DE2149038C2

DE2149038C2 - Halbleiterbauelement und Verfahren zum Betrieb des Halbleiterbauelements

Info

Publication number: DE2149038C2
Application number: DE2149038A
Authority: DE
Inventors: John Mansell London Garrett
Original assignee: Westinghouse Brake English Electric Semi Conductors Ltd
Current assignee: Westinghouse Brake English Electric Semi Conductors Ltd
Priority date: 1970-10-06
Filing date: 1971-10-01
Publication date: 1982-06-24
Also published as: US3725752A; FR2110240A1; DE2149038A1; JPS5423228B1; SE375190B; FR2110240B1; GB1303338A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement i?emäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1

Zum Stand der Technik ist zunächst einmal v> festzustellen, daß bekannte Halbleiterbauelemente mit drei Außenanschlüssen einen Darlington-Aufbau auf weisen, d. h daß mehrere Elemente der gleichen Art in Kaskade angeordnet sind, so daß eine erste und von außen her gesteuerte Einrichtung ihrerseits die zweite to Einrichtung steuert. Derartige Halbleiterbauelemente können im leitenden Zustand nur durch ein fortwährend anstehendes Signal gehalten werden, welches von außen an den Steueranschluß angelegt werden muß. Sofern Darlington-Anordnungen gesteuerter Gleichrichter sich selbst im leitenden Zustand halten können, so kann ein sog. Pilotgleichrichter lediglich den Hauptgleichrichter leitend machen, ihn jedoch nicht abschalten.

Der Erfindung liegt hingegen die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welches sich selbst im leitenden Zustand halten kann und welches durch Steuersignale ein- und ausgeschaltet werden kann, ohne daß hierfür besonders ausgebi'dete Steuerelektroden für den Thyristor erforderlich sind, sowie ein geeignetes Verfahren für den Betrie dieses Halbleiterbauelements anzugeben.

Gelöst wird dies durch ein Halbleiterbauelement gemäß dem Patentanspruch 1 bzw. durch eir Verfahren zum Betrieb des Halbleiterbauelements gemäß dem Patentanspruch 3. Weitere Ausgestaltungen sind in den Patentansprüchen 2 jnd 4 angegeben.

Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung v/eist vier Außenanschlüsse auf. wobei der Transistor und der Thyristor so angeordnet sind, daß da- Steuersignal dem Transistor an seiner Basis zugeführt werden kann. Das Einschalten wird durch einen Steuersignalimpuls erzeugt, welcher an den dritten Außenanschluß angelegt wird, welcher mit dem Steueranschluß des Thyristors verbunden ist, wodurch der Thyristor leitend gemacht wird. Der Kathodenstrom des Thyristors ist ausreichend groß, um den Transistor in die Sättigung zu bringen. Das Ausschalten wird durch einen weiteren Steuersignalimpuls erzeugt, welcher an den Steueranschluß des Thyristors und c<n den vierten Außenanschluß angelegt wird, welcher direkt mit der Basis des Transistors verbunden ist. Durch den höheren Basisstrom zum Transistor wird dieser weiter in die Sättigung getrieben, so daß die Koliektor-Basisspannung auf einen Wert fällt, der geringer ist als die Selbsthaltungsspannung des Thyristors, so daß dieser aufhört zu leiten. Da dann der Transistor keinen Steuerstrom mehr erhält, hört er ebenfalls auf zu leiten.

Demgegenüber soll ein bekanntes Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art (DE-OS 16 14 035, Fig. 2) energiereichen Überspannungen ohne Beeinträchtigung der elektrischen Eigenschaften standhalten. Dieses Halbleiterbauelement weist einen Transistor (Zonen 23, 22, 21) mit einer Durchbruchdiode (Zonen 28, 22, 21, 27) auf welche antiparallel mit dem Kollektor-Basis-Übergang des Transistors geschaltet ist. Auf diese Art und Weise kann in der Mehrzahl aller Fälle erreicht werden, daß die Durchbruchdiode das Halbleiterbauelement ohne äußere Schutzeinrichtungen schüt/t. Der Transistor ist als Verstärker vorgesehen, während die Durchbruchdiode lediglich in außergewöhnlichen U/nstinden in Funktion tritt, um die Zerstörung des Transistors /u vermeiden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild für ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung;

F 1 g 2 zeigt ein Ersatzschaltbild für ein Halbleiterbauelement gemäß F ig 1 mit den ihm zugeordneten Signalerzeugern;

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für ein Halbleiterbauelement gemäß F 1 g. 1 mit einem emsigen Signalerzeuger;

Fig.4 zeigt ein Ersatzschaltbild fur ein Halbleiterbauelement gemäß F i g. 3 in abgewandelter Form;

F i g. 5 ist eine Querschnittsansichl der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 6 ist eine Querschnitlsansicht einer Abwandlung der in I⁷ i g. 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung.

