DE2643935A1 - Halbleiter-schalteinrichtung - Google Patents

Halbleiter-schalteinrichtung

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DE2643935A1 DE19762643935 DE2643935A DE2643935A1 DE 2643935 A1 DE2643935 A1 DE 2643935A1 DE 19762643935 DE19762643935 DE 19762643935 DE 2643935 A DE2643935 A DE 2643935A DE 2643935 A1 DE2643935 A1 DE 2643935A1
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Description

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80OO München 22 - Steinsdorfstr. 10 o.pi.-ing. r. beetz sen
TELEFON (089)227201-227244-295910 2643935 Dlpl.-lne-K. LAMPRECHT
Telex 6 22O48 -Telegramm Allpatent München *¥^ Dr.-Ing. R. BEETZ Jr.
□Ipl.-Phys. U. HEIORICH Λ Mj auch Rechtsanwalt
I Dr.-Ing. W. TIMPE DIpl.-Ing. J. SIESFRIED
81-26.O68P 29. 9. 1976
HITACHI , LTD., Tokio (Japan)
Halbleiter-Schalteinrichtung
Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Schalteinrichtung von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau mit drei PN-Übergängen, die als Schalter für Steuer- oder Regeleinrichtungen u.dgl. verwendbar ist.
Im allgemeinen hat ein PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-Auf bau einschließlich drei PN-Übergängen (im folgenden lediglich als "PNPN-Schalter" bezeichnet), der auch gesteuerter Halbleitergleichrichter oder Thyristor genannt wird, den Nachteil, daß er irrtümlich gezündet wird, wenn eine Vorwärtsspannung plötzlich zwischen seine Anode und seine Kathode selbst während des gesperrten Zustandes gelegt wird. Dies wird als Rate- oder Geschwindigkeitseffekt bezeichnet, und eine Gegenmaßnahme dagegen besteht in der dv/dt-Unempfindlichkeit. Um dieses fehlerhafte Zünden zu verhindern, wird die Steuerelektrode G
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und die Kathode K des PNPN-Schalters 1 mittels eines Widerstandes 2 (vgl. Fig. 1) überbrückt. Um damit die dv/dt-Unempfindlichkeit zu verbessern, muß der Widerstand 2 einen geringen Widerstandswert aufweisen. Dies verringert selbstverständlich die Steueranschluß-Empfindlichkeit, so daß die Schaltung der Pig, I für einige Anwendungen vollständig ungeeignet ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wurde von der Anmelderin bereits eine in Fig. 2 dargestellte Halbleiter-Schalteinrichtung entwickelt, bei der sowohl die dv/dt-Unempfindiichkeit als auch die Steueranschluß-Empfindlichkeit merklich verbessert sind. Bei der Halbleiter-Schalteinrichtung der Fig. 2 ist eine weitere P-leitende Zone P-, in der zweiten Schicht n, des PNPN-Schalters 11 vorgesehen, so daß zwei Kollektoren P„ und P " entstehen. Die Basis eines Transistors 13 zwischen dem Steueranschluß G und der Kathode K ist an die P-,-Zone über eine Pegel-Schiebe-Diode 14 angeschlossen. Ein Widerstand 12 liegt zwischen dem Steueranschluß G und der Kathode K, während eine Diode 15 zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 13 vorgesehen ist. Wenn plötzlich eine Spannung zwischen die Anode A und die Kathode K des PNPN-Schalters 11 gelegt wird, dient der Strom zum Laden des durch die n.-Schicht und Ρ^,-Zone gebildeten PN-Überganges zum Ansteuern des Transistors 13, so daß der Steueranschluß G und die Kathode K des PNPN-Schalters 11 im transienten Zustand kurzgeschlossen werden, um das fehlerhafte Zünden, des PNPN-Schalters 11 zu verhindern. Der Widerstand 12, der als Hilfsbauelement zum Verhindern eines fehlerhaften Zündens des PNPN-Schalters eingefügt ist, das sonst aufgrund eines Streu- oder Ableitungsstromes bei hohen Temperaturen auftreten würde, kann einen
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viel größeren Widerstandswert als der Widerstand 2 in Fig.l aufweisen, so daß die hohe dv/dt-Unempfindlichkeit sowie die große Steueranschluß-Empfindlichkeit des PNPN-Schalters ermöglicht werden. Die Pegel-Schiebe-Diode 14 verhindert einen ungewöhnlichen Anstieg des Haltestromes, der sonst durch die Erregung des Transistors 13 hervorgerufen wird, da die P^-Zone als Kollektor des PNP-Transistors aus der P^-Zone, der n-^-Zone und der P^-Zone wirkt, wenn der PNPN-Schalter 11 zum Zünden angesteuert wird. Die Diode 15 verhindert, daß die Basis des Transistors 13 einem großen negativen Potential ausgesetzt ist, wenn die im PN-Übergang aus der ^-Schicht und der P^-Zone gespeicherten Ladungen entladen werden. Dieser Schaltungsaufbau hat eine ähnliche Wirkung wie ein Überbrücken der Basis und des Emitters des Transistors 13 mit einem Widerstand und ist zur Schaltungsintegration geeignet. Die in Fig. 2 dargestellte Halbleiter-Schalteinrichtung hat jedoch den Nachteil, daß sie bei bestimmten Anwendungen, wie z.B. der Fernsprechvermittlung, Schwingungen hervorrufen kann.
