DE2906961A1

DE2906961A1 - Feldgesteuerte thyristor-steueranordnung

Info

Publication number: DE2906961A1
Application number: DE19792906961
Authority: DE
Inventors: Kenji Miyata; Susumu Murakami; Takuzo Ogawa; Saburo Oikawa; Masahiro Okamura; Yoshio Terasawa
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-02-23
Filing date: 1979-02-22
Publication date: 1979-09-06
Also published as: US4354121A; DE2906961C2; JPS6151811B2; DE2953931C2; JPS54112157A

Description

29069S1

— ο —

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung

Die Erfindung betrifft eine feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung zum Ein- und Ausschalten eines großen Laststromes mit einem relativ kleinen Steuersignal bzw. eine Schalt-Steueranordnung für einen feldgesteuerten Thyristor.

Ein feldgesteuerter Thyristor ist ein Halbleiter-Schaltelement einschließlich eines Halbleiterbereiches eines Leitungstyps (im folgenden als Gate-Bereich bezeichnet), der lokal in einem der Bereicheeiner pn-übergangsdiode vorgesehen ist, der den anderen Leitungstyp aufweist, wobei eine Gate-Elektrode elektrisch den Gate-Bereich kontaktiert.

Wenn bei dem feldgesteuerten Thyristor mit diesem Aufbau der übergang zwischen dem Bereich des anderen Leitungstyps und dem Gate-Bereich rückwärts vorgespannt ist, wird der durch die pn-übergangsdiode fließende Durchlaßstrom auf-

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grund einer im Bereich des anderen Leitungstyps gebildeten Verarmungsschicht abgeschaltet (Ausschalten). Wenn
andererseits die Rückwärts-Vorspannung entfernt wird,
verschwindet die Verarmungsschicht, so daß der Durchlaßstrom fließen kann (Einschalten). Auf diese Weise zeigt
der feldgesteuerte Thyristor eine Schaltfunktion. Im Vergleich zu üblichen Halbleiter-Schaltelementen, wie z. B. Transistoren, Thyristoren od. dgl., hat der feldgesteuerte Thyristor eine beträchtlich verringerte Einschaltzeit und zusätzlich eine gesteigerte di/dt-Fähigkeit nach dem Einschalten. Weiterhin kann eine Einrichtung zum Ausschalten des feldgesteuerten Thyristors in stark verbesserter Weise ausgeführt werden.

Die Fig. 1 zeigt die Phasenbeziehung zwischen einem Anoden- oder Laststrom iA und einer Gate— oder Steuerspannung V_, eines feldgesteuerten Thyristors (im folgenden auch als "FCT" abgekürzt). Wenn eine Rückwärts-Vorspannung an der Gate-Elektrode eines FCT liegt, z. B. die negative Gate-Spannung -VgWird bei einem FCT mit einem P-Gate-Bereich angelegt, kann kein Anodenstrom durch den FCT
fließen, sofern der Absolutwert der Gate-Spannung|V_j nicht kleiner ist als ein vorbestimmter Wert. Wenn die Gate-Spannung IV_Gj unter den vorbestimmten Wert verringert wird, kann der Anodenstrom fließen, und er fließt weiterhin, wenn
nicht die negative Gate-Spannung des oben beschriebenen
Wertes einwirkt. Nach der Einwirkung der negativen Gate-Spannung wird der Anodenstrom wieder ausgeschaltet.

Es gibt bereits derartige FCT (vgl. US-PS 4 037 245 und US-PS 4 060 821).

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Zum Steuern eines FCT kann daran gedacht werden, einen Transistor in Reihe mit einer Sperr- oder Rückwärts-Vorspannungsquelle zu verbinden, wie dies beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Unter der Annahme, daß der betreffende FCT einen Gate-Bereich vom P-Leitungstyp aufweist, hat die in Fig. 2 dargestellte Steueranordnung eine Reihenschaltung eines npn-Transistors TR, eine Gate-Spannungsquelle E_G, eine Hauptspannungsquelle Eg für den FCT und eine Last R₁. zwischen der Gate-Elektrode und der Anodenelektrode des FCT sowie eine Reihenschaltung aus einer Basisstromquelle E_ß und einem Schalter S_ß zwischen der Kathodenelektrode des FCT und der Basiselektrode des Transistors TR.

Der Betrieb dieser Schaltung ist graphisch in Fig. 3 gezeigt. Wenn der Schalter S_ß eingeschaltet ist, wird der Transistor TR aufgrund des von der Basisstromquelle E_ß abgegebenen Basisstromes i_ß leitend, um einen Zustand geringer Impedanz zu erzeugen, als dessen Ergebnis die Gate-Spannung V_G der Gate-Spannungsquelle E_Q zwischen der Gate- und der Kathodenelektrode des FCT liegt, um diesen auszuschalten. Wenn andererseits der Schalter S_ ausgeschaltet ist, wird der Transistor TR nichtleitend oder ausgeschaltet, um das Anlegen der Gate-Spannung V-, zwischen die Gate-Elektrode und die Kathodenelektrode des FCT zu sperren. Folglich ist der FCT eingeschaltet. Um in dieser Weise den FCT in nichtleitendem Zustand kontinuierlich zu halten, muß konstant der Basisstrom zum Transistor TR gespeist werden, um diesen im leitenden Zustand zu halten. Bei Anwendungen, bei denen der FCT im ausgeschalteten oder nichtleitenden Zustand für eine relativ lange Zeitdauer mittels eines Einimpuls-Stromes einer relativ kurzen Zeitdauer oder eines Impuls-Stromes einer relativ geringen Folgefrequenz gehalten werden soll, wird es entsprechend erforderlich, die Ba-

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sistromquelle E_n einer relativ großen Leistungsfähigkext zu verwenden. Weiterhin muß der Basisstrom zum Transistor TR ausgeschaltet werden, um den FCT für eine relativ kurze Zeitdauer leitend zu machen. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß die gewöhnlich verfügbaren Impulsgeneratoren im allgemeinen nicht ohne weiteres als Basisstromquellen bei derartigen Anwendungen einsetzbar sind.

