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Die Erfindung bezieht sich auf einen steuerbaren Halbleiter-
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gleichrichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Es ist bereits ein stromzündbarer Halbleitergleichrichter mit einer
Vierschichtstruktur bekannt, bei welchem der mit der Steuerleistung beaufschlagte
und primär gezündete Bereich der einen äußeren Emitterschicht mit einem Restbereich
zusammenhängt (SCR-anual 1972, General Electric Comp., S. .
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Ein derartiger Halbleitergleichrichter übernimmt den Laststrom nach
der Zündung wegen der zusammenhängenden Bereiche der Emitterschicht auch noch bei
sehr niedrigen Elemmenspannungen (2V), da sich die Zündung, im wesentlichen durch
laterale Trägerdiffusion, vom primär gezündeten Bereich über den gesamten Halbleiterkörper
ausbreitet.
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Bei diesem Halbleitergleichrichter steht einer hohen Zündempfindlichkeit
eine ebenfalls hohe du/dt-Empfindlichkeit des primär gezündeten Bereichs der Emitterschicht
gegenüber; in diesem Bereich tritt bei ansteigender Vorwärts-Sperrspannung ein Störpotential
auf, durch dasStörzündungen erfolgen.
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Es ist auch bereits ein optisch zündbarer llalbleitergleich richter
bekannt, bei welchem die äußere, der Strahlung ausgesetzte Emitterschicht ebenfalls
aus einem primär
gezündeten Bereich und einem Restbereich besteht,
wobei diese Bereiche jedoch voneinander getrennt sind; die du/dt-Empfindlichkeit
des primär gezündeten Bereichs ist durch eine Störpotential-Kompensation behoben,
indem das Randpotential der der Emitterschicht benachbarten Steuerbasisschicht mittels
einer Randelektrode abgegriffen und auf den separierten,primär gezündeten Bereich
der Emitterschicht übertragen wird (IEEE Transaction on Electron Devises, Vol. ED-23,
No 8, Aug. 1976, S. 899 - 904; DT-OS 25 49 563).
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Bei diesem Halbleitergleichrichter erfolgt wegen des vom Restbereich
der Emitterschicht abgetrennten primär gezündeten Bereichs bei sehr kleinen Klemmenspannungen
(c2V) keine Ausbreitung der Zündung über den gesamten lialbleiterkörper, da bei
derart kleinen Spannungen eine Folgezündung aber die Randelektrode nicht mehr möglich
ist und auch eine Übergabe der Zündung auf denRestbereich analog dem bekannten Junction-Gate-
oder Querfeldemitter-Prinzip extrem erschwert ist.
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Der Erfindungliegt die Aufgabe zugrunde, einen steuerbaren Halbleitergleichrichter
zu schaffen, der optisch - oder stromzündbar ist, der ferner bei hoher Zündempfindlichkeit
unempfindlich gegen Yorwärts-Sperrströme oder Störströme aus ansteigenden Yorwärts-Sperrspannungen
ist und bei dem eine sichere Zündausbreitung über den Halbleiterkörper auch bei
sehr kleinen Klemmenspannungen erfolgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch-die im Kennzeichen der Ansprüche
angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Derdurch die Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin,
daß ein hoch zündempfindlicher Halbleitergleichrichter mit hoher du/dt-Festigkeit
erreicht ist, der auch bei sehr kleinen Kleinmenspannungen über seinen Gesamtkörper
zündet, so daß keine Schwierigkeiten bei einer Parallelschaltung von mehreren solcher
lalbleitergleichrichter auftreten; ferner ist eine bessere Anpassung des örtlichen
Verlaufs des Kompensationspotentials in der äußeren Emitterschicht an den Verlauf
des Störpotentials in der Steuerbasisschicht erreicht, so daß hohe lokale Überkompensationen
vermieden sind, welche bei schnell zusammenbrechenden Vorwärts-Sperrspannungen wiederum
eine Störzündung einleiten könnten.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen störpotentialkompensierten
optisch zündbaren Halbleitergleichrichter in Draufsicht und Schnittansicht, Fig,
2 ein Potentialdiagramm zur Ausbildung nach der Fig. 1, Fig. 3 einen störpotentialkompensierten
stromzündbaren Halbleitergleichrichter in Schnittansicht, Fig. 4 ein Potentialdiagramm
zur Ausbildung nach der Fig. 3.