In Fig. 3 ist eine vorzugsweise Vermittlung in einer Fernsprechvermittlungsanlage erläutert, bei der die Halbleiter-Schal teinrichtung der Fig. 2 verwendet wird. Die Anode A des PNPN-Schalters 11 ist mit einem !Constantstromglied 16 und einem Kondensator 17 verbunden, während die Kathode K an eine Reihenschaltung aus einer Spule 18, einem Widerstand 19 und einer Batterie 20 angeschlossen ist. Wenn der Steueranschluß G kontinuierlich durch ein anderes Konstantstromglied 21 angesteuert wird, tritt eine in Fig. 4 dargestellte Schwingung auf, was zu einem intermittierenden Leiten des PNPN-Schalters führt.
In Fig. 4- zeigen das obere Signal zeitliche Änderungen
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im Anodenpotential V. des PNPN-Schalters 11 und das untere Signal zeitliche Änderungen im Anodenstrom I.. Der Transistor IJ wird zeitweilig durch den Schwingungsstrom aufgrund des Kondensators 17 und der Spule 18 angesteuert, so daß der PNPN-Schalter 11 gesperrt wird, wenn sein Steueranschluß und seine Kathode kurzgeschlossen sind. Wenn in der folgenden Stufe der Kondensator 17 durch das Konstantstromglied l6 aufgeladen wird und ein höheres Potential annimmt, übersteigt die dv/dt-Schutzfunktion den Ansteuerstrom, und daher kann der PNPN-Schalter nicht zum Zünden angesteuert werden, bis die Spannung nach Abschluß des Ladens konstant wird. Wenn mit anderen V/orten der PNPN-Schalter 11 zum Zünden angesteuert wird, werden die Ladungen im Kondensator 17 durch die Spule l8 und den Widerstand 19 freigegeben, während der Strom aufgrund der Spule 18 und des Kondensators I7 schwingt und zeitweilig zurück durch den PNPN-Schalter 11 fließt. Dieser Rückwärtsstrom fließt von der Kathode K zur P .,-Schicht durch die Diode 15, die Basis des Transistors 13., den Kollektor des Transistors 13, die Pg-Schicht und die ^-Schicht während der Speicherzeit, wenn der PNPN-Schalter 11 nicht bis jetzt gesperrt ist. Bei diesem Vorgehen wirkt der Transistor 13 wie ein inverser NPN-Transistor, bei dem der Kollektor und der Emitter miteinander vertauscht sind. Wenn in der folgenden Stufe der Strom in Vorwärtsrichtung zu fließen beginnt, arbeitet der Transistor 13 zeitweilig aufgrund des Speichereffektes weiter. Als Ergebnis werden der Steueranschluß G und die Kathode K des PNPN-Schalters durch den Transistor 13 kurzgeschlossen, so daß der PNPN-Schalter 11 gesperrt ist. Da das Potential der Anode A stetig ansteigt, wird der Transistor 13 durch den Ladungsstrom des n, P,,-Überganges angesteuert. Demgemäß hat die Schaltung der Fig. 3 den Nachteil, daß die Schwingung
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fortdauert und daher der PNPN-Schalter 11 im eingeschalteten Zustand nicht stabilisiert sein kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Halbleiter-Schalteinrichtung von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau mit großer Steueranschluß-Empfindlichkeit und hoher dv/dt-Unempfindlichkeit anzugeben, die stabil ohne Schwingung gesteuert werden kann, selbst wenn sie in einer Schaltung mit einem Kondensator und einer Spule verwendet wird; die Schalteinrichtung soll dabei einfach integrierbar sein.
