CH629338A5 - Ohne sperrverzoegerung abschaltbarer thyristor. - Google Patents

Description

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe geringe Sperrstrom aufgrund der Rekombination in den Basis zugrunde, einen Thyristor zu schaffen, der abgeschaltet werden zonen nicht stört, steht mit dem neuen Thyristor überdies ein kann, ohne dass eine Sperrverzögerungszeit auftritt, d.h. der Bauelement zur Verfügung, das praktisch ohne jede durch das Thyristor soll bereits bei einem positiven Anodenstrom Span- 65 Bauelement selbst verursachte Verzögerung geschaltet wer-nung aufnehmen. den kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass Für einen herkömmlichen Frequenzthyristor muss die die kathodenseitige Emitterzone mit Emitterkurzschlüssen ver- Ladungsträgerlebensdauer in der Basis sehr genau eingestellt

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werden, damit ein optimaler Kompromiss zwischen kurzer als Funktion der Eindringtiefe), wie es beispielsweise in Fig. 3 Freiwerdezeit und niedrigen Durchlassspannungsabfall erzielt wiedergegeben wurde, zwischen 200 und 600 p.m. Die Breite bs . wird. Diese Einstellung erfordert einen technologisch aufwen- der Shorts 2 hingegen liegt zwischen 20 und 200 (im. Das mit 3 digen Prozess. bezeichnete Gate weist eine Streifenbreite bc auf, die so

Bei einem Bauelement gemäss der Erfindung braucht dage- 5 gewählt wird, dass eine ausreichend leitfähige Metallisierung gen die Ladungsträgerlebensdauer in der Basis nicht mehr so einfach aufgebracht werden kann.

genau kontrolliert zu werden, da das Abschaltverhalten weitge- Um die relativ hohen Zündströme zur Verfügung zu stellen, hend durch die Vershortung kontrolliert werden kann. die mit der Erhöhung der Halteströme verbunden sind, kann

Andererseits kann aber bei einer geeigneten mittleren Lebens- der Thyristor mit einem - in Fig. 2 nicht dargestellten - inte-dauer der ausnutzbare dl/dt-Bereich dadurch vergrössert wer- io grierten Hilfsthyristor (Amplifying Gate) versehen werden (zur den, dass die Lebensdauer im Bereich des kathodenseitigen pn- Wirkungsweise und Verwendung von integrierten Hilfsthyri-Übergangs niedriger eingestellt wird. Das kann etwa durch stören vgl.: J. Burtscher: Thyristoren mit innerer Zündverstär-eine Golddiffusion von der Kathodenseite her geschehen. kung; in: Dynamische Probleme der Thyristortechnik; Berlin

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des neuen Thy- 1971, S. 128-146).

ristors anhand von Zeichnungen erläutert, aus denen weitere is Eine andere Möglichkeit, die relativ hohen Zündströme zur Vorteile der Erfindung hervorgehen. Es zeigt: Verfügung zu stellen, besteht in einer Zündung mittels Avalan-

Fig. 1 schematisch jeweils den Stromverlauf beim Abkom- chestrom (Überkopfzündung). Eine solche Zündung mittels mutieren für einen bestimmten dl/dt-Wert bei einem Thyristor Avalanche- oder Lawinendurchbruchstrom ist bekannt aus der mit geringer Vershortung (Fig. 1 a) und einem Thyristor mit CH-PS 594 984. Sie bietet die Vorteile, dass kein eigener Gate-grosser Vershortung (Fig. lb), 20 kreis benötigt wird und sehr kurze Einschaltzeiten erreicht

Fig. 2 schematisch einen perspektivischen Ausschnitt eines werden. Eine Struktur, die so gezündet werden kann, ist in Fig. 4 Thyristors mit grosser Vershortung, dargestellt. Sie unterscheidet sich von Fig. 2 im wesentlichen