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Der Halbleitergleichrichter 1 nach der Fig. 1 umfasst eine äußere,
der Anregungsstrahlung im mittleren Bereich 51 ausgesetzte n -Emitterschicht 2,
wobei dieser Bereich 51 mit dem weiteren Bereich 52 der Emitterschicht 2 verbunden
ist; eine weitere p-Steuerbasisschicht 4; eine n-Hauptbasisschicht 5; eine p-Emitterschicht
6.
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Auf der Emitterschicht 2 ist eine Kathodenelektrode 3 angeordnet,
deren Potential als Bezugspotential gewählt ist; die zweite Emitterschicht 6 ist
mit einer Anodenelektrode 7 versehen, die auf positivem Potential liegt.
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Die Emitterschicht 2 weist Emitterkurzschlüsse 82i 82' in Lochform
auf und ist U-förmig ausgespart, wobei diese Aussparung ein hochgezogener Teil der
Steuerbasisschicht 4 einnimmt; in der mitte dieses Teil der Steuerbasisschicht 4
ist eine ebenfall U-förmige Elektrode 53 angeordnet, die über eine Leitung 55 mit
einer auf dem mittleren Bereich 51 der Emitterschicht 2 angeordneten Elektrode 56
verbunden ist Wie aus derDraufsicht ersichtlich,ist der mittlere, primär gezündete
Bereich 51 stegartig mit dem weiteren Bereich 52 der Emitterschicht 2 verbunden;
der freie Teil des Bereichs51 57 ist von einer etwa halbmondförmigen Elektrode teilweise
umgriffen, die auf einem weiteren hochgezogenen Teil der Steuerbasisschicht 4 angeordnet
ist, die an dieser Stelle durch einen schmalen hochgezogenen Teil 80 der }Iauptbasisschicht
5
getrennt ist; an die Elektrode 57 ist eine Diode 14 geschaltet, die mit der Kathodenelektrode
3 verbunden ist.
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Die Elektrode 53 wird zur Kompensation des unterhalb des primär gezündeten
Bereichs 51 in der Steuerbasisschicht Q auftretenden Störpotentials foap (Fig. 2)
herangezogen und diese liegt nicht mehr im Randbereich der Steuerbasisschicht 4;
in der dargestellten Ausbildung dient die Elektrode 53 auch als Folgegate; bezogen
auf die Störpotentiakompensation ist dies nicht unbedingt erforderlich. Die metallische
Kathodenelektrode 3 kann auch auf den hochgezogenen U-förmigen Teil der Steuerbasisschicht
4 übergreifen, so daß dann eine Zündung des Halbleitergleichrichters durch Stromeinspeisung
über die Elektrode 56, Leitung 55 und Elektrode 53 verhindert ist.
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Die Höhe des ander Elektrode 56 durch den Kompensationsstrom erreichbaren
Kompensationspotentials ist gegeben durch dieErsatzkapazität Ck mit den Ersatzwiderständen
Rk1 und Rk2, zu denen ein weiterer Ersatzwiderstand Rk3 parallel liegt, der durch
die zusammenhängenden Bereiche 51, 52 gebildet ist.
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Der Ersatzwiderstand Rk3 ist bei den zusammenhängenden Bereichen 51,
52 relativ niedrig; durch Anbringung einer Ätzzone 81 im Bereich 51 erhält dieser
eine erhöhte Querleitfähigkeit.
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Ein bei du/dt-Belastung auftretender, durch die Kombination
%
1 N 2 Ck erzeugter Strom fließt als Kompensationsstrom von der Elektrode 53 über
Leitung 55, Elektrode 56, Bereich der Ätzzone 81 und Kathodenelektrode 3 ab; durch
den mittels der Ätzzone 81 erhöhten Ersatzwiderstand Rk3 kann sich im Bereich 51
wegen desdurchfießenden Kompensationsstromes ein ausreichend hohes Kompensationspotential
fc (Fig. 2) aufbauen.
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Durch den schmalen hochgezogenen Bereich 80 der Hauptbasisschicht
5 ist erreicht, daß die in der Steuerbasisschicht 4 unterhalb des Bereichs 54 erzeugten
optischen Ströme nur in Richtung des Einitterkurzschlusses 82' abfließen können
und ein Abfließen in anderer Richtung verhindert ist.