Erfindungsgemäß ist eine Halbleiter-Schalteinrichtung einschließlich eines PNPN-Schalters von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau mit wenigstens drei PN-Übergängen, eines Transistors, eines mit dem PNPN-Schalter verbundenen Ansteuergliedes zum Ansteuern des Transistors im transienten Zustand, eines Bauelementes mit wenigstens einem PN-Übergang und einer Diode vorgesehen. Der Kollektor und der Emitter des Transistors sind so verbunden, daß einer der PN-Übergänge an einem Ende des PNPN-Schalters kurzgeschlossen ist. Die Basis des Transistors ist mit dem Ansteuerglied über das Bauelement mit dem PN-Über gang verbunden. Die Diode liegt zwischen dem Emitter des Transistors und dem Ansteuerglied.
Die Erfindung sieht also eine stabile Halbleiter-Schalteinrichtung mit einem PNPN-Schalter, einem Transistor, einem Ansteuerglied und Dioden vor. Der PNPN-Schalter weist einen Vierschicht-PNPN-Aufbau auf und hat. drei PN-Übergänge, eine Anode, einen Anoden-Steueranschluß, einen Kathoden-Steueranschluß und eine Kathode.
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Der Kollektor und der Emitter des Transistors sind mit dem Kathoden-Steueranschluß bzw. der Kathode des PNPN-Schalters verbunden. Ein Ende des Ansteuergliedes ist mit dem Anoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters verbunden und das andere Ende ist an die Basis des Transistors angeschlossen, um diesen im transienten Zustand anzusteuern. Die Dioden liegen so zwischen dem Ansteuerglied und dem Emitter des Transistors, daß, wenn der PNPN-Schalter zum Zünden angesteuert ist und ein Rückwärtsstrom zeitweilig durch den PNPN-Schalter fließen will, der Rückwärtsstrom nicht durch den Transistor fließt, um alle ungewöhnlichen Wirkungen des Transistors zu verhindern, wie z.B. eine Schwingung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild einer Halbleiter-Schalteinrichtung mit einem PNPN-Schalter, der mit einer herkömmlichen Gegenmaßnahme gegen den dv/dt-Effekt ausgestattet ist,
Fig. 2 ein Schaltbild einer bereits entwickelten Halbleiter-Schalteinrichtung,
Fig. 3 und 4 ein Ersatzschaltbild für ein Beispiel, bei dem die Halbleiter-Schalteinriehtung der Fig. 2 zur Fernsprechvermittlung eingesetzt wird, bzw. Signale, die die Änderungen der Spannung und des Stromes mit der Zeit darstellen,
Fig. 5 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung, und
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- ψ-
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Pig. 6-13 Schaltbilder eines zweiten bis neunten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Eine weitere P-leitende Zone P^, ist auf der zweiten Schicht n, des PNPN-Schalters 11 vorgesehen, so daß zwei Kollektoren durch die P-leitenden Zonen P2 und Pv gebildet werden. Der Kollektor und der Emitter eines Transistors 13 pind jeweils mit dem Steueranschluß und der Kathode des PNPN-Schalters 11 verbunden, während die Basis des Transistors 13 in Reihe zu einer Pegel-Schiebe-Diode Ik liegt. Durch diese Diode 14 ist die Basis des Transistors 13 weiterhin an die P-,-Zone auf der zweiten Schicht n, des PNPN-Schalters 11 angeschlossen, was das Ansteuerglied zum Ansteuern des Transistors 13 im transienten Zustand bildet. Eine Entladediode liegt zwischen dem Emitter des Transistors 13 und dem Ansteuerglied. Der Steueranschluß und die Kathode des PNPN-Schalters 11 sind durch einen Widerstand 12 verbunden. Im übrigen sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 2. Wenn bei der Halbleiter-Schalteinrichtung der Fig. 5 mit diesem Aufbau angenommen wird, daß ein augenblicklicher Rückwärtsstrom in den PNPN-Schalter 11, wie in der Fig. dargestellt, fließen will, insbesondere, daß selbst wenn das Potential der Kathode K des PNPN-Schalters 11 momentan höher wird als das Potential der Anode A im leitenden Zustand, dann fließt der Rückwärtsstrom von der Diode 15 zur Anode A über die P^-Zone, die ^-Schicht und die P-^Schicht, wenn der PNPN-Schalter 11 noch in einer Speicherzeit liegt
