2) och i extremfall kan styrströmmens riktning kastas om. Om således till- slagsfördröjningstiden är ojämnt fördelad i hjälptyristorområdet TA mittemot styrelektroden 4 och tänds av styrströmmen i1, kommer så- ledes ingen tillslagsverkan orsakad av styrströmmen att ske i de delar av hjälptyristorområdet TA där tändningen skall starta med en fördröjning, varför det totala initialledomràdet inte kan ökas.

När anodströmmens di/dt-förhållande ökar, ökar även spänningsfallet mellan hjälpstyrelektroden 5 och katodelektroden 3 för att påskynda styrströmmens minskning så att det initialledande området ytterli- gare kommer att avta.

Den genom hjälptyristoromrâdet TA flytande framströmmen, be- tecknad med i2, flyter inte endast före och vid tändningen av hu- vudtyristorområdet TM utan fortsätter även att flyta som en kompo- nent i3 av anodströmmen (i2+i3) efter det att huvudtyristorcmrådet TM gjorts ledande. Resultatet härav är att, om anodströmmens dildt- -förhållande ökar, så kommer den med pilen i2 betecknade komponenten, dvs. framströmmen, likaså att öka. Således är omkopplingsförlusten per initialledomrâde i hjälptyristorn störst i de områden vilkas be- tecknade framströmmen flyter genom den del av det P-ledande basskik- initialledomràde knappast ökar. Eftersom vidare den av pilen iz tet PB som befinner sig mellan hjälpstyrelektroden 5 och katodelek- troden 3 och även flyter i sidled längs huvudemitterområdet NE1, så kommer ökningen av det där av den höjda framströmmen i2 alstrade värmet inte att vara försumbart.

Såsom beskrivits ovan kommer - i en tyristor med förstärkande styrelektrod , vari laddningsbärarnas livslängd i hjälptyristor- omrâdet inte kontrolleras på lämpligt sätt - ökningen av anodström- mens di/dt-förhållande att åtföljas av en ökning av den genom hjälp- tyristoromrâdet flytande strömmen i2 så att elektrisk och termisk skada eller genombrott tenderar att lätt äga rum.

En i enlighet med föreliggande uppfinning utförd tyristor kan 10 15 20 25 30 35 40 7802656-4 tillhandahålla tillräckligt stort di/dt-förhållande under tänd- ' ningstiden och ändå inte vara belastad med nyssnämnda problem.

Orsaken till detta är följande.

Pig. 3 visar en ekvivalent krets för den i fig. 1 och 2 vi- sade tyristorm med förstärkande styrelektroduppbyggnad. I fig. 3 betecknar RG1 den del av det P-ledande basskiktet PB som ligger mellan styrelektroden H och hjälpemitterområdet NE2. Med RG2 be- tecknas resistansen mellan den del av skiktet PB som ligger mellan hjälpstyrelektroden 5 och huvudemitteromrâdet NE1. RA och VA be- tecknar hjälptyristorns resistans- och spänningskomponenter under den tidigare delen av tändförloppet. Motståndskomponenten RA är den komponent som varierar i enlighet med mängden laddningsbärare i det N-ledande basskíktet NB. Denna mängd ökar när styrströmmen iG och framströmmen iA flyter in i hjälptyristoromrâdet TA. Spänninge- komponenten VA är en av styrströmmen iG och framströmmen íA obero- ende komponent. På motsvarande sätt kan huvudtyristorn TM represen- teras i form av resistans- och spänningskomponenterna RM och VM.

Experiment och forskning har visat att resistanskomponenterna RA och RM varierar i enlighet med mängden laddningsbärare i det N- ledande basskiktet NB, vilken mängd ökar i proportion till de inte- grerade värdena av styr- och framströmmarna iG och iA och att de approximativt framgår av följande formler: Kl I Qcc! 6 Rice -í:;â;~:f-ïššâš ......... (1) X2 ....... ( ) jiGat + jiAat + jiMat 2 Rmoc } . där K1 och K2 är proportionalitetskonstanter som varierar i beroende av laddningsbärarnas livslängd i de N- resp. P-ledande basskiktet NB och PB. Om laddningsbärarnas livslängd är kort, kommer antalet i det N-ledande basskiktet NB samlade laddningsbärare att vara litet, varvid konstanterna K1 och K2 blir stora.