Fig. 3 ein Dotierungsprofil eines Leistungsthyristors, wie es dadurch, dass anstelle des Gatebereichs 3 (Fig. 2), gekrümmte bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 verwendet wurde, und pn-Übergänge 5 (Fig. 4) vorgesehen sind. Der Avalanchestrom

Fig. 4 eine Schnittzeichnung durch einen Thyristor ohne 25 setzt gerade in diesen Bereichen ein und wirkt wie der Gate-Steuerelektrode (Gate) und mit kathodenseitig gekrümmten ström in einem Thyristor nach Fig. 2.

pn-Obergängen. Besonders gut bewährt haben sich auch Zündanordnungen,

In Fig. 1 a ist der zeitliche Verlauf des Anodenstroms I, wäh- bei denen die Zündung mittels Licht erfolgt (vgl. J.R. Davis and rend der Umschaltung von der Durchlassrichtung in die nega- J.S. Roberts: Ultra Fast, High Power Laser-Activated Switches, tive Sperrichtung für einen typischen Leistungsthyristor sehe- 30 PESC 76 Record, S. 272-279). Hierzu wird die in Fig. 2 mit 4 matisch dargestellt. Dabei ist mit I0, der Durchlassstrom zu bezeichnete Gatemetallisierung weggelassen und das Licht Beginn des Abkommutierens (z.B. 200 A) und mit IH, der Halte- dann in das zwischen den Kathodenmetallisierungen (6) befind-strom bezeichnet (z.B. 0,1 A). Beim Nulldurchgang des Stromes liehe Gebiet eingestrahlt. Durch die Lichtzündung wird im Thy-I sind immer noch freie Ladungen in den pn-Übergängen vor- ristor in sehr kurzer Zeit eine hohe Konzentration an Ladungs-handen. Es fliesst daher während der Sperrverzögerungszeit tv 35 trägem erzeugt. Damit wird eine grossflächige Zündung mit ein Rückstrom, der erst verschwindet, wenn die überschüssigen sehr geringen Emschaltverlusten möglich. Im Gegensatz zur Minoritätsträger über die pn-Übergänge abgeflossen sind bzw. Lichtzündung bei bekannten Anordnungen können für das hier in den anschliessenden Zonen rekombinieren konnten. vorgeschlagene Bauelement Laser geringer Leistung, also ins-

Fig. lb zeigt den zeitlichen Verlauf des Anodenstroms I besondere Halbleiterlaser als Lichtquellen verwendet werden, eines entsprechenden Thyristors mit starker Vershortung, wie 40 weil die Intensität in diesem Fall nur ausreichen muss, um die er etwa in Verbindung mit Fig. 2 näher beschrieben werden Ladungsträgerkonzentration am kathodenseitigen pn-Über-wird. Bei gleicher Abkommutierungsgeschwindigkeit beginnt gang so hoch zu machen, dass es hier zur Ausbildung eines der kathodenseitige Übergang bereits mit einem positiven Zündkanals kommt.

Strom IAbk Spannung aufzunehmen. Die Sperrverzögerungszeit Als besonders vorteilhaft erweist sich zur Lichtzündung die ty ist in diesem Fall praktisch Null. Der Haltestrom Ih' hinge- 45 Verwendung von Strukturen gemäss Fig. 4, denn im Bereich gen ist bei dem neuen Thyristor höher (etwa 5 A) als bei dem der gekrümmten, sich an die Oberfläche erstreckenden pn-Thyristor gemäss Fig. 1 a. Übergänge wird die Quantenausbeute noch zusätzlich vergrös-

Eine Möglichkeit, die Vershortung eines Thyristors zu erhö- sert.

hen, zeigt Fig. 2. Dabei sind die Emitter 1 sowie die Shorts 2 in Mit der Struktur gemäss Fig. 4 ist auch ein gemischter

Form von Streifen ausgebildet. Die Streifenbreite bE eines 50 Betrieb Überkopf-Licht-Zündung denkbar. Durch eine kon-n+-Streifens des Emitters 1 liegt bei Leistungsthyristoren mit stante geringe Lichtleistung kann dabei die Spannung für die einem Dotierungsprofil (Konzentration der Dotierungsatome Überkopfzündung variiert werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