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und im halberregten Zustand gehalten wird. Da der Spannungsabfall durch den Spannungsabfall gleichwertig zu den beiden Dioden über den oben erläuterten Weg hinaus erhöht ist, fließt im wesentlichen kein Strom durch die Pegel-Schiebe-Diode 14 und die Basis-Kollektor-Strecke des Transistors 13. Wenn die Halbleiter-Schalteinrichtung der Fig. 5 beim Schaltbild der Fig. 3 verwendet wird, kann der PNPN-Schalter 11 in einen stabilen Leitungszustand ohne jede Schwingung überführt werden, selbst wenn ein kleiner Schwingungsstrom in dem Zeitpunkt beobachtet wird, wenn der PNPN-Schalter 11 zum Zünden angesteuert wird.
Das Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung ist in Fig. β dargestellt. Bei der Halbleiter-Schalteinrichtung der Fig. 5 werden die ^-Schicht des PNPN-Schalters 11 und die Kapazität des n, Ρ^,-Überganges zwischen der n,-Schicht und der P,-Zone als Ansteuerglied zum Einschalten des Transistors 13 lediglich im transienten Zustand verwendet, um den Rate- oder Geschwindigkeitseffekt des PNPN-Schalters 11 zu verhindern. Bei der Halbleiter-Schalteinrichtung der Fig. 6 wird andererseits die Spannung zwischen der Anode A und der Kathode K durch eine Diode 22 mit einer verhältnismäßig großen Übergangskapazität differenziert, um den Transistor 13 anzusteuern. Das Schaltbild der Fig. 6 entspricht im übrigen im wesentlichen dem Schaltbild der Fig. 5 mit der Ausnahme, daß die Diode 22 teilweise als Kondensator wirkt. Mit anderen Worten, die Pegel-Schiebe-Diode 14 ist an die Basis des Transistors 13 angeschlossen, während die Entladediode 15 direkt mit der das Ansteuerglied bildenden Diode 22 verbunden ist. Der Betrieb
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und die Wirkung dieser Einrichtung sind im übrigen gleich wie beim Schaltbild der Fig. 5.
Das Schaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung ist in Fig. 7 gezeigt. Bei der Halbleiter-Schalteinrichtung in Fig. 7 ist der Kollektor eines Transistors 23 mit der n..-Schicht des PNPN-Schalters 11 verbunden, während der Emitter an die Basis des Transistors 13 angeschlossen ist, wobei eine Entladediode 15 an der Basis des Transistors 23 liegt. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 wird die Spannung zwischen der Anode A und der Kathode K an den Kollektor-Basis-Übergang des Transistors 23 gelegt, so daß der Ladestrom dieses Überganges durch den Transistor 23 selbst verstärkt wird, um den Transistor 13 im transienten Zustand anzusteuern, was den Rate-Effekt des PNPN-Schalters 11 verhindert. Dieses Ausführungsbeispiel gleicht dem Schaltbild der Fig. 6, wobei die Diode 22 mit der Diode 14 integriert ist und die Verstärkerfunktion des Transistors 23 ausgenommen wird. Mit anderen Worten, der Basis-Emitter-Übergang des Transistors 23 erfüllt die gleiche Funktion wie die Pegel-Schiebe-Diode 14 in Fig. 6. Mittels des Transistors 23 wird der transiente Strom verstärkt, und daher wird eine größere dv/dt-Unempfindlichkeit erzielt. Gleichzeitig wirkt gegenüber dem Rückwärtsstrom aufgrund des Schwingungsstromes der Transistor 23 als inverser Transistor mit betriebsmäßig vertauschtem Emitter und Kollektor, so daß die Basisspannung des Transistors 13 verringert wird. Mit anderen Worten, der Transistor 13 ist in den ausgeschalteten Zustand vorgespannt.