Die in F i g. 1 schematisch dargestellte Ausführungs-

form umfaßt einen npn-Tiansistor 1, der einen Kollektor 2, eine Basis 3 und einen Emitter 4 aufweist. Bei dieser Ausführungsform ist weiterhin ein pnpn-Thyristor 5 vorgesehen, der eine Anode 6 aufweist, die mittels einer Verbindung 7 an einen ersten Außenanschluß 8 angeschlossen ist, welcher mit dem Kollektor 2 des Transistors 1 verbunden ist.

Der Emitter 4 des Transistors 1 ist mit einem zweiten Außenanschluß 9 verbunden. Ein Steueranschluß 10 des Thyristors 5 ist mit einem dritten Außenanschluß 11 verbunden. Die Basis 3 des Transistors 1 und eine Kathode 12 des Thyristors 5 sind mittels einer Verbindung 13 gemeinsam mit einem vierten Außenanschluß 14 verbunden.

Die oben beschriebene Vorrichtung wird dadurch betätigt, daß, wie in Fig. 2 dargestellt, an den zweiten Außenanschluß 9 und den vierten Außenanschluß 14 des mit 15 bezeichneten Halbleiterbauelements ein Signalerzeuger 16 an die Außenanschlüsse 9 und 14 angeschlossen wird, wobei das an den vierten Außenanschluß 14 angelegte Signal zu dem an den zweiten Außenanschluß 9 angelegten Signal positiv ist.

Weiterhin ist ein zweiter Signalerzeuger 17 vorgesehen, welcher ein Einschaltsignal an den dritten Außenanschluß 11 und den vierten Außenanschluß 14 anlegt, wobei das an den dritten Außenanschluß Ii angelegte Signal zu dem an den vierten Außenanschluß 14 angelegte Signal positiv ist.

Wenn ein Potential an den ersten AußenanschluS 8 und den zweiten Außenanschluß 9 deran angelegt ist. daß der Außenanschluß 8 mit Bezug auf den Außenanschluß 9 positiv ist, dann ist das Halbleiterbiu element 15 blockiert oder gesperrt.

Wenn nunmehr von dem Signalerzeuger 17 ein Einschaltsignal angelegt wird, wird der dritte Außenanschluß 11 mit Bezug auf den vierten Außenanschluß 14 positiv, was bewirkt, daß die Kathode 12 des Thyristors 5 Ladungsträger injiziert, so daß der Thyristor 5 leitend v/ird, und der Kathodenstrom in dem Thyristor 5 wird Basisstrom zur Basis 3 des Transistors 1. Der Transistor 1 führt sodann einen Kollektorstrom Ic, der größer als der Kathodenstrom />, des Thyristors 5 ist, und zwar um einen Faktor, der gleich der gemeinsamen Emitterstromv erstärkung β isi

Daher gilt:

und für den (je«.arntsirom ergibt vieh:

Der vorangegangenen Beschreibung entsprechend wird das an den dritten Außenanschluß 11 angelegte positive Signal über den vierten Außenanschluß 14 zurückgeführt, jedoch könnte es stattdessen auch über den zweiten Außenanschluß 9 zurückgeführt werden. In diesem Fall geht das Thyristor-Einschaltsignal auch über den pn-übergang zwischen dem Emitter 4 und der Basis 3 des Transistors 1.

Im Gleichgewicht ist die Kollektor-Basis-Spannung des Transistors 1 gleich der Anodenspannung des Thyristors 5, und der Thyristor 5 und der Transistor 1 sind daher nicht vollständig gesättigt.

Um das Halbleiterbauelement 15 abzuschalten, ist es lediglich notwendig, den Thyristor 5 nichtleitend zu machen, und da der Thyristor 5 nur einen Bruchteil

ίο

des Stroms des Halbleiterbauelements 15 führt, ist dies im Vergleich zum Abschalten eines Thyristors verhältnismäßig einfach.

Um das Halbleiterbauelement 15 abzuschalten, wird von dem Signalerzeuger 16 an den zweiten Außenanschluß 9 und den vierten AußenanschluC 14 ein Abschaltsignal derart angelegt, daß der vierte Außenanschluß 14 zum zweiten Außenanschluß 9 positiv ist. Um das Abschalten zu erzielen, sollte das angelegte Signal stärker sein als der zuvor fließende Thyristorstrom. Durch Anlegen des Abschaltsignals wird der Transistor 1 weiter in die Sättigung getrieben, woraus sich ein Abfall seiner Kollektor Basis-Spannung auf einen Wert ergibt, der unterhalb des Wertes liegt, der erforderlich ist, um den Thyristor 5 im leitenden Zustand zu halt£n. Das Signal braucht nur so lange . ngelegt zu werden, bis der Thyristor 5 in seinen muh· leitenden Zustand Obergegangen ist.