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   PATENTANSPRÜCHE sehen ist, wobei die Zahl und/oder die Form der Kurzschlüsse,

   1. Ohne Sperrverzögerungszeit abschaltbarer Thyristor, d.h. die Vershortung, und/oder die Dotierung der kathodenseiti-dadurch gekennzeichnet, dass die kathodenseitige Emitterzone gen Basiszone derart gewählt sind, dass ein Sperren des Thyri-(1) mit Emitterkurzschlüssen (2) versehen ist, wobei die Zahl stors bei der maximal zulässigen Abkommutierungsgeschwin-und/oder die Form der Emitterkurzschlüsse, d. h. die Vershor- s digkeit, dl/dt, noch bei einem positiven Anodenstrom erfolgt, tung, und/oder die Dotierung der kathodenseitigen Basiszone Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, dass ein Sper-derart gewählt sind, dass ein Sperren des Thyristors bei der ren des Thyristors bei positivem Anodenstrom nicht nur im sta-maximal zulässigen Abkommutierungsgeschwindigkeit, dl/dt, tionären Zustand: dl/dt » 0 eintritt, sondern auch für dl/dt-noch bei positivem Anodenstrom erfolgt. Werte, die üblicherweise in Schaltungsanordnungen mit Lei-
2. 2. Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, io stungsthyristoren vorkommen und etwa zwischen 0,1 und 5 dass die kathodenseitige Emitterzone ( 1 ) und die Emitterkurz- A/p.s liegen können. Um dieses zu erreichen, wird bei einem schlüsse (2) eine periodische Parallelstreifenanordnung bilden, Thyristor beispielsweise die Anzahl der Shorts so lange erhöht, wobei die Breite einer Emitterzone, b& zwischen 200 und 600 ja.m bis der Thyristor für die vorgegebene Abkommutierungsge-und die Breite eines Emitterkurzschlusses, bs, zwischen 20 und schwindigkeit bei einem Strom 0 < IAbk ^ IH abschaltet.

   200 (im beträgt. is Durch die stärkere Vershortung wird schon im stationären
3. 3. Thyristor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, Durchlasszustand die Überschwemmungskonzentration am dass die vorwärtssperrenden pn-Übergänge (5) im Bereich zwi- kathodenseitigen pn-Übergang abgesenkt. Bei kleiner werden-schen den, den Emitterkurzschlüssen (2) abgewandten Rändern dem Strom wird der Übergang entsprechend schneller völlig der Emitterzonen, gekrümmt sind und jeweils an der kathoden- frei von beweglichen Ladungsträgern; es kommt zum Sperren seitigen Oberfläche des Thyristors enden. 20 des kathodenseitigen Übergangs.
4. 4. Verfahren zum Betrieb eines Thyristors nach Anspruch 3, Je grösser die Vershortung, d.h. je kleiner der grösste mit Unterbrüchen in der Kathodenmetallisierung, dadurch Abstand eines Punktes der Kathodenfläche vom nächsten gekennzeichnet, dass der Thyristor durch Einstrahlung von Shortrand ist, bzw. je höher die Dotierung der kathodenseiti-Licht in das zwischen den Kathodenmetallisierungen (6) befind- gen Basiszone ist, desto grösser ist auch der maximale dl/dt-liche Gebiet oder mittels Avalanchestrom, d.h. Überkopfzün- 25 Wert, bei dem der Thyristor noch bei positivem Anodenstrom dung, gezündet wird. sperrt.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, Für Abkommutierungsgeschwindigkeiten zwischen 0,1 und dass als Lichtquelle ein Laser verwendet wird. 5 A/ns wie sie üblicherweise in Schaltungen mit Zwangskommutierung auftreten, muss die Vershortung so gross gewählt

   30 werden, dass die dadurch bedingte Haltestromerhöhung um den Faktor 10 bis 100 höher liegt als bei den üblichen in derartigen Schaltungen verwendeten Thyristoren. Der Haltestrom der neuen Thyristoren liegt daher etwa zwischen 1 und 20 A.

