Thyristoren

ISBN-13: 9783540094388 / Niemiecki / Miękka / 1979 / 432 str.

W. Gerlach

Opis

Der Thyristor ist ein Halbleiterbauelement mit einer pnpn Struktur, Bild I. Er vermag bei positiver Spannung zwi schen der auBeren p-Zone (Anode) und der auBeren n-Zone (Kathode) zwei stabile Zustande anzunehmen, einen sperren den und einen leitenden. Seine Strom-Spannungs-Kennlinie, Bild II, weist dementsprechend bei dieser Polaritat einen Sperrbereich und einen DurchlaBbereich auf. Diese Eigen schaft wird zum Schalten von Strom ausgenutzt. Urn den Thyristor vom sperrenden in den leitenden Zustand zu bringen, muB der Strom grundsatzlich tiber einen gewis sen Schwellwert angehoben werden. Das geschieht normaler weise durch einen Strompuls, der tiber den SteueranschluB (Gate) in eine der beiden inneren Zonen eingepragt wird. Eine andere Moglichkeit besteht z.B. darin, die Anoden spannung so weit zu steigern, daB die Kippspannung (U ) BO tiberschritten wird, Bild IIa. Wenn der Thyristor eingeschaltet oder "geztindet" ist, ver halt er sich wie eine Diode, Bild lIb. Er vermag dann in K th d a 0 en IK n IG p 8 Steu er- un (Gate) schl n p Anode! !IA a b Bild I. Thyristor. a) pnpn-Struktur, b) Schaltsymbol 13 Durchlallbereich --------, -j ROckworls- Vorworls- Sperrbereich a b Bild II. Strom-Spannungskennlinie des Thyristors. a) ohne Steuer strom b) mit Steuerstrom IG" . IH Haltestrom, GT IGT Zlindstrom U Kippspannung."