Ein anderer Nachteil der in Fig. 2 dargestellten Steueranordnung für einen FCT ist darin zu sehen, daß ein Transistor mit einer großen Überstromfähigkeit für den Transistor TR verwendet werden muß, da der Anodenstrom iA durch die Gate-Schaltung des FCT fließt, wenn der Anodenstrom iA ausgeschaltet ist. Ein Beispiel einer Versuchsmessung des Anodenstromes und des Gate-Stromes ist graphisch in Fig. 4 gezeigt. Wie aus dieser Figur folgt, erreicht der Spitzenwert des Gate-Stromes iG gelegentlich einen Wert im wesentlichen gleich dem Spitzenwert des Anodenstromes iA. Der entsprechend vergrößerte Gate-Strom iG wird auch durch den Transistor TR fließen, wenn ein großer Anodenstrom des FCT ausgeschaltet ist. Folglich wird ein Transistor mit einer großen Überstromfähigkeit für den Transistor TR benötigt. Entgegen der oben beschriebenen Forderungen haben die gegenwärtig verfügbaren Transistoren im allgemeinen eine geringe überstromfähigkeit,. was den Aufbau der in Fig. 2 dargestellten Steueranordnung für praktische Anwendungen schwierig macht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Steueranordnung anzugeben, die einen feldgesteuerten Thyristor (FCT) steuern kann, ohne eine Steuerstromquelle einer großen Leistungsfähigkeit zu benötigen, um so die oben anhand der Fig. 2 erläuterten Nachteile der bestehenden Steueranord-

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nungen zu überwinden.

Bei der Erfindung wird hierzu ein feldgesteuerter Thyristor (FCT) anstelle des Transistors in der FCT-Steueranordnung verwendet.

Die erfindungsgemäße Schalt-Steueranordnung hat also einen ersten feldgesteuerten Thyristor mit einem Gate und einer Kathode, zwischen denen eine Rückwärts-Vorspannungsquelle und ein zweiter feldgesteuerter Thyristor in Reihe liegen. Die Leitung des zweiten feldgesteuerten Thyristors wird gesteuert, indem eine Spannung an der Gate-Elektrode und der Kathode gesteuert wird, um so die Leitung des ersten feldgesteuerten Thyristors zu steuern. Ein großer Laststrom kann genau und sicher durch einen relativ kleinen Steuerstrom oder eine relativ kleine Steuerspannung ein- und ausgeschaltet werden.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die Beziehung zwischen dem Anodenstrom

und der Gate-Spannung eines feldgesteuerten Thyristors FCT,

Fig. 2 ein Schaltbild einer üblichen Steueranordnung für einen FCT,

Fig. 3 Signale zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 2 dargestellten Steueranordnung,

Fig. 4 die Beziehung zwischen dem Anodenstrom

und dem Gate-Strom eines FCT, wenn dieser

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ausgeschaltet wird,

Fig. 5 ein Schaltbild einer FCT-Steueranordnung nach einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung,

Fig. 6 Signale zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 5 dargestellten Steueranordnung,

Fig. 7 an verschiedenen Punkten der in Fig. 5 dargestellten Steueranordnung tatsächlich gemessene Signale,

Fig. 8 die Spannungs (V₇.„.) /Strom (iA) -Kennlinien
eines FCT mit der Gate-Spannung (V^) als Parameter,

Fig. 9 ein Signaldiagramm mit einer Schalt-Kennlinie der FCT-Steueranordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 10 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 11 ein Schaltbild eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 12 einen senkrechten Schnitt einer Halbleiter-FCT-Steuervorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das die in Fig. 5 gezeigte Anordnung verwirklicht,

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Fig. 13 eine Draufsicht von Fig. 12,

Fig. 14 eine zu Fig. 12 ähnliche Darstellung mit einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 15 eine zu Fig. 12 ähnliche Darstellung mit einer Halbleiter-FCT-Steuervorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

Fig. 16 eine Draufsicht von Fig. 15.

Eine FCT-Steueranordnung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt, in der einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 2 versehen sind. Als Schaltelement zum Steuern des durch die Last R₁. fließenden Anoden- oder Laststromes iA wird ein hauptfeldgesteuerter Thyristor FCT verwendet, der im folgenden auch als FCTm bezeichnet wird. Ein als FCTg bezeichneter Steuer-FCT liegt in Reihe zu einer negativen Gate-Spannungsquelle E_Q für den FCTm. Ein npn-Transistor TR liegt in Reihe zu einer Gate-Spannungsquelle E-,^ für den FCTg. Wenn eine Steuer spannung VG_0n an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors TR liegt, um dessen Impedanz zu verringern, ist die Gate-Spannungs-

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quelle E₁ zwischen der Gate-Elektrode und der Kathodenelektrode des FCTg vorgesehen, wodurch dieser einen Zustand hoher Impedanz annimmt. Folglich wird der Gate-Strom von der Gate-Spannungsquelle Eg für den FCTm durch den FCTg gesperrt. Damit ist der Absolutwert der Gate-Spannung V_G für den FCTm entsprechend verringert, um so den Anodenstrom iA zu sperren. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß eine hohe Impedanz der Gate-Kathoden-Strecke des FCTm verhindern kann, daß der Absolutwert der Gate-Spannung V_G ausreichend abnimmt. Um diese Situation zu vermeiden, ist ein Widerstand Rg zwischen der Gate-Elektrode und der Kathode des FCTm vorgesehen, wodurch die betreffende Impedanz verringert wird.