Wenn der Thyristor 5 nichtleitend ist, wird auch der Transistor 1 ebenfalls nichtleitend.

^r'as Nichtleitendwerden des Thyristors 5 wird unterstützt, wenn der dritte Außenanschluß zum vierten Außenanschluß 14 negativ wird.

Km solcher Zustand kann mit der Schaltung gemäß F i £ i c: r■■ „ht werden, bei welcher der Signalerzeuger Ib ;:!\\ der Signalerzeuger 17 zu einem einzigen Sign-ilt-T/e^ger 20 kombiniert worden sind, der sowohl ein Λί Ah..ii als auch ein Einschaltsignal erzeugt. Der Signaierzeuger 20 hat zwei Ausgänge 21 und 22, von denen der \i.".gang 21 mit dem vierten Außenanschluß 14 verbunden ist, während der Ausgang 22 sowohl mit dem dritt · Außenanschluß i I als auch mit dem zweiten Außenansi.hk;;^; ·? aber emc Verbindung 23 verbunden ist. die eine Diode 24 enthält, weiche so angeordnet ist. daß sie den Stromfluß vom Ausgang 22 des Sij?nal<?'veugers 20 zu dem zweiten AußenanschluP. 9 blockiert. Wenn bei dieser Ausführung der S;gnaler/euger 20 cm Abschaltsignal erzeugt wird, wird rin.nl nur der vierte Außenanschluß 14 mit Bezug aut den zweiten Außenanschluli 9 posiiiv gemacht, sondern es wird auch der dritte Außenanschluß 11 mit Bezug auf den vierten Außenanschluß 14 negativ gemacht.

Bei einer abgewandelten Ausführung können die Verbindung 23 und die darin enthaltene Diode 24 fortgelassen werden, so daß das Schalten des Halbleiterbauelements 15 dadurch bewirkt wird, daß lediglich der TSnstor 5 durch den Signalerzeuger 20 ab- oder eingeschaltet wird

I Jach Fig. 4 ist der Ausgang 21 des Signalerzeugers

20 an die Verbindungsstelle zweier Dioden 25 und 26 angeschlossen. Die Diode 25 ist zwischen dem Ausgang

21 des Signalerzeugers 20 und dem zweiten Außcnan Schluß 9 so angeordnet, daß sie den Stromfluß vom Ausgang 21 zu dem Außenanschluß 9 blockiert, und die Diode 26 ist so angeordnet, daß sie den Stromfluß von dem vierten Außenanschluß 14 zum Ausgang 21 des Signalerzeugers 20 blockiert.

Die Schaltungen gemäß Fig.'6 und 4 hüben gegenüber der Schaltung gemäß F i g. 2 den Vorteil, daß die Einschalt- und Abschaltsignale an dieselben Stellen des Halbleiterbauelements 15 gegeben werden, so daß ein einziger Signalerzeuger 20, der abwechselnd positive und negative Ausgangssignale liefert, einge-

setzt werden kann.

Das Halbleiterbauelement 15 gemäß Fig. 5 ist konzentrisch ausgebildet, wobei der äußere Teil außerhalb der strichpunktierten Linien den Transistor 1 darstellt, während der zentrale Teil innerhalb der s strichpunktierten Linien den Thyristor 5 darstellt.

Das Halbleiterbauelement 15 hat sich gegenüberliegende Flächen 31 und 32. Von der Fläche 32 erstrecken sich ein p-Bereich 33 (Anode 6 des Thyristors 5) und ein n-Bereich 34, dessen äußerer Teil den Kollektor 2 des Transistors 1 darstellt und dessen innerer Teil über dem p-Bereich 33 den η-Bereich des Thyristors 5 darstellt. Das Halbleiterbauelement 15 ist mit seiner Fläche 32 auf einem elektrisch leitenden Grundteil 35 angebracht.

An den n-Bereich 34 grenzt ein weiterer p-Bereich 36 an, der sich von der Fläche 31 des Halbleiterbauelements 15 nach innen erstreckt. Der Außerhalb der strichpunktierten Linien liegende Teil des p-Bereichs 36 stellt die Basis 3 des Transistors 1 dar. und der innerhalb der strichpunktierten Linien liegende Teil des p-Bereichs 36 ist mit dem Steueranschluß 10 des Thyristors 5 verbunden.

Im p-Bereich 36 sind zwei zusätzliche ringförmige konzentrierte n-Bereiche 37 und 38 gebildet, die sich von der Fläche 31 des Halbleiterbauelements 15 nach innen erstrecken. Der äußere n-Bereich 37 stellt den Emitter 4 des Transistors 1 dar. Der innere n-Bereich 38 stellt die Kathode 12 des Thyristors 5 dar, der über ein Kurzschlußglied 39 mit demjenigen Teil des p-Bereichs 36 verbunden ist, der die Basis 3 des Transistors 1 bildet. JO Im Zentrum befindet sich der dritte Außenanschluß 11 am p-Bereich 36.

