Thyristoren. Robert Caffier. 9. August 2012

Transkript

1 Thyristoren Robert Caffier 9. August

2 Robert Caffier Seite 2 Inhaltsverzeichnis 1 Thyristoren Kennlinien Zünden und Löschen Zünden durch hohe Blockierspannung Zünden durch einen Steuerstrom Löschen des Thyristors Schalten Einschaltverhalten Ausschaltverhalten Freiwerdezeit Danksagung und Kontakt 17

3 Robert Caffier Seite 3 Abbildungsverzeichnis 1 Schichtenfoge, Dotierungen und typische Weiten Sperrzustand des Thyristors Blockierrichtung des Thyristors Vergleich Diode und Thyristor Statische Kennlinien des Thyristors Raumladungszone in der Mittelschicht Hauptstromkreis Zerlegung eines Thyristors in zwei Teiltransistoren Stromflüsse im Thyristor und den Teiltransistoren Stromverstärkungsfaktoren für Transistoren Einschalten eines Thyristors Einschaltverzugszeit als Funktion des Steuerstomes Stromverteilung im Thyristor kurz nach Einschalten Mittlere Einschaltverluste für Thyristoren Ausschaltverhalten des Thyristors schematisch Rückstrom für verschiedene Stromsteilheiten Rekombination bei kleinen Spannungen

4 Robert Caffier Seite 4 1 Thyristoren 1.1 Kennlinien Der Thyristor ist ein steuerbares PNPN-Bauelement für Leistungs-Schalt-Anwendungen. Es hat die Einführung der Starkstromtechnik entscheidend beeinflusst aufgrund seiner guten Flächenausnutzung und der hohen Belastbarkeit bezüglich des Stromes und der Sperr- und Blockierfähigkeit. Abbildung 1: Schichtenfoge, Dotierungen und typische Weiten Die Graphik zeigt die Schichtenfolge und die zugehörigen Dotierprofile. Die Eindringtiefen liegen in der Größenordnung 10µm 100µm. Das gesamte Gebiet kann eine Weite von einigen 100µm haben. Die beiden inneren Zonen sind schwächer dotiert um eine hohe Sperr- und Blockierfähigkeit zu erreichen. Von der Schichtenfolge her gesehen ist der Thyristor ein Vierschichtelement (pnpn). Die äußere p-zone heißt Anode, die äußere n-zone Kathode. Die mittleren Zone werden - analog zum Transistor - p-basis und n-basis genannt. Es gibt also drei pn-übergänge Die von außen angelegten Spannungen werden bezüglich der Kathode gezählt. Um die elektrischen Eigenschaften eines Thyristors berechnen und darstellen zu können, müssen nicht nur die unterschiedlichen Betriebszustände, sondern häufig auch - für einen Betriebszustand - die elektronisch unterschiedlichen Gebiete getrennt betrachtet werden. Die Bewegung von Ladungsträgern erfolgt auf zweierlei Art: Drift (Bewegung auf Grund von elektrischen Feldern) und Diffusion (Bewegung auf Grund von Konzentrationsgradienten). Weiterhin ist immer der Mechanismus der Generation und Rekombination wirksam und es gelten unterschiedliche

5 Robert Caffier Seite 5 Bedingungen der Neutralität. Da bei Dotierung im allgemeinen eine Ladungsträgersorte in der Überzahl ist (Majoritätsträger), die andere dann in der Minderzahl (Minoritätsträger) ist es sinnvoll in Argumentationen danach zu unterscheiden. Sehr wichtig ist der folgende Gedanke: In der Raumladungszone kann sich ein elektrisches Feld aufbauen, weil es durch die ortsfesten ionisierten Dopandatome gebildet wird. Dies ist in den angrenzenden Neutralgebieten so nicht möglich. Ein Puls von Minoritätsträgen wird praktisch sofort durch einen Zufluss von Majoritätsträgern, die ja in großer Anzahl vorhanden sind, neutralisiert. Durch die nun vorhandenen höheren Ladungsträgerdichten wächst die Rekombinationsrate an und der Puls wird durch Rekombination und Diffusion wieder verschwinden. Auch dabei entsteht ein kleines (klein, weil die Anzahl der Ladungsträger groß ist) elektrisches Feld, um den Zufluss von Majoritätsladungsträgern anzutreiben. Ein Puls von Majoritätsträgern würde praktisch sofort zerfliessen. Diese Relaxationszeiten liegen in der Größenordnung s (Debye Relaxation). Für normale Halbleiterbauelemente bedeutet dies sofortige Neutralität. Das Bänderdiagramm ist das geeignete Hilfsmittel, um die Betriebszustände von Bauelementen ohne und mit äußerer Vorspannung (eindimensional) darzustellen. Wenn man eine äußere Spannung an die Struktur legt, wird man in den beiden Polungsrichtungen jeweils einen oder zwei sperrende pn-übergänge vorfinden. Dies zeigen die beiden nächsten Bilder Abb.: 2 und ABB.: 3.