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Durch die Diode 14 erfolgt eine Begrenzung des unterhalb des primär
gezündeten Bereichs 51 in der Steuerbasisschicht 4 auftretenden Störpotentials,
so daß auch nur ein relativ kleines Kompensationspotential benötigt wird.
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Der Halbleitergleichrichter unterscheidet sich vom bekannten optisch
zündbaren und störpotentialkompensierten Halbleitergleichrichter durch die Emitterschicht
2 mit den zusammenhängenden Bereichen 51, 52, so daß die Zündausbreitung per Trägerdiffusion
vom Bereich 51 zum Bereich 52 der Emitterschicht 2 ablaufen und so bei kleinen,
am Halbleitergleichrichter anliegenden Klemmenspannungen ausdiffundieren kann.
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Nachstehend wird die Wirkungsweise des Halbleitergleichrichters anhand
des Diagrammes nach der Fig. 2 naher erläutert.
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Wie ersichtlich, tritt im Störungsfall ohne Begrenzung ein relativ
hohes kapazitives Störpotential #cap mit annallernd parabolischem Anstieg (Halbparabel)
auf, während das Kompen sationspotential #comp relativ niedrig ist; das optische
Potential #opt hat wie das Störpotential #cap nährungsweize halbparabolischen Verlauf.
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Durch die Potentialbegrenzung fli der Diode 14 wird das Störpotential
#'cap an der Elektrode 57 auf das Begrenzungspotential #lim festgelegt, welchs beispielsweise
bei Verwendung einer Si-pn-Diode dei etwa 0,5 bis 0,6 V liegt.
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Im Beispiel ist angenommen, daß das optische Potential #opt etwas
größer als das Begrenzu»gspotential #lim ist, so daß das optischc Potential #opt
geringfügig, jedoch nicht iLl Maximum, begrenzt wird.
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Wenn die Diode 14 vorhanden ist fließt ein kapazitiver Strom Iq sowohl
über die Reihenschaltung von Ersatzwiderstand R@2 und Diode 14 als auch über Ersatzwiderstand
R zur Elektrode 3 ab, während ohne Diode 14 der Strom I allein über den Ersatzwiderstand
R21 abfließen wüede, so daß sich q1 ein größeres Störpotential #can ergäbe. Der
im wesentlichen zu kompensierende Teil A des Störpotentials #'cap ist also beträchtlich
kleiner als das unlimitierte Störpotential #cap.
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Die Quereitfä.higkeit der n+-Emitterschicht 2 @ ergibt den Ersatzwiderstand
R131 der zu den Ersatzwiederständen Rk1 2 parallel liegt. Dadurch wird von der Elektrode
53 über die Leitung 55 zur Elektrode 56 ein Strom übertragen, der über die n+-Emitterbereiche
51, 52 zur Kathodenelektrode 3 abfließt. Dadurch entsteht innerhalb des Bereiches
51 zwischen den Elektroden 56 und 3 ein ortsabhängiges Kompensationspotential#comp,
das seinen Nullpunkt an der von der Kathodenelektrode 3 überdekten Stelle des Bereiches
51 hat und das über einendurch Ätzung in seiner Schichtdicke verminderten Bereich
81 bis zur Elektrode 56 ansteigt und dann konstant bleibt.
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Die Nullpunkte des Potentials der Steuerbasisschicht 4 liegen in den
Emitterkurzschlüssen 82, insbesondcrc liegt der Nullpunkt der Störpotentiale#cap,
#cap und des optischen Potentials#opt nicht notwendigerwiese an der gleichen Stelle
wie das Kompensationspotential#comp.
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Der stromzündbare Halbleitergleichrichter nach der Fig. 3 stimmt in
seiner Schichtenstruktur mit dem nach der Fig. 1 überein; der Bereich 54 ist nunmehr
der Zündbereich und die Elektrode 57 die Zündelektrode.
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Der Halbleitergleichrichter wird mittels eines Steuerstromgenerators
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gezündet, der übereine Gateleitung 83 einen Steuerstrom 1 liefert, der über die
Gateelektrode 57 g in die Steuerbasisschicht 4 und über die Emitterkurzschlüsse82'
abfließt entsprechend tritt an den in Reihe liegenden Ersatzwiderständen Rq1,Rq2
ein Potential Fz auf, das zurZündung im Bereich 54 der Emitterschicht 2 führt.