Wenn die S teuer eingangs spannung VG_QKr an der Basis-Emitter-Strecke des Transistors TR auf Null eingestellt wird, nimmt der Transistor TR einen Zustand hoher Impedanz an, wodurch der Gate-Strom von der Gate-Spannungsquelle E_ß1 durch den Transistor TR gesperrt wird. Folglich nimmt der FCTg einen Zustand geringer Impedanz an, um leitend zu werden. In diesem Fall kann eine hohe Impedanz zwischen der Gate-Elektrode und der Kathode des FCTg verhindern, daß der Gate-Strom von der Gate-Spannungsquelle E_G1 ausreichend durch den Transistor TR unterdrückt wird. Daher ist ein Widerstand Rg₁ zwischen der Gate-Elektrode und der Kathodenelektrode des FCTg vorgesehen, wodurch die betreffende Impedanz verringert wird. Mit einer derartigen Anordnung kann der FCTg einen Zustand geringer Impedanz fehlerfrei einnehmen, wodurch der FCTm in den in Durchlaßrichtung gesperrten Zustand gebracht wird, während die Spannung von der Gate-Spannungsquelle Eg zwischen der Gate-Elektrode und der Kathode des FCTm liegt, um so den Anodenstrom iA zu sperren. Der Anodenstrom iA und die Gate-Spannung V_G

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des FCTm, die Spannung V_A .. zwischen der Anode und der Kathode des FCTg, dessen Gate-Spannung V_r1 und die Steuer-Eingangs spannung VG_QN zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors TR, die im Betrieb der oben erläuterten Steueranordnung auftreten, sind in Fig. 6 dargestellt, wobei die Phasenbeziehungen zwischen diesen Spannungen und diesem Strom berücksichtigt sind. Wie aus der Fig. 6 zu ersehen ist, genügt es, daß der Transistor TR eingeschaltet wird, indem die Steuer-Eingangsspannung VG_O„ lediglich während der Zeitdauer angelegt wird, in der der Anodenstrom iA fließen muß. D. h., die in Fig. 5 gezeigte Steueranordnung ist für Anwendungen geeignet, bei denen der Anodenstrom iA in der Form eines Einimpulses einer relativ kurzen Zeitdauer oder eines Impulsstromes einer kleinen Folgefrequenz vorliegt.

Fig. 7 zeigt den Verlauf der Spannungen und Ströme, die tatsächlich an den entsprechenden Schaltungspunkten in der in Fig. 5 dargestellten FCT-Steueranordnung gemessen sind. Für diese Messung wird die Spannung der Hauptspannungsquelle E₀ auf 100 V eingestellt, während die Span-

nung der Gate-Spannungsquelle E^₁ des FCTg den Wert -24 V und die Spannung der Gate-Spannungsquelle E_G den Wert -40 V aufweisen. Der Lastwiderstand R₁. hat 5 XL , während für den Stellwiderstand Rg ein Wert von 3 kil verwendet wird. Die Spannungen der Gate-Spannungsquellen E_G und E_G<. werden auf die folgende Weise bestimmt. Für einen gegebenen Spannungswert der Hauptspannungsquelle E_c wird die zum Sperren der Hauptspannungsquelle E_c erforderliche Gate-Spannung E_G aufgrund der in Durchlaßrichtung sperrenden Spannungs/ Strom-Kennlinien der FCTm bestimmt. Für z. B. E_ = 100 V, d. h., die Spannung V_AK zwischen der Anode und der Kathode des FCTm hat im wesentlichen den Wert 100 V, wird die Gate-

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Spannung Eg < -30 V aus den in Durchlaßrichtung sperrenden Spannungs/Strom-Kennlinien (vgl„ Fig. 8) bestimmt» Die Spannung der Gate-Spannungsquelle E_ß1, die zum Ausschalten der Spannung der Gate-Spannungsquelle E_ benötigt wird, kann auch aus den in Fig. 8 gezeigten Kennlinien ermittelt werden. Z„ B. liegt für E„ = -40 V, d. h. V^₁ = 40 V_f die Beziehung E^₁ £ -20 V vor» Auf diese Weise kann mit der in Fig. 5 gezeigten FCT-Steueranordnung der FCTm mit geringer Gate-Spannung gesteuert werden= Da weiterhin der Transistor TR zwischen der Gate-Elektrode und der Kathode des FCTg liegt, ist es möglich, einen großen Anodenstrom iA in der Größenordnung von 20 A mit einem relativ kleinen Steuerexngangsimpuls (z. B. VG__N = 0,7 V oder iG_QN = 4 mA) ein- und auszuschalten. Der Stromverstärkungsfaktor iA/iG_QN beträgt in diesem Fall 5000 (= 20 A/4 mA). Die Steuerleistung ist klein und beträgt ca. 2,8 mW.

Die erfindungsgemäße FCT-Steueranordnung, bei der der Haupt-FCT (FCTm) durch einen weiteren FCT (FCTg) gesteuert ist, ist der üblichen Steueranordnung einschließlich herkömmlicher Schaltelemente, wie z. B. Thyristoren, Steueranschluß-Ausschalt-Thyristoren, Transistoren, insbesondere insoweit überlegen, als ein großer Laststrom mit einem kleinen Steuerstrom oder einer kleinen Steuerspannung ein- und ausgeschaltet werden kann.