Spis treści

1 Funktionsprinzip des Thyristors.- 1.1 Ersatzmodell des Thyristors.- 1.2 Schaltkriterium.- 1.3 Zeitverlauf der Ströme.- 1.4 Übergang vom Sperr- zum Durchlaßzustand.- 1.5 Der stationäre Durchlaßzustand.- 1.6 Statische Strom-Spannungskennlinien.- 1.7 Ausgezeichnete Kennlinienpunkte.- 1.8 Thyristor-Ersatzmodell und Experiment.- 2 Statisches Verhalten des Thyristors bei Vorwärtspolung.- 2.1 Stromloser Zustand.- 2.2 Spannungsaufteilung.- 2.3 Wechselseitige Beeinflussung der pn-Übergänge.- 2.4 Ladungsgleichgewicht.- 2.5 Kennliniengleichung.- 2.6 Ladungsträgermultiplikation.- 2.7 Kennlinienkonstruktion.- 2.8 Kennlinienberechnung.- 3 Theorie der Durchlaßcharakteristik.- 3.1 Allgemeine Vorbemerkungen.- 3.2 pin-Dioden-Modell.- 3.3 Die verschiedenen Bereiche der Durchlaßcharakteristik.- 3.3.1 Bereich 1: Schwache Injektion in beiden Basiszonen.- 3.3.2 Bereich 2: Schwache Injektion in der p-Basis und starke Injektion in der n-Basis.- 3.3.3 Bereich 3: Starke Injektion in beiden Basiszonen.- 4 Sperrvermögen.- 4.1 Sperrvermögen in Rückwärtsrichtung.- 4.1.1 Spannungsaufteilung.- 4.1.2 Rückwärtskennlinie.- 4.1.3 Sperrspannungsgrenzen.- 4.1.4 Optimales Sperrvermögen.- 4.2 Sperrvermögen in Vorwärtsrichtung.- 4.3 Verbesserung der Vorwärtssperrfähigkeit durch Emitterkurzschlüsse.- 4.4 Einfluß der Halbleiteroberfläche auf die Sperrfähigkeit.- 4.4.1 Ideale und reale Halbleiteroberfläche.- 4.4.2 Oberflächendurchbruch.- 4.5 Maßnahmen zur Verhinderung des Oberflächendurchbruchs.- 4.5.1 Randabschrägung.- 4.5.2 Feldbegrenzungsring.- 5 Methoden zur Analyse der Schaltvorgänge.- 5.1 Quasistatische Behandlung.- 5.2 Strombilanz bei schnell veränderlichem Strom.- 5.3 Übergangsfunktion.- 5.4 Frequenzgang.- 5.5 Ladungssteuerungsmodell.- 5.6 Ladungssteuerungsmodell im Vergleich mit den beiden vorhergehenden Analysenmethoden.- 5.7 Lösung der zeitabhängigen Strom- und Kontinuitätsgleichung.- 6 Einschaltverhalten.- 6.1 Qualitative Beschreibung.- 6.1.1 Zündbedingung.- 6.1.2 Aufbau der Speicherladung.- 6.1.3 Strom- und Spannungsverlauf.- 6.2 Berechnung des Einschaltvorganges bei schwacher Injektion in den Basiszonen.- 6.2.1 Problemstellung.- 6.2.2 Lösungsmethode.- 6.2.3 Verlauf von Strom und Trägerdichte für einen symmetrischen Thyristor.- 6.2.4 Der Übergang zur stationären Trägerverteilung.- 6.2.5 Spannungsverlauf während des Überganges in den stationären Zustand.- 6.3 Berechnung des Einschaltvorganges bei starker Injektion in der n-Basis.- 6.3.1 Problemstellung.- 6.3.2 Stromverlauf.- 6.3.3 Verlauf der Trägerdichte und der Feldstärke in der n-Basis.- 6.3.4 Spannungsabfall in der n-Basis.- 6.3.5 Einfluß der Basisdicke auf den Spannungsabfall in der n-Basis.- 6.3.6 Der Übergang in den stationären Durchlaßzustand.- 6.4 Zur Theorie des Einschaltvorganges auf der Basis des Ladungssteuerungsmodells.- 6.5 Auswirkung verschiedener Effekte auf den Einschaltvorgang.- 6.5.1 Stromabhängigkeit der Stromverstärkungsfaktoren.- 6.5.2 Basisweitenmodulation.- 6.5.3 Driftfeld in der Steuerbasis.- 7 Die Steuerstromzündung großflächiger Thyristoren.- 7.1 Einführung.- 7.2 Primärer Zündbereich.- 7.3 Transiente Ladungsträger- und Potentialverteilung.- 7.4 Ausbreitungsvorgang.- 7.5 Theoretische Modelle der Zündausbreitung.- 7.5.1 Diffusionsmodell.- 7.5.2 Driftmodell.- 7.6 Experimentelle Untersuchung der Zündausbreitung.- 7.6.1 Meßmethoden.- 7.6.2 Stromeinfluß.- 7.6.3 Einfluß der Strukturparameter.- 7.7 Auswirkung der Zündausbreitung auf die dynamischen Thyristoreigenschaften.- 7.8 Methoden zur Erhöhung der Einschaltbelastbarkeit.- 7.8.1 Prinzip der Folgezündung.- 7.8.2 Realisierung der Folgezündung.- 7.8.3 Streifengate.- 8 Das Ausschaltverhalten.- 8.1 Einführung.- 8.2 Trägerspeichereffekt.- 8.3 Kenngrößen.- 8.4 Abrupte Stromkommutierung.- 8.5 Berechnung der Schaltzeiten nach dem Ladungssteuermodell.- 8.5.1 Problemstellung.- 8.5.2 Erste Speicherzeit.- 8.5.3 Erste Abfallzeit.- 8.5.4 Zweite Speicherzeit.- 8.5.5 Zweite Abfallzeit.- 8.5.6 Freiwerdezeit.- 8.6 Zur exakten Berechnung des Ausschaltvorgangs.- 8.6.1 Einleitung.- 8.6.2 Problemstellung.- 8.6.3 Lösungsmethode.- 8.6.4 Verlauf der Löcherdichte, allgemein.- 8.6.5 Verlauf der Löcherdichte für zwei verschiedene Anfangsverteilungen.- 8.6.6 Stromverlauf.- 8.6.7 Vergleich mit den Aussagen des Ladungssteuermodells.- 8.7 Ausräumvorgang bei starker Injektion in beiden Basiszonen.- 8.8 Maßnahmen zur Verkürzung der Freiwerdezeit.- 8.8.1 Verkleinerung der Trägerlebensdauer.- 8.8.2 Erhöhung der Emitterkurzschlußstellen.- 8.8.3 Anlegen einer negativen Gatespannung.- 9 Vom Thyristor abgeleitete Bauelemente und spezielle Gate-Konfigurationen.- 9.1 Die bidirektionale Thyristor-Diode (Diac).- 9.2 Gate-Konfigurationen zur Zündung bidirektionaler Thyristoren.- 9.2.1 Allgemeine Anforderungen.- 9.2.2 Das Transistor-Tor.- 9.2.3 Das Sperrschicht-Tor.- 9.2.4 Zündung mit einer Hilfsschicht.- 9.3 Der Bidirektional-Thyristor mit vier Torfunktionen (Triac).- 9.4 Der abschaltbare Thyristor.- 9.4.1 Der zum Abschalten erforderliche Steuerstrom.- 9.4.2 Abschaltverstärkung.- 9.4.3 Abschaltzeiten.- 9.4.4 Verhältnisse im realen Thyristor.- 9.4.5 Der laterale Abschaltvorgang.- 9.4.6 Gate-Kathodenstruktur.- 9.5 Der lichtzündbare Thyristor.- 9.5.1 Prinzip.- 9.5.2 Spektrale Empfindlichkeit.- 9.5.3 Lichtquellen.- 9.5.4 Optische Zündempfindlichkeit.- 9.5.5 Lichtzündung von Leistungsthyristoren.