Das Schaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung ist in Fig.8
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gezeigt. Diese Halbleiter-Schalteinrichtung ist so aufgebaut, daß das Ansteuerglied für den Transistor 15 durch eine Darlington-Schaltung einschließlich Transistoren 24 und 25 gebildet wird. Da der Strom zum Laden der Basis-Kollektor-Kapazität des Transistors 24 in größerem Ausmaß verstärkt wird, ist diese Schaltung beim Erzielen einer größeren dv/dt-Unempfindlichkeit oder der gleichen dv/dt-Unempfindlichkeit trotz eines kleineren Transistors vorteilhaft. Beim AusfUhrungsbeispiel der Fig. 8 wird die Pegel-Schiebe-Diode 14 der Fig. 6 als gleichwertig zu einer Reihenschaltung aus den Basis-Emitter-Übergängen der Transistoren 24 und 25 angesehen, was gegenüber einem Rückwärtsstrom eine ausreichende Gegenmaßnahme ist.
Das Schaltbild der Fig. 9 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung. Dieses Ausführungsbeispiel entspricht dem Schaltbild der Fig. 7, wobei ein Widerstand 26 zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors 23 liegt, die das Ansteuerglied für den Transistor 13 bilden; im übrigen entspricht diese Schaltung der Fig. 7. Bei der so aufgebauten Halbleiter-Schalteinrichtung ist die Durchbruchsspannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors 23, der das Ansteuerglied für den Transistor 13 bildet, im Vergleich zur Schaltung der Fig. 7 wesentlich verbessert, so daß eine Halbleiter-Schalteinrichtung erzielt werden kann, die besonders für Hochspannungsbetrieb geeignet ist.
Ein sechstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung ist in Fig. 10 gezeigt. Ähn-
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lieh zum Ausführungsbeispiel der Pig. 9 ist die vorliegende Halbleiter-Schalteinrichtung gleich zur Schaltung der Fig. 8 aufgebaut, wobei jedoch zwischen dem Emitter und der Basis der Transistoren 24 und 25 in Darlington-Schaltung,, die das Ansteuerglied für den Transistor 13 darstellt, jeweils Widerstände 27 und 28 liegen. Daher werden der Betrieb und die Wirkungen dieses Ausführungsbeispiels nicht näher erläutert.
Das Schaltbild eines siebenten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung ist in Fig. 11 gezeigt. Eine weitere P-leitende Zone P-, ist auf der zweiten Schicht η des PNPN-Schalters 11 vorgesehen, so daß die P-leitenden Zonen P? und P^, ztvei Kollektoren bilden. Der Kollektor und der Emitter des Transistors 13 sind jeweils mit dem Steueranschluß und der Kathode des PNPN-Schalters 11 verbunden. Die Basis des Transistors ist an die P,-leitende Zone über die Pegel-Schiebe-Diode l4 angeschlossen. Ein Widerstand 12 liegt zwischen der Steuerelektrode G und der Kathode K. Eine Diode 29 liegt so zwischen dem Emitter des Transistors 13 und dem Steueranschluß G des PNPN-Schalters 11, daß der Rückwärtsstrom des PNPN-Schalters 11 fließt. Eine Diode 15 liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 13. Im übrigen sind einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 2.
Bei der so aufgebauten Halbleiter-Schalteinrichtung arbeitet die Diode 29 abhängig vom Vorwärtsstrom des PNPN-Schalters 11 von der Anode A zur Kathode K nicht, wodurch die große Steueranschluß-Empfindlichkeit sowie die hohe dv/dt-Unempfindlichkeit entwickelt werden. Wenn diese
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Halbleiter-Schalteinrichtung bei der Schaltung der Fig. verwendet wird, wird der rückwärts durch den PNPN-Schalter 11 fließende Schwingungsstrom durch die Diode 29 überbrückt, so daß die Schwingungsbedingung vollständig verhindert wird, die sonst durch den durch den Transistor fließenden Rückwärtsstrom verursacht wird. Mit anderen Worten, wenn ein Rückwärtsstrom zeitweise durch den PNPN-Schalter 11 fließt, der bereits gezündet wurde, wird der Transistorabschnitt aus der P,-, n^- und Pp-Schicht des PNPN-Schalters 11 mit einer vergleichsweise langen Speicherzeit leitend gehalten, so daß ein Strom von der Kathode K zur Anode A durch die Diode 29, die P2-Schicht, die ^-Schicht und die P1-SChIcht fließt. Bei diesem Vorgehen fließt im wesentlichen kein Strom in die Diode 15, da der Spannungsabfall des Weges mit der Diode 15, der Basis des Transistors IJ und dessen Kollektor ungefähr doppelt so groß wie derjenige des Weges mit der Diode 29 ist. Dies führt dazu, daß keine Schwingung auftritt, wie dies anhand der Fig. 3 erläutert wurde, so daß ein stabiler Schaltbetrieb möglich ist.