Fig. 9 zeigt den Verlauf eines Laststromes oder Anodenstromes iA zusammen mit der Steuerspannung VG_.„ und der Gate-Spannung V_Gf wenn der Laststrom bei einer hohen Frequenz in der Größenordnung von 40 kHz ein- und ausgeschaltet wird. Es ist zu sehen, daß das Schalten des Laststromes bei einer hohen Frequenz einfach mit einer kleinen Steuereingangsspannung ausgeführt werden kann. Die Vorder- und Rückflanken der

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Gate-Spannung V_Q sind bezüglich der Flanken der Steuereingangsspannung VG_QN verzögert, was auf die Einschalt/ Ausschalt-Kennlinie des Steuertransistors TR zurückzuführen ist. Bei der in Fig. 5 gezeigten FCT-Steueranordnung fließt der Gate-Strom iG auch durch den Steuer-FCT in der Zeit, wenn der Haupt-FCT ausgeschaltet ist. Da jedoch dann der Steuer-FCT als eine Diode arbeitet, führt selbst ein Impulsstrom mit einem hohen Spitzenwert keinesfalls zu einer lokalen Stromkonzentration, die eine thermische Zerstörung des Steuer-FCT bewirken könnte. Dagegen sind die herkömmlichen Schaltelemente, wie z. B. Thyristoren, Steueranschluß-Ausschalt-Thyristoren, Transistoren od. dgl. für eine thermische Zerstörung aufgrund der lokalen Konzentration des Gate-Stromes anfällig.

In einer Abwandlung der in Fig. 5 gezeigten Steueranordnung ist es alternativ möglich, den Steuer-FCT an der durch Strichlinien angedeuteten Stelle mit gleicher Wirkung vorzusehen. Weiterhin können mehrere Steuer-FCT in Reihe zueinander in der Gate-Schaltung des Haupt-FCT vorgesehen sein, so daß die Ein-Aus-Steuerung des Haupt-FCT abhängig von einem logischen Produkt verschiedener Steuersignale erfolgen kann, die getrennt den einzelnen Steuer-FCT zugeführt sind. Obwohl bei der obigen Beschreibung erläutert wurde, daß der in die Gate-Schaltung des Haupt-FCT eingefügte Steuer-FCT den Transistor TR in Reihe zur Gate-Elektrode des Steuer-FCT aufweist, ist die Erfindung in gleicher Weise auf eine Schaltungsanordnung anwendbar, bei der die Gate-Impulsspannung V_G1 direkt an der Gate-Elektrode und der Kathode des Steuer-FCT liegt, sofern die Gate-Spannung V"_G1 des zum Sperren der Spannung E_G der Gate-Spannungsquelle erforderlichen Steuer-FCT niedrig ist (z. B. kleiner als ca. 10 V). Außerdem ist es in glei-

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eher Weise möglich, anstelle des Transistors TR in die Gate-Schaltung des Steuer-FCT ein anderes Bauelement, wie z. B. einen Feldeffekttransistor, einzufügen, das die Impedanz abhängig vom Steuersignal ändern kann.

Fig. 10 ist ein Schaltbild mit der FCT-Steueranordnung nach einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Steuertransistor TR in der FCT-Steueranordnung durch einen zweiten Steuer-FCT ersetzt ist, der durch FCT „ bezeichnet ist, während ein dritter Steuer-FCT, der durch FCT ₃ bezeichnet ist, sowie eine Gate-Spannungsquelle E_G~ ^un<^ ^e:*-ⁿ Schalter SW₂ in Reihe zueinander in der Gate-Schaltung des FCT ~ liegen. Der FCT ₃ ist seinerseits durch eine Gate-Spannungsquelle E , und einen Schalter SW₃ steuerbar, die in Reihe zwischen der Gate-Elektrode und der Kathode des FCT _ liegen. Wenn die Gate-Steueranordnung für den FCTm in mehreren Steuerstufen ausgeführt ist, kann die Steuereingangsspannung verringert werden. D. h., FCTm kann mit einer kleineren Steuereingangsleistung ein- und ausgeschaltet werden, wodurch entsprechend ein erhöhter Stromverstärkungsfaktor erzielbar ist.

Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das von den obigen Ausführungsbeispielen insoweit abweicht, als Gleichrichterschaltungen für die Steuerstromquellen verwendet werden. Bei dieser Steueranordnung ist die Sperr-VorSpannungsquelle E_G in Fig. 1 durch eine Parallelschaltung eines Glättungskondensators C_G- mit einer über einen Widerstand R-, _Λ an einen Transformator T ants I

geschlossenen Gleichrichterdiode D_G1 ersetzt, während anstelle der in Fig. 5 vorgesehenen Spannungsquelle E^₁ eine Parallelschaltung eines Glättungskondensators C_G2 mit einer

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über einen Widerstand R_G2 an den Transformator T angeschlossenen Gleichrichterdiode D_Q2 vorgesehen ist. Wenn bei der in Fig. 11 gezeigten Steueranordnung der FCTm im nichtleitenden Zustand ist, wobei der Transistor TR ebenfalls nicht leitet, während der FCTgI leitet, da die Steuereingangsspannung VG_„ nicht vorliegt, wird der Kondensator C_G2 aufgeladen. Wenn so der Transistor TR eingeschaltet wird, werden die im Kondensator C_G2 gespeicherten elektrischen Ladungen momentan entladen und zum FCTgI als Stromstoß gespeist, was bedeutet, daß eine Sperrvorspannung mit steilem Anstieg zwischen der Kathode und der Gate-Elektrode des FCTgI liegt, wodurch dieser ohne Ausfall ausschaltet. Auf diese Weise kann der Anodenstrom iA durch den FCTm letztlich plötzlich ansteigen. Eine ähnliche Erscheinung tritt in der Gate-Kathoden-Strecke des FCTm auf. Da der Kondensator C„. aufgeladen wird, wenn der FCTgI im nichtleitenden Zustand und der FCTm im leitenden Zustand ist, werden die im Kondensator C„^ gespeicherten elektrischen Ladungen momentan als Stromstoß entladen, wodurch eine große Sperrvorspannung mit steilem Anstieg an der Gate-Elektrode und der Kathode des FCTm erzeugt wird, der so verzögerungsfrei sicher ausgeschaltet werden kann. Zusätzlich zum sicheren und schnellen Ein- und Ausschalten des FCTm (vgl. oben) hat die in Fig. 11 dargestellte Steueranordnung den weiteren Vorteil, daß eine herkömmliche Spannungsquelle über den Transformator T verwendbar und die Steueranordnung ohne großen Aufwand sehr klein ausführbar ist. Sobald der FCTm ausgeschaltet wurde, kann dessen nichtleitender Zustand beibehalten werden, indem lediglich ein relativ kleiner Strom an den Gate-Widerstand R gelegt wird, da der Innenwiderstand des FCTm im nichtleitenden Zustand erhöht ist.