6 Robert Caffier Seite 6 Abbildung 2: Sperrzustand des Thyristors Abbildung 3: Blockierrichtung des Thyristors

7 Robert Caffier Seite 7 Es entstehen die eingezeichneten Raumladungszonen. Für negative Spannung entstehen zwei Raumladungzonen, für positive Spannung sperrt nur der mittlere pn-übergang. Für positive Spannung existiert aber noch ein weiterer Betriebszustand, den man sich am besten durch den Vergleich mit einer psn-diode klarmachen kann. s steht dabei für ein niedrig dotiertes Gebiet. Die nächste Abbildung zeigt die beiden Bauelemente psn-diode und Thyristor schematisch mit ihren Dotierungen. In Flussrichtung (äußere p-zone positiv) werden in beiden Fällen die mittleren Zonen von Ladungsträgern überschwemmt. Dabei spielen die Dotierungen dieser Zonen keine Rolle mehr (weil sie sehr klein sind) Abbildung 4: Vergleich Diode und Thyristor Die nächste Abbildung Abb.: 5 zeigt die drei genannten Betriebszustände: Sperren rückwärts, Blockieren vorwärts und Stromdurchgang mit ihren Kennlinien. Die geometrischen Daten des Thyristors, die Dotierungsprofile, die Randstruktur, die Kontakte und die Passivierung bestimmen diese Kennlinien. Der weitere Aufbau des Thyristors in ein Gehäuse muss diese Kennlinien (und eine Menge anderer Kenndaten) stabil konservieren. Das besondere Kennzeichen eines Thyristors im Vergleich zu einem Transistor ist die Eigenschaft des Thyristors im Blockierzustand durch einen Zündimpuls eingeschaltet werden zu können. Ein Transistor braucht einen dauernden Basisstrom um eingeschaltet zu sein. Er besitzt dann allerdings auch ein vollständiges Kennlinienfeld, dessen einzelner Kennlinienpunkt durch die Höhe des Basisstromes bestimmt ist.

8 Robert Caffier Seite 8 Abbildung 5: Statische Kennlinien des Thyristors Der Übergang von der Blockierkennlinie zur Flusskennlinie erfolgt dabei entweder beim Erreichen einer bestimmten Blockierspannung, der Nullkippspannung, bei I g = 0 oder bei kleineren Spannungen durch einen speziellen Zündvorgang, der am dritten Kontakt des Thyristors ausgelöst werden werden kann. Aus dem bisher Diskutierten wird klar, dass dieses Zünden nur ein Impuls sein muss, weil die Überschwemmung der Mittelzonen auch ohne Zündladungen erhalten bleibt. Aus demselben Grund (Überschwemmung der Mittelzonen) kann der Thyristor nur wieder in den Blockierzustand gelangen, wenn der Strom selbst fast Null wird (und damit die Überschwemmung des Mittelgebietes zurück geht). Zusammengefasst: Der Thyristor ist ein Halbleiterbauelement, das in beiden Polungsrichtungen sperrt und im impulsgezündeten Zustand eine Diodenkennlinie aufweist. 1.2 Zünden und Löschen Abb.: 6 zeigt den Thyristor mit einer Raumladungszone in den Mittelschichten. Die äußeren pn-übergänge sind in Flussrichtung gepolt, aber wegen des gesperrten pn- Überganges findet keine nennenswerte Injektion in die Mittelzonen statt.