Genom insättning av värdena för K1 och K2 och övriga.storheter i uttrycken (1) och (2) och därigenom beräkna värdet på strömmarna vid olika punkter i den ekvivalenta kretsen i fig. 3, blir det uppen- bart att livslängdení?&B för laddningsbärarna i hjälptyrístorns 10 15 20 25 30 35 40 7802656-4 N-ledande basskikt NB är kortare än motsvarande livslängd ZJNB för huvudtyristorn TM, eftersom den genom hjälptyristorområdet TA fly- tande framströmmen iA blir mindre. Dessutom kan framströmmen iA även minskas genom att höja resistansen RG2, men i detta fall kan inte ver- kan av minskningen av framströmmen iA bli tillfredsställande eftersom styrelektroduppbyggnaden begränsar ökningen av nämnda resistans.

I det följande kommer att beskrivas experimentella resultat som understryker denna uppfinnings användbarhet. I en med förstärkande styre försedd tyristor kan de genom hjälp- och huvudtyristoromrâdena TA resp. TM flytande strömmarna iA och in inte mätas separat. Följ- aktligen användes tvâ tyristorer av nyssnämnda typ, varvid hjälpstyr- elektroderna hos respektive tyristor kortslutes i tur och ordning.

Genom kombination av ena tyristorns hjälptyristorområde med den andra tyristorns huvudtyristoromrâde uppmätes de genom hjälp- resp. huvud- tyristorerna TA och TM flytande strömmarna iA och iM, liksom fram- spänningen VE över huvudtyristoromràdet TM. Resultatet av dessa mät- ningar visas i fig. 4, där kurvorna AV och BV representerar vågfor- merna hos framspänningen VF och kurvorna Ai och Bi framströmmens iF kurvformer. Kurvorna AV och Ai motsvarar det fall då livslängderna YfNB för laddningsbärarna i både hjälp- och huvudtyristoromrâdenas N-ledande basskikt NB är H0 ps, under det att kurvorna BV och Bi mot- svarar det fall då sagda livslängdïßí i huvudtyristoromrâdet TM är 40 ps medan livslängden i hjälptyristgrområdet TA är 31 Ps. Av fig. R är det därför uppenbart att framströmmen iA genom hjälptyristorn TA kan minskas om livslängden för laddningsbärarna i hjälptyristoromrâdet göres kortare än livslängden för huvudtyristoromràdets TM laddnings- bärare.

Såsom beskrivits ovan kan vid en enligt föreliggande uppfinning uppbyggd tyristor en minskning ske av omkopplingsenergin upptagen i hjälptyristorområdet TA, där den inledande ledningen, dvs. tänd- området, tenderar att vara lokaliserat. Följaktligen ökar den i huvud- tyristoromràdet upptagna omkopplingsenergin, men eftersom det ledande omrâdet i huvudtyristorområdet under den tidigare delen av tändför- loppet är mycket stor till följd av förlängningen av huvudemitterom- rådets NB1 periferilängd mot hjälpstyrelektroden 5, kan storleksök- ningen av den i huvudtyristoromrâdet upptagna omkopplingsenergin be- gränsas till ett litet värde. Resultatet är, att förhållandet di/dt för en tyristor med förstärkande styre kan förbättras från det van- liga värdet 300 A/ps till mer än 600 A/ps.

I ovanstående, i fig. 1 och 2 visade utföringsform, minskas 10 15 20 25 30 7802656-4 livslängden för laddningsbärarna i hjälptyristorområdet till vänster om linjen X i fig. 1 och 2, men det är att föredraga att livslängden för laddningsbärarna i den del av substratet som befinner sig mittför hjälpemitterområdets NE2 projektion i vinkelrät riktning mot huvud- ytan, liksom livslängden för laddningsbärarna i närheten av detta parti (inom tre gånger laddningsbärarnas diffusionslängd mätt paral- lellt med huvudytan 12 från kanten av det ovan definierade partiet) göres kortare än livslängden för huvudtyristoromrâdets laddningsbä- rare. Detta område kommer således att begränsas av en gränslinje utan- för vilken ansamlingen av elektrisk laddning under hjälptyristorom- rådets ledning blir ytterligt liten. Detta tillstånd skall bibehål- las även vid de båda följande utföringsformerna.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad till den i fig. 1 och 2 visade utföringsformen utan medger exempelvis de i fig. 6A-8B visa- de variationerna. I dessa figurer används samma hänvisningsbeteck- ningar som i fig. 1 och 2.