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Fig» 12 zeigt in einem Schnitt den Aufbau einer monolithischen Halbleiterscheibe, in der der PCTm und der FCTg der in Fig» 5 dargestellten Steueranordnung ausgeführt sind Der FCTg entspricht dem in Strichlinien angedeuteten Thyristor» Fig. 13 ist eine Draufsicht dieses Schnittes,, wobei der Schnitt der Fig» 12 entlang einer Linie XII-XII' geführt ist» In diesen Figuren bezeichnen A, K und G die Anode, die Kathode und die Gate-Elektrode des FCTm, während A₁ K₁ und G₁ die Anode, die Kathode und die Gate-Elektrode des FCTg darstellen» Der hauptfeldgesteuerte Thyristor FCTm besteht aus einem ρ -Anodenbereich 8, einem n-Halbleiter-Substratbereich 9, einem p-Gate-Bereich 10 und einem η -Kathodenbereich 11» Wenn insbesondere der η -Kathodenbereich 11 als auf den ρ -Anodenbereich 8 projiziert beobachtet wird, ist der p-Gate-Bereich 10 so angeordnet, daß er teilweise den η ■
läppt.

den η -Kathodenbereich 11 und den ρ -Anodenbereich 8 über-

Der FCTg ist dagegen als Insel im Substrat 9 durch eine p-Schicht 6 ausgeführt und besteht aus einem p-Anodenbereich 12, einem n-Bereich 13, einem p-Gate-Bereich 14 und einem η -Kathodenbereich 15» Weiterhin sind vorgesehen eine Isolierschicht 16, eine Leiterschicht 17 zum Verbinden der Gate-Elektrode G des FCTm mit der Anode A₁ des FCTg sowie ein von der Gate-Elektrode G₁ herausgeführter Leiter 18.

Wenn eine Spannung E^₁ zwischen die Gate-Elektrode G₁

und die Kathode K₁ des FCTg gelegt wird, wird der unmittel-

4-bar unter dem η -Kathodenbereich 15 gebildete n-Kanal 7 elektrisch abgetrennt, was zu einem Zustand hoher Impedanz des FCTg führt. Da andererseits die Gate-Spannungsquelle E_G für FCTm durch FCTg aufgeteilt ist, wird der Absolut-

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wert der an FCTm liegenden Gate-Spannung|V^J im wesentlichen gleich Null. Auf diese Weise wird der FCTm eingeschaltet. Wenn die Gate-Spannung E_G1 von FCTg entfernt wird, ist FCTg eingeschaltet, um dadurch die Gate-Spannung E« an die Gate-Elektrode und die Kathode des FCTm zu legen. Folglich wird der unterhalb des η -Kathodenbereiches gebildete n-Kanal 3 elektrisch abgetrennt, um den FCTm auszuschalten.

Mit diesem Aufbau kann eine kleine Schaltvorrichtung ohne großen Aufwand erzielt werden. Der in Fig. 5 dargestellte Transistor TR kann selbstverständlich in der gleichen Halbleiterscheibe vorgesehen sein. Wenn weiterhin zahlreiche Strukturen der in Fig. 12 und 13 gezeigten Art in einer einzigen Halbleiterscheibe parallel zueinander vorgesehen werden, entsteht eine Schaltvorrichtung großer Leistungsfähigkeit.

Bei der in Fig. 12 dargestellten Steuervorrichtung bleibt der FCTg noch in Betrieb, selbst wenn die isolierende p-Schicht 6 weggelassen wird. Jedoch wird dann eine Feldeffekttransistor (FET) -Struktur durch die Anode A des FCTm und die Kathode K-. sowie die Gate-Elektrode G₁ des FCTg gebildet. Wenn in diesem Fall der Stromweg zwischen der Kathode K. und der Gate-Elektrode G des FCTg geöffnet wird, fließt der Anodenstrom durch die FET-Struktur. Selbst wenn entsprechend der FCTm in den nichtleitenden Zustand durch öffnen des K.. -G₁ -Strompfades von FCTg geschaltet wird, kann die zwischen der Anode und der Kathode des FCTm liegende Spannung nicht gesperrt werden. Somit spielt die p-Schicht 6 eine wichtige Rolle, um einen Fehler im Ausschalt-Betrieb aufgrund des durch die Gate-Schaltung (Fig. 4) fließenden Stromes iG zu verhindern. Da weiterhin die p-Schicht auf einem Potential gleich dem Potential des p-Gate-Bereiches

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14 ist, \"Τ±τά eine weite Verarmungsschicht im η-Bereich 13 zwischen den p~Bereichen 6 und 14 eingefügt, nachdem die Sperrvorspannung zwischen die Elektroden K- und G., gelegt wurde, wodurch ein Zustand höherer Impedanz bei FCTg aufgebaut werden kann. Wenn weiterhin die Tiefen der p-Schicht 6, des p-Bereiches 10 und der η -Bereiche 11 und 15 gleich zueinander ausgelegt werden, können diese Bereiche unter den gleichen Bedingungen durch eine Diffusion hergestellt werden. Damit sind der FCTm und der FCTg in vorteilhafter Weise in einer einzigen Scheibe ausführbar,, ohne eine große Anzahl von Verarbeitungsstufen zu benötigen»