Es ist ersichtlich, daß der n-Bereich 34 und der p-Bereich 36 dem Transistor 1 und dem Thyristor 5 gemeinsam sind. Die Leitfähigkeit dieser beiden Bereiche in radialer Richtung ist jedoch so gering, daß sie gegenüber der Leitfähigkeit der Außenanschlüsse vernachlässigt werden kann.

Das Kurzschlußglied 39 kann mit einem ausreichend großen Widerstand ausgebildet werden, um den Einschaltstromstoß im Thyristor 5 zu begrenzen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführung braucht der n-Bereich 37 nicht ringförmig zu sein, sondern er kann sich radial nach innen erstreckende fingerartige Teile aufweisen, die mit komplementär gestalteten fingcrnrtigen Teilen desjenigen Teils des p-Bereichs 36 ineinandergreifend zusammenpassen, welcher die Basis 3 des Transistors 1 darstellt. Bei einer solchen Abwandlung würde der Ohmsche Kontakt mit dem p-Bereich 36 eine ähnliche Gestalt wie die fingerartigen Teile 36 haben.

In Fig.6 ist ein Halbleiterbauelement 15 dargestellt, in welches die Diode 24 miteingeschlossen ist. In diesem Fall ist das Halbleiterbauelement 15 nicht konzentrisch ausgebildet, sondern der Thyristor 5 liegt (gemäß der Zeichnung) auf der linken Seite einer strichpunktierten Linie 40.

Die Diode 24 ist von einem weiteren n-Bereich 42 gebildet, der innerhalb des p-Bereichs 36 liegt und sich von der Fläche 31 nach innen erstreckt Die Diode 24 ist im n-Bereich 42 und demjenigen Teil des p-Bereichs 36 vorgesehen, der gemäß der Zeichnung rechts und oberhaib von einer strichpunktierten Linie 41 liegt.

Der Widerstand des p-Bereichs 36 ist so hoch, daß kein Kurzschluß zwischen dem vierten Außenanschluß 14 und dem zweiten Außenanschluß 9 über das Kurzschlußglied 39 und ein Kurzschlußglied 43, das der Verbindung 23 gemäß F i g. 3 entspricht, entsteht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement, in dessen Halbleiterkörper ein npn-Teiltransistor (1) imd ein Teilthyristor (5) ί mit npnp-Zonenfolge integriert sind, wobei die Kollektor- (2; 34) und die Basiszone (3; 36) des Teiltransistors jeweils zusammen mit der n- bzw. p-leitenden Basiszone (34,36) des Teilthyristors eine durchgehende Halbleiterschicht bilden, wobei die m Kollektorzone (2; 34) des Teiltransistors mit der anodenseitigen Emitterzone (6; 33) des Teilthyristors verbunden ist. die ihrerseits mit einem ersten Außenanschluß (8) in Verbindung steht, wobei die Emitterzone (4; 37) des Teiltransistors mit einer.) >; zweiten Außenanschluß (9) verbunden ist und wobei die kathodenseitige Emitterzone (12; 38) des Teilthyristors und die Basis/one (3; 36) des Teiltransistors miteinander und mit einem dritten Außemnschluß (14) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ρ leitende Basiszone (10; 36) des Teilthyristors (5) mit einem vierten Außenanschluß (11) verbunden ist und der erste (8) und der zweite (9) Außenanschluß die Hauptanschlüsse und der dritte (14) und vierte (11) r> Außenanschluß die Steueranschlüsse zum Ein- und Ausschalten des Halbleiterbauelements (15) bilden.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch f.dadurch gekennzeichnet, daß eine in der Basiszone (36) des Teiltransistors (1) ausgebildete η-leitende Zone (42) i< > mit dem vierten Außenanschluß (U) und die Basiszone (36) des Teiltransistors (1) mit dem zweiten Außenar.ichluß ,5) elektrisch leitend verbunden ist (Fig. 6).

3. Verfahren zum Betri.· / des Halbleiterbauele- Jj mems nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zum Durchschalten zwischen dem dritten (14) und dem vierten (H) Außenanschluß ein äußeres Signal angelegt wird, das geeignet ist, den Teilthyristor (5) leitend zu machen und /um Ausschalten ein *» Signal zwischen dem zweiten (9) und dem dritten (14) Außenanschluß angelegt wird

4 Verfahren zum Betneb des Halbleiterbauelements nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß zum Durch- und Ausschalten Signale /wischen 4". die .Steueranschlüsse (11,14) angelegt werden, wobei das Durchschaltsignal geeignet ist. den Teilthyristor (5) leitend zu machen.