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Im Fall einer du/dt-Belastung oder bei hohen Vorwärts-Sperrströmen
entsteht im Zündbereich 54 ein entsprechend hohes kapazitives Störpotential flcap
(Fig. 4), das aus den verteilten Ersatzkapazitäten Cq1, Cq der pn-Übergangskapazität
der Schichten 4, 5 abgeleitet ist. Durch diese verteilten Ersatzkapazitäten hat
das Störpotential poap einen halbparabolischen Verlauf.
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Eine ungewollte Zündung durch dieses Störpotential #cap wirddurch
die Einspeisung eines Kompensationsstromes in den Bereich51 der Emitterschicht 2
verhindert.
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Der Kompensationsstrom wird gewonnen aus dem pn-Übergang der Schichten
4, 5 im Bereich 84, in dem eine Ersatzkapazität Ck und Ersatzwiderstände Rk1l Rk2
angedeutet sind.
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Der in diesem pn-Übergang entstehende Strom wird zum Teil über den
durch die Ersatzwiderstände Rki, Rk2 dargestellten Flächenwiderstand der Steuerbasisschicht
4 abgeführt; dergroßere Teil dieses Stromes fließt jedoch
über
die im Bereich 84 angeordnete Elektrode 53, Leitung 55, Elektrode 56 inden Bereich
51 der Emitterschicht 2, an deren Flächenwiderstand, dargestellt durch den Ersatzwiderstand
Rk3, das Kompensationspotential#comp entsteht.
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Dieses Kompensationspotential#comp hat, wie aus der Fig. 4 ersichtlich,
im Bereich der Elektrode 56 einen unveränderten Verlauf und fällt dann überdem Flächenwiderstand
(Rk3) bis zur Kante der Kathodenelektrode 3 linear ab.
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Das Kompensationspotential#comp ist dadurch über den Bereich 51 der
Emitterschicht 2 im Verlauf annähernd dem Verlaudte5törpotentials #c ap angepasst,
so daß hierdurch große Über-oder Unterkompensationen vermeidbar sind.
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Die gewollte Zündung #z erfolgt bei einer bestimmten Potentialhöhe
(beispielsweise 0,7 V bei Raumtemperatur); das Störpotential Fcap darf wesentlich
höhere Werte annehmen, weil durch den Kompensationsstrom der Bereich 51 der Emitterschicht
2 jeweils so weit angehoben wird, daß die verbleibende Potentiaidifferenz b über
den Bereich 51 kleiner bleibt als das erforderliche Zündpotential fz.
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Wie nicht weiter dargestellt, kann auch das Störpotential wieder durch
Anwendung einer Diode begrenzt werden. Wegen der gegenüber einer optischen Zündung
erforderlichen größeren Steuerleistung beim stromzündbaren Halbleitergleichrichter
wirddas
Zündpotential rz bei wesentlich niedrigeren Steuerbasis-Querwiderständen erreicht
und daher wird auch das Störpotential Sc niedriger sein; bei extrem hohen du/dt-Belastungen
müssen jedoch die Steuerbasis-Querwiderstände extrem niedrig gewählt werden, damit
die du/dt-Belastung zu keiner Störzündung führt; es ist dann jedoch eine besonders
große Steuerleistung erforderlich.
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In diesem Fall ist es sinnvoll, die Steuerbasis-Querwiderstände nicht
besonders niedrig auszubilden, sondern einfach eine Begrenzung des Störpotentials
vorzunehmen.
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Etwa auftretende kapazitive Störeinstreuungen in die Gateleitung 83
können durch eine leichte Überkompensation unschädlich gemacht werden. Diese Überkompensation
kann erreicht werden, indem die Kombination Ck, Rk1, Rk2 im Bereich 84 und der Ersatzwiderstand
Rk3 derart bemessen werden, daßdas Kompensationspotential tcomp höher ist, als comp
wenn nur interne du/dt-Störströme auftreten würden. Zwecks Erhöhung desKompensationspotentials
kann eine Vergrößerung der Fläche des Bereichs 84 erfolgen, so daß sich eine entsprechende
Vergrößerung der Ersatzkapazität Ck ergibt oder/und dem Bereich 51 wird ein größerer
Flächenwiderstand gegeben.