Wenn bei der in Fig. 12 dargestellten Steuervorrichtung der FCTg in einer Vertikal-Struktur ausgeführt wird, verläuft dessen Hauptstromweg senkrecht zu den Hauptflächen der Scheibe» Die Leitung 17 kann mit der ρ-Schicht 6 verbunden werden, während die die p-Schicht β kontaktierende Leitung 18 und der p-Bereich 12 weggelassen sind. Bei der Vertikal-Struktur des FCTg bildet jedoch der durch die Gate-Schaltung fließende Gate-Strom iG (Fig„ 4) nach dem Ausschalten einen Basisstrom für einen npn-Transistor, der zwischen der Anode Ä und der Kathode K^ ausgeführt ist, wobei die p-Schicht 6 als Basis dient, und dieser Strom führt möglicherweise zu einem Ausfall beim Ausschalten«

An der in Fig. 12 gezeigten Schalt-Steuervorrichtung

ist von Bedeutung, daß der p-Anodenbereich 12, der n-Bereich 13, der p-Gate-Bereich 14 und der n⁺-Kathodenbereich

15 miteinander zusammenwirken, um insgesamt als Thyristor zu arbeiten» Bei einem derartigen Aufbau kann der Raum zwischen der p-Schicht 6 und dem ρ-Gate-Bereich 12 sowie die durch den Abstand zwischen dem p-Gate-Bereich 14 festgeleg-

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te Kanalweite auf unter 10 ,um eingeengt werden, wodurch die zum Ausschalten des FCTg erforderliche Gate-Spannung auf einen Wert kleiner als 10 V eingestellt wird, während das Ausschalten eines großen Laststromes gewährleistet ist. Ungeachtet der verengten Kanalweite kann Strom durch den Thyristor fließen. Damit nimmt der Strom durch den FCTg nicht ab.

Fig. 14 ist ein zu Fig. 12 ähnlicher Schnitt und zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schalt-Steuervorrichtung. In den Fig. 12 und 14 sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Wie sofort ein Vergleich dieser Figuren zeigt, unterscheidet sich die Vorrichtung nach der Fig. 14 von der Vorrichtung nach der Fig- 12 lediglich im Aufbau des FCTg, ohne merkliche Änderungen in Betrieb und Wirkungsweise zu haben. Es sei darauf hingewiesen, daß bei dem in Fig. 14 gezeigten Aufbau die Sperrvorspannung zwischen der Kathode K₁ und der Gate-Elektrode G- liegt, um eine Verarmungsschicht in dem durch die p-Schicht β und den p-Gate-Bereich 14 umschlossenen n-Kanalbereich zu bilden, wodurch der FCTg in den gesperrten oder nichtleitenden Zustand gesetzt ist. Weiterhin ist der FCTm bei den in Fig. 12 und 14 gezeigten Vorrichtungen vertikal ausgeführt, um einen relativ großen Strom verarbeiten zu können.

Fig. 15 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem zu Fig. 12 ähnlichen Schnitt. Fig. 16 ist eine Draufsicht, wobei der Schnitt der Fig. 15 entlang einer Linie XV-XV geführt ist. Bei der in Fig. 15 dargestellten Schalt-Steueranordnung sind der FCTm und der FCTg in jeweiligen Inseln vorgesehen, die voneinander in einem Halbleitersubstrat 20 durch jeweilige Isolierschich-

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ten 19 isoliert sind. Dieser Aufbau hat den Vorteil, daß alle erforderlichen Verdrahtungen lediglich an einer Hauptfläche der Halbleiterscheibe ausgeführt werden können. Diese Vorrichtung ist weiterhin zur -Verarbeitung eines kleinen Stromes geeignet- Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die p⁺-Anodenbereiche 8, 12, ein Teil der p-Gate-Bereiche 10, 14 und die η -Kathodenbereiche 11, 15 so gebildet, daß sie parallel voneinander in den jeweiligen Inseln beabstandet sind. P-Halbleiterbereiche werden in den jeweiligen Inseln erzeugt, die einen Teil des Gate-Bereiches werden. Die Hauptströme fließen bei einem derartigen Aufbau von den ρ -Anodenbereichen 8, 12 zu den η -Kathodenbereichen 11, 15 über jeweils Kanäle 3 und 7. Wenn eine vorbestimmte Gate-Spannung zwischen dem Gate-Bereich und dem Kathodenbereich liegt, werden die Kanäle 3 und 7 jeweils abgetrennt, um Verarmungsschichten zu bilden, so daß die Hauptströme abgeschaltet sind.

Die in Fig. 16 gezeigte Schalt-Steuervorrichtung kann einen großen Strom mit verengter Weite der Kanalbereiche und 7 verarbeiten. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der den Hauptstrom führende Weg einen Diodenteil von den ρ -Anodenbereichen 8, 12 zu den η -Kathodenbereichen 11, 15 über die Kanäle 3, 7 und einen Thyristorteil von den ρ -Anodenbereichen 8, 12 zu den η -Kathodenbereichen 11, 15 über die p-Gate-Bereiche 10, 14 auf.

Bei dem in Fig. 16 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Anodenelektrode, die Gate-Elektrode und die Kathodenelektrode direkt mit lediglich freiliegenden Teilen der jeweiligen Anoden-, Kathoden- und Gate-Bereiche kontaktiert und erstrecken sich auf dem Oxidfilm auf dem Halbleitersubstrat am übrigen Teil (z. B. einem zwischen FCTm und FCTg überbrückenden Teil).

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Zur Herstellung der in Fig. 15 gezeigten Vorrichtung kann eine Diffusion oder Ionenimplantation verwendet werden, um die Obergänge zu bilden. Weiterhin kann die Kanalweite mit hoher Genauigkeit eingestellt werden, indem entsprechend das bei der selektiven Diffusionsstufe verwendete Maskenmuster ausgewählt wird.