   Die in der Stromrichtertechnik verwendeten Leistungsthy- Dieser Zusammenhang zwischen Haltestromerhöhung und ristoren werden dadurch ausgeschaltet, dass der Anodenstrom 35 Abnahme des Sperrverzögerungs- und damit auch Freiwerde-jeweils kurzzeitig unter den Wert des Haltestromes gesenkt zeit darf indessen nicht verwechselt werden mit der in der Lite-wird. Dazu wird der Thyristor zunächst von der Durchlassrich- ratur bekannten Beziehung (vgl. z.B. S.M. Sze: Physics of Semi-tung in die negative Sperrichtung geschaltet. Innerhalb der conductor Devices, New York 1969, S. 340):

   sogenannten Sperrverzögerungszeit, tv, werden dabei die beiden äusseren Sperrschichten aufgrund des bestehenden elektri- 40 toff = tp In Iq/Ih (1) sehen Feldes von freien Ladungsträgern geräumt. Die Höhe des Rückstromes Ir während der Sperrverzögerungszeit hängt wobei mit t0ff die Freiwerdezeit, mit tp die Lebensdauer der im wesentlichen von der Steilheit des Stromabfalls (im folgen- Ladungsträger in der anodenseitigen Basiszone, I0 der Strom den auch als Abkommutierungsgeschwindigkeit bezeichnet) zur Zeit t = 0 und IH der Haltestrom bezeichnet sind. Diese dl/dt, von der Höhe des vorherigen Durchlassstromes I0, und 45 Gleichung bezieht sich nur auf den Fall, dass bei Bestimmung von der Höhe der Sperrschichttemperatur ab (vgl. z.B. BBC der Freiwerdezeit die Sperrverzögerungszeit vernachlässigt Silizium Stromrichterhandbuch, Baden 1971, S. 60 ff.). werden kann. Der Spannungsverlauf der treibenden Spannung

   Sind die beiden äusseren Sperrschichten frei von Ladungs- wird ausserdem als Sprung vorausgesetzt, während es sich in trägem, so wird der restliche Teil der Freiwerdezeit, tF im der Regel um einen - in der Nähe des Strom-Nulldurchganges -

   wesentlichen durch die Rekombination der Ladungsträger 50 eingeprägten linearen Stromverlauf handeln wird (Netzspan-innerhalb der Basiszonen bestimmt. nung). Gerade der durch die Gleichung (1 ) gegebene Zusam-

   Zur Verkürzung der Freiwerdezeit ist es bekannt, entweder menhang hat bisher verhindert, Thyristoren mit kurzer Thyristoren mit dünnen Basiszonen zu verwenden, was Freiwerdezeit aufgrund einer Erhöhung des Haltestroms zu zwangsweise zu einer Verschlechterung der Spannungsfestig- bauen, weil nach dieser Gleichung die Wirkung aufgrund des keit führt oder die Lebensdauer der Ladungsträger in der Basis 55 logarithmischen Zusammenhanges relativ gering ist (vgl. Radeherabzusetzen, was zu einer Verschlechterung der Durchlass- recht: The development of a gate assisted turn-off thyristor for eigenschaften dieser Bauelemente führt. use in high frequency applications, Int. J. Electronics 36 (1974),

   Ferner sind auch Thyristoren bekannt, bei denen versucht S. 401). Im Gegensatz hierzu zeigt die vorliegende Erfindung, wird, das Freiwerdeverhalten durch das Anlegen einer negati- dass bereits relativ geringe Haltestromerhöhung die Sperrverven Gatespannung zu verbessern (vgl. Raderecht, in: J. Electro- 60 zögerungszeit beseitigen und damit die Freiwerdezeit zusätz-nics 36 (1974, S. 399-416). lieh verkürzen. In Schaltungsanordnungen, in denen der