9 Robert Caffier Seite 9 Abbildung 6: Raumladungszone in der Mittelschicht Werden jetzt positive Ladungsträger mittels eines Steuerimpulses in die p-basis injiziert, wird die Überschwemmung der Mittelgebiete mit Ladungsträgern eingeleitet. Ursache dafür ist die Erhöhung der Potentialdifferenz über dem kathodenseitigen pn- Übergang. Er geht mehr in Flussrichtung und kann dadurch mehr Elektronen in die p-basis injizieren. Der Zündvorgang wird eingeleitet. Abbildung 7: Hauptstromkreis

10 Robert Caffier Seite 10 Der gesamte Zündvorgang lässt sich besser verstehen, wenn man den Thyristor gedanklich in zwei Teil-Transistoren zerlegt. Abb.: 8 Die dann entstehende Struktur ist in der nächsten Abbildung gezeigt mit dem npn-transistor I II III und dem pnp-transistor II III IV. Abbildung 8: Zerlegung eines Thyristors in zwei Teiltransistoren Zonen I und IV sind die Emitter, Zonen III und II die Kollektoren der Teiltransistoren. Wenn ein Basisstrom in die Basis des npn-transistors Transistors gespeist wird, wird die Flussspannung über der Emitter-Basis-Diode erhöht, der Emitter beginnt Ladungsträger in die Basis zu emittieren. Einige dieser Minoritätsladungsträger rekombinieren, die meisten erreichen aber durch die Raumladunszone den Kollektor, der gleichzeitig die Basis des pnp-transistors ist. Negative Ladungen in der Basis des pnp-transistors setzen aber den gleichen Mechanismus in Gang wie positive Ladungen im npn-transistor. Dies führt zu einer Art Rückkopplungseffekt. Die beiden Teiltransistoren steuern sich wechselseitig auf. Eine Überschwemmung des Mittelgebietes mit Ladungsträgern findet statt. In der Abb.: 9 sind die soeben diskutierten Stromflüsse, die sich aus den Injektionen und dem Ladungsträgertransport ergeben im Einzelnen eingezeichnet.

11 Robert Caffier Seite 11 Abbildung 9: Stromflüsse im Thyristor und den Teiltransistoren Schließt man den Schalter s kurzzeitig, fließt der Basisstrom, der den Transistor einschaltet. Es entsteht ein um den Stromverstärkungsfaktor größerer Strom der zum Kollektor fließt. Die Zone III hat keinen äußeren Anschluss und lädt sich deshalb negativ auf. Dadurch wird der pnp-transistor eingeschaltet mit den eingezeichneten Strömen. Daraus läßt sich eine algebraische Gesamtbilanzgleichung finden: Umstellen liefert nach I aufgelöst: I + α npn ( 1)(I + I st ) I sp α pnp I = 0 I = 1 1 (α npn + α pnp ) (I sp + α npn I st ) Die Gleichung zeigt den Einfluss des Sperrstromes der Diode und des Steuerstromes auf den Gesamtstrom. Die Zündbedingung läßt sich ebenfalls ablesen: α npn + α pnp = 1. Da die Stromverstärkungen α pnp und α npn der Teiltransistoren stromabhängig sind, wie die nachfolgende Abbildung Abb.: 10 zeigt, erreicht der Thyristor bei Ansteigen des Gesamtstromes durch den Rückkopplungsmechanismus nach kurzer Zeit die Zündbedingung. Die Gleichung zeigt, dass jetzt der Strom nur noch durch den äußeren Stromkreis begrenzt wird.

12 Robert Caffier Seite 12 Abbildung 10: Stromverstärkungsfaktoren für Transistoren Zünden durch hohe Blockierspannung Für I g = 0 (ohne Zündstrom) erhält man aus der Gleichung für den Gesamtstrom die Abhängigkeit vom Sperrstrom. Dieser wächst, wenn die Blockierkennlinie in den Bereich des Durchbruches kommt. Damit nehmen auch die Ströme der Teiltransistoren zu, bis, wie die Abb.: 10 zeigt, die Zündbedingung erfüllt ist Zünden durch einen Steuerstrom Jetzt ist in der Gleichung der Term α npn I st wirksam. Wegen der Stromabhängigkeit von α n und α p kann die Zündbedingung bei sehr kleinen Sperrströmen erreicht werden. Zur Vermeidung dieses Effektes wird oft die Stromverstärkungskurve des npn-transistors durch Shortung eingestellt Löschen des Thyristors Der Übergang von der Flusskennlinie zurück zur Blockierkennlinie kann nur stattfinden, wenn die Ladungsträgerdichten in den Mittelgebieten wieder fast auf Gleichgewichtswerte gesunken ist. Dafür muss die Spannung am Thyristor ungefähr Null werden. Die obige Erörterung des Zündmechanismus und die Strombilanz zeigen, dass dafür der Hauptstrom nicht ganz auf Null absinken muss. Die freien Ladungsträger in den schwach dotierten Gebieten verschwinden dabei durch Rekombination oder durch Absaugen infolge