Die Schaltelemente FCTm und FCTg können gleichzeitig durch den vollkommen gleichen Herstellungsprozeß bei der
in Fig. 15 dargestellten Schalt-Steueranordnung gebildet
werden. D. h., die ge-

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wünschte Anzahl von Sehalt-Steueranordnungen der in Fig. 15 gezeigten Art kann gleichzeitig in einem monolithischen Halbleitersubstrat in gewünschten Kombinationen in der Form einer sogenannten integrierten Schaltung gefertigt werden. In einem derartigen Fall kann die Isolation unter den einzelnen Schaltelementen, die in der einzigen Halbleiterscheibe vorgesehen sind, durch eine geeignete Isoliertechnik erfolgen, wie z. B₀ durch eine Isolation mittels eines pn-überganges, Luft od. dgl., zusätzlich zu einer dielektrischen Isolation. Bei den dargestellten Vorrichtungen sind die Anodenbereiche 8 und 12 sowie die Kathodenbereiche 11 und 15 als jeweils im einzelnen Schaltelement FCT vorgesehen dargestellt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Planaranordnung dieser Elektroden geändert oder abgewandelt werden kann. Z. B„ kann der Anodenbereich 8 so ausgeführt werden, daß er den Kathodenbereich 11 und den Gate-Bereich 10 umgibt. In diesem Fall tritt der Anodenbereich 8 auf beiden Seiten des Kathodenbereiches und des Gate-Bereiches in einem senkrechten Schnitt aufο Weiterhin können sich die Flächen der Anodenbereiche und 12 und der Kathodenbereiche 11 und 15 des FCTm und des FCTg abhängig vom Aufbau der Schaltung und den gexränsehten Betriebsbedingungen ändern. Die Planaranordnung dieser Bereiche kann auch verändert werden.

Die erfindungsgemäße Schalt-Steuervorrichtung hat unter anderem folgende Vorteiles

1) Es ist möglich, einen großen Laststrom durch einen Haupt-FCT mit einem relativ kleinen Steuerstrom oder einer relativ kleinen Steuerspannung ein- und auszuschalten .

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2) Da das Steuersignal lediglich während der Zeitdauer einwirken muß, in der der FCT eingeschaltet ist, wie dies bei den bisher üblichen Transistor-Schaltelementen der Fall ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise zur Steuerung eines Impulsstromes mit kleinem Tastverhältnis eingesetzt werden.

3) Ein hochfrequenter Impulsstrom kann leicht gesteuert werden.

4) Da der Steuer-FCT als das Schaltelement in der Gate-Schaltung für den Haupt-FCT verwendet wird, führt ein durch die Gate-Schaltung nach dem Ausschalten des Haupt-FCT fließender impulsförmiger Laststrom nicht zu einer Zerstörung des Schaltelements oder des Steuer-FCT.

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23-

e e r s e

it

Claims

Ansprüche

Peldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung, mit

a) einem ersten feldgesteuerten Thyristor mit einer Anodenelektrode, einer Kathodenelektrode und einer Gate-Elektrode,

gekennzeichnet durch

b) eine erste Sperr- bzw. Ruckwärtsvorspannungsquelle (E_G) zwischen der Kathodenelektrode und der Gate-Elektrode des ersten feldgesteuerten Thyristors (FCTm),

c) wenigstens einen zweiten feldgesteuerten Thyristor (FCTg) mit einer Anodenelektrode, einer Kathodenelektrode und einer Gate-Elektrode in Reihe zur Sperrvorspannungsquelle (E_.) , wobei die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode des zweiten feldgesteuerten Thyristors (FCTg) jeweils an die Gate-Elektrode und die Kathodenelektrode des ersten feldgesteuerten Thyristors (FCTm) angeschlossen sind, und

d) eine Gate-Steuereinrichtung zwischen der Gate-Elektrode und der Kathodenelektrode des zweiten feldgesteuerten Thyristors (FCTg) zum Steuern der Leitung zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode des zweiten feldgesteuerten Thyristors (FCTg),

wodurch die elektrische Leitung zwischen der Anodenelektrode und der Kathodenelektrode des ersten feldgesteuerten Thyristors (FCTm) steuerbar ist (Fig. 5).

81-(A 3495-02)-Ko-E

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2. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Gate-Steuereinrichtung aufweist:

eine zweite SperrvorSpannungsquelle (E_G1), die an die Gate-Elektrode und die Kathodenelektrode des zweiten feldgesteuerten Thyristors (FCTg) angeschlossen ist, und

ein Impedanz-Steuerelement (TR) in Reihe zur zweiten Sperrvorspannungsquelle (E-,.. ).

· Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch

dadurch gekennzeichnet,

daß die Gate-Steuereinrichtung eine Impulsspannungsquelle hat.

4. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Gate-Steuereinrichtung aufweist: wenigstens ein Mehrstufen-Gate-Steuerglied mit einer Sperrvorspannungsquelle (E-..) und einem dritten feldgesteuerten Thyristor (FCTg2) einschließlich einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, zwischen denen die Sperrvorspannungsquelle (Ε.-,-) in Reihe liegt,

5. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch

dadurch gekennzeichnet,

daß mehrere der zweiten feldgesteuerten Thyristoren (FCTg) vorgesehen und miteinander in Reihe geschaltet sind.

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6. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 1 ,

gekennzeichnet durch

einen Widerstand (Rg) zwischen der Gate-Elektrode und der Kathodenelektrode des ersten feldgesteuerten
Thyristors (FCTm).

7. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

daß die erste SperrvorSpannungsquelle (E_.) eine
Parallelschaltung eines Glättungskondensators (CG1) und einer Gleichrichter-Stromquelle (T, RG1, DG1) aufweist.

8. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Sperrvorspannungsquelle (E^₁) eine Parallelschaltung eines Glättungskondensators (CG2) und einer Gleichrichter-Stromquelle (T, RG2, DG2) aufweist.

9. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 8 ,

dadur ch gekenn ζ e i chnet,

daß das Impedanz-Steuerelement einen Transistor (TR) hat»

1O„ Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch Ί oder 7,

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste feldgesteuerte Thyristor (FCTm) aufweist;

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ein Halbleitersubstrat (9) eines ersten Leitungstyps mit zwei Hauptflächen,

einen Kathodenbereich (11) eines ersten Leitungstyps, der im Halbleitersubstrat (9) neben der einen Hauptfläche ausgeführt ist und eine höhere Fremdstoffkonzentration als das Halbleitersubstrat (9) hat,

einen Anodenbereich (8) eines zweiten Leitungstyps entgegengesetzt zum ersten Leitungstyp im Halbleitersubstrat (9) neben der anderen Hauptfläche,

einen Gate-Bereich (10) aus einem Bereich im Halbleitersubstrat (9) in einer Ebene zur einen Hauptfläche entlang des Kathodenbereiches und ausgedehnt von der einen Kauptfläche zur anderen Hauptfläche bis in eine Tiefe größer als der Kathodenbereich (11) und aus einem anderen Bereich, der an den einen Bereich angeschlossen ist und einen flachen Teil hat, der teilweise durch einen Vorsprung des Kathodenbereiches (11) projiziert auf die andere Hauptfläche überdeckt ist, und

Elektroden (K, A, G) in ohmschem Kontakt mit dem Kathodenbereich (11), dem Anodenbereich (8) bzw. dem Gate-Bereich (10).

11. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 10,

dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite feldgesteuerte Thyristor (FCTg) zusammen mit dem ersten feldgesteuerten Thyristor (FCTm) im gleichen Halbleitersubstrat (9) vorgesehen und vom ersten feldgesteuerten Thyristor (FCTm) elektrisch isoliert ist.

12. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 11,

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dadurch gekennzeichnet,

daß der zweite feldgesteuerte Thyristor (PCTg) neben dem ersten feldgesteuerten Thyristor (FCTm) vorgesehen ist und aufweist:

einen Kathodenbereich (15) eines ersten Leitungstyps mit einer höheren Fremdstoffkonzentration als das Halbleitersubstrat (9) und in einer Ebene zu dessen einer Hauptfläche,

einen Anodenbereich (12) des zweiten Leitungstyps im Halbleitersubstrat (9) in einer Ebene zu dessen einer Hauptfläche,

einen Gate-Bereich (14) des zweiten Leitungstyps in einer Ebene zur einen Hauptfläche des Halbleitersubstrats (9) entlang des Kathodenbereiches (15),

Elektroden (K.. , A.., G-) in ohmschem Kontakt mit dem Kathodenbereich (15) bzw. dem Anodenbereich (12) bzw. dem Gate-Bereich (14) und auf der einen Hauptfläche des Halbleitersubstrats (9), und

einen Halbleiterbereich (6) des zweiten Leitungstyps in einer Ebene zur einen Hauptfläche, um den zweiten feldgesteuerten Thyristor (FCTg) zu umschließen, wodurch der erste und der zweite feldgesteuerte Thyristor (FCTm; FCTg) elektrisch voneinander isoliert sind (Fig. 12).

13. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Tiefe des Gate-Bereiches (10) des ersten feldgesteuerten Thyristors (FCTm) bezüglich der einen Hauptfläche im wesentlichen gleich ist der Tiefe des Halbleiterbereiches (6) des zweiten Leitungstyps, der den zweiten feldgesteuerten Thyristor umschließt (FCTg), und

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daß die Tiefe des Kathodenbereich.es (11) des ersten feldgesteuerten Thyristors (FCTm) bezüglich der einen Hauptfläche im wesentlichen gleich ist der Tiefe des Kathodenbereiches (15) des zweiten feldgesteuerten Thyristors (FCTg) (Fig. 12).

14. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 1 oder Ί,

dadurch gekennzeichnet,

daß der erste und der zweite feldgesteuerte Thyristor (FCTm, FCTg) jeweils in einer Insel ausgeführt ist, die in einem Halbleitersubstrat (20) eines Leitungstyps mit zwei Hauptflächen durch eine Isolierschicht (19) mit einem auf einer der Hauptflächen freiliegenden Endteil festgelegt sind, und

daß der erste und der zweite feldgesteuerte Thyristor (FCTm, FCTg) jeweils aufweisen:

einen Anodenbereich (8, 12) des anderen Leitungstyps entgegengesetzt zum ersten Leitungstyp,

einen Kathodenbereich (11, 15) mit einer höheren Fremdstoffkonzentration als das Halbleitersubstrat (20), und

einen Gate-Bereich (10, 14) des anderen Leitungstyps, wobei der Kathodenbereich (11, 15), der Anodenbereich (8, 12) und der Gate-Bereich (10, 14) des ersten und des zweiten feldgesteuerten Thyristors (FCTm, FCTg) in einer Ebene zur einen Hauptfläche sind und der erste und der zweite feldgesteuerte Thyristor (FCTm, FCTg) Elektroden (A, K, G; A₁, K₁, G₁) jeweils in ohmschem Kontakt mit dem Anodenbereich (8, 12), dem Kathodenbereich (11, 15) und dem Gate-Bereich (10, 14) haben (Fig. 15).

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15. Feldgesteuerte Thyristor-Steueranordnung nach Anspruch 14,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Anodenbereich (8, 12), der Kathodenbereich (11, 15) und ein Teil des Gate-Bereiches (10, 14) parallel beabstandet voneinander vorgesehen sind.

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