Vid den i fig. SA och SB visade utföringsformen är styrelek- troden H belägen i halvledarsubstratets 1 mitt, och hjälp- och huvud- emitrerområdena NE2 och NE1 är utformade som ringar kring styrelek- troden H. _ _ Pig. 7A och 7B visar en utföringsform där hjälptyristorområdet TA är anordnat i substratets 1 perifera del. Hjälpemitterområdet NE2 har formen av en ring som omsluter styrelektroden H.

Vid utföringsformen enligt fig. 8A och 8B står styrelektroden H i kontakt med den del av det P-ledande basskiktet PB som ligger mellan huvud- och hjälpemitteromrâdena NE1 och NE2.

Ytterligare en variant är att vid den i fig. 1, 7A, 7B eller 8A, 8B visade tyristorn, hjälpstyrelektroden 5 inte är ringformad utan sträcker sig längs en del av huvudmeitteromràdets N31 periferi.

Claims (3)

7802656-4 Patentkrav

1. Styrd halvledarlikriktare innefattande: ett halvledarsubstrat med två huvudytor (11,12) och bestå- ende av fyra mellan dessa huvudytor belägna, alternerande P- och N-ledande skikt, varvid intill varandra liggande skikt bildar en PN-övergång, och varvid en första av huvudytorna (12) utgöres av blottlagda ytor av ett första av de båda yttre skikten (NE) och ett mellanskikt (PB) och den andra huvudytan (11) utgöres av den blottlagda ytan av det andra, ytterst liggande skiktet (PE), varjämte det första yttre skiktet (NE) innefattar ett huvudområde (NE1) och ett hjälpområde (NE2), vilket har mindre yta än huvud- området och är skilt från detta av nämnda mellanskikt (PB); en första huvudelektrod (3) som är anordnad på halvledar- substratets första huvudyta (12) och som står i spärrfri kontakt med huvudområdet (NE1); en andra huvudelektrod (2) som är anordnad på halvledarsub- stratets andra huvudyta (11) och som står i spärrfri kontakt med det andra yttre skiktet (PB); en styrelektrod (4), som är belägen på halvledarsubstratets första huvudyta (12) och står i spärrfri kontakt med den del av nämnda mellanskikt (PB) som ligger invid hjälpområdet; samt en hjälpstyrelektrod (5), som är belägen på halvledarsubstratets första huvudyta (12), sträcker sig på mellanskíktet (PB) längs huvudområdets (NE1) periferi och till en del bildar spärrfri kon- takt med hjälpområdet (NEZJ, k ä n n e t e c k n a d av att livs- längden för laddningsbärarna i en första substratdel (TA) belägen mitt för hjälpområdets (N52) projektion i vinkelrät riktning mot den första huvudytan (12), liksom livslängden för laddningsbärarna i en andra, inom tre gånger laddningsbärarnas diffusionslängd från den första substratdelen belägen substratdel, är kortare än livslängden för laddningsbärarna i en tredje substratdel (TM) be- lägen míttför en liknande projektion av huvudomrâdet (NE1).

2. Halvledarlikriktare enligt kravet 1, k ä n n e t e c k- n a d av att den första och andra substratdelen är dopade med laddningsbärarnas livslängd förkortande material i en koncentration som är större än motsvarande materials dopningskoncentration i den tredje substratdelen.

3. Halvledarlikriktare enligt kravet 1, k ä n n e t e c k- n a d av att den första och andra substratdelen innehåller medelst radioaktiv bestrålning alstrade rekombinationscentra i 7802656-4 10 en koncentration som är större än koncentrationen rekombinations- centra alstrade på samma sätt i den tredje substratdelen.