13 Robert Caffier Seite 13 einer angelegten Sperrspannung. 1.3 Schalten Einschaltverhalten Abb.: 11 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung am Thyristor nach Anlegen eines Zündimpulses. Es vergeht die Einschaltverzugszeit, bis der Thyristor reagiert. Sie liegt in der Größenordnung von 100µ Sekunden. Dann erfolgt der eigentliche Zündvorgang, bei dem die Spannung auf den Flusswert zusammenbricht. Mit entsprechenden Grenzdefinitionen heißt diese Zeit Durchschaltzeit. Sie liegt in der Größenordnung von 1µSekunde und ist für die Einschaltverluste entscheidend, da hier schon ein großer Thyristorstrom fließt. Abbildung 11: Einschalten eines Thyristors Zur Einschaltverzugszeit noch zwei Abbildungen Abb.: 12 und Abb.: 13.

14 Robert Caffier Seite 14 Abbildung 12: Einschaltverzugszeit als Funktion des Steuerstomes Abbildung 13: Stromverteilung im Thyristor kurz nach Einschalten Man erkennt die Abhängigkeit der Einschaltverzugszeit von der Größe des Steuerimpulses. Die Erklärung für diesen Kurvenverlauf liegt darin, dass für den Zündvorgang im wesentlichen die in die Basis eingebrachte Ladung verantwortlich ist. Ursache für die endliche Durchschaltzeit ist die endliche Ausbreitungsgeschwindigkeit des gezündeten

15 Robert Caffier Seite 15 Zustandes, der ja physikalisch am Gate beginnt und sich dann ausbreitet. Verbesserungen sind möglich durch verzweigte Gatestrukturen. Die Abb.: 14 zeigt, welchen Einfluss die Stromanstiegssteilheit für die Verluste hat. Die Einschaltverluste steigen rasch mit der Stromsteilheit und der Frequenz. Hier muss man von der Anwendung her begrenzen. Da diese Verluste in der flächenbegrenzten Umgebung des Gatebereiches besonders hoch sind, führen sie leicht zur Zerstörung des Thyristors. Abbildung 14: Mittlere Einschaltverluste für Thyristoren Ausschaltverhalten Beim Ausschalten des Thyristors vergeht zunächst die Sperrverzögerungszeit bis der Thyristor seine Sperrfähigkeit erreicht, dann muss er eine gewisse Zeit in Sperrpolung verbleiben, um danach, bei erneuter Polung in Flussrichtung, sein Blockiervermögen wiedererlangen zu können. Abb.: 15 zeigt Strom - und Spannungsverlauf beim Ausschalten mit der durch den äußeren Lastkreis vorgegebenen Reduzierung des Stromes auf Null und anschließendem Spannungsanstieg in Sperrrichtung. Da sich im Mittelgebiet viele Ladungsträger befinden, wird durch das Absaugen dieser Ladungsträger ein Strom in Sperrichtung fließen.

16 Robert Caffier Seite 16 Abbildung 15: Ausschaltverhalten des Thyristors schematisch Für unterschiedliche Stromsteilheiten ist dies in Abb.: 16 zu sehen. Abbildung 16: Rückstrom für verschiedene Stromsteilheiten

17 Robert Caffier Seite Freiwerdezeit Auch wenn die äußeren pn-übergänge bereits ins Gleichgewicht zurückgekehrt sind, können sich im Mittelgebiet noch Ladungsträger befinden, sodass der Thyristor noch nicht blockieren kann (er würde sofort wieder gezündet). Die Freiwerdezeit muss vergehen, bevor der Thyristor wieder in Blockierrichtung gepolt werden kann. In der Abb.: 17 sieht man, wie für kleine Spannungen die Ladungsträger nicht abgesaugt werden sondern durch Rekombination verschwinden. Ab einer gewissen Sperrspannung ist der Absaugeffekt gesättigt und die Freiwerdezeit ist dann im wesentlichen unabhängig von der Spannung. Abbildung 17: Rekombination bei kleinen Spannungen 2 Danksagung und Kontakt Vielen Dank für Ihre Teilnahme an diesem Vortrag. Wenn er Ihnen gefallen hat, bitte weitersagen. Wenn Sie Fehler im Skript finden oder spezielle Wünsche an die Materialauswahl haben oder nur einfach sagen möchten: Zu schwer/leicht oder zu lang/kurz oder Fragen haben, bitte Mail an mich: Mail-Adresse: robert_caffier@web.de

18 Robert Caffier Seite 18 Auch ein Blick auf meine Webseite robert-caffier.de lohnt sich. Dort gibt es weitere Themen aus dem Bereich Physik und Mathematik.