Das Schaltbild eines achten Ausführungsbeispxels der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung ist in Fig. 12 gezeigt. Bei der Halbleiter-Schalteinrichtung der Fig. 11 wird die Kapazität des ^Py Überganges aus der η,-Schicht, insbesondere zwischen der zweiten Schicht n1 und der P^-Schicht des PNPN-Schalters 11 verwendet. Bei der Halbleiter-Schalteinrichtung der Fig. wird ähnlich zur Schaltung der Fig. 6 die Spannung zwischen der Anode A und der Kathode K durch die Diode mit einer vergleichsweise großen Übergangskapazität differenziert, um den Transistor 13 anzusteuern. Die Schaltung der Fig. 12 verwendet ähnlich wie die lchaltung der Fig. β die Diode 22 teilweise als Kondensator. Im
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übrigen sind der Aufbau, der Betrieb und die Wirkungen gleich zur Schaltung der Fig. 11.
Ein neuntes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiter-Schalteinrichtung ist in Fig. 13 gezeigt. Bei der Halbleiter-Schalteinrichtung der Fig.13 sind der Kollektor eines Transistors 23 an die zweite Schicht Ti1 des PNPN-Schalters 11 und der Emitter an die Basis des Transistors 13 angeschlossen. Ein Widerstand liegt zwischen der Basis und dem Emitter des Transistors 23. Weiterhin liegt eine Diode 29 zwischen dem Emitter des Transistors 13 und der zweiten Schicht n^ des PNPN-Schalters 11. Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 13 wird die Spannung zwischen der Anode A und der Kathode K an den Kollektor-Basis-Übergang des Transistors 23 gelegt, während der Ladestrom in diesem Übergang durch den Transistor 23 selbst verstärkt wird, um den Transistor auf transiente Weise anzusteuern, wodurch der Rate-Effekt des PNPN-Schalters 11 verhindert wird. Der Widerstand dient wie die Widerstände 2β, 27 und 28 bei den Fig. 9 und 10 zur Verbesserung der Durchbruchsspannung zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Transistors 23.
Die Erfindung ermöglicht eine Halbleiter-Schalteinrichtung, die trotz hoher Steueranschluß-Empfindlichkeit und großer dv/dt-Unempfindlichkeit ein stabiles Schalten ohne jede ungewöhnlichen Wirkungen, wie z.B. eine Schwingung ermöglicht.
Obwohl die obigen Ausführungsbeispiele sich auf einen Kurzschluß des P„n2-Überganges als dem dritten
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Übergang von der Anode des PNPN-Schalters mittels eines Transistors zum Verhindern des Rate-Effektes beziehen, kann der P1 n..-Übergang als der erste Übergang von der Anode A ebenfalls durch den PNP-Transistor kurzgeschlossen werden, oder es kann eine vollständig komplementäre Schaltung zum oben erwähnten Aufbau mit der gleichen Wirkung verwendet werden. Weiterhin können zwei erfindungsgemäße Halbleiter-Schalteinrichtungen antiparallel geschaltet sein, um einen Zweirichtungsschalter mit der gleichen Wirkung zu erzielen.
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Claims (11)

  1. Ansprüche
    .! Halbleiter-Schalteinrichtung,
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau einschließlich wenigstens drei PN-Übergängen,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Transistor (13) in einem transienten Zustand einen der PN-Übergänge an einem Ende des PNPN-Schalters (11) kurzschließt,
    daß ein mit dem PNPN-Schalter (11) verbundenes Ansteuerglied (23) den Transistor (13) im transienten Zustand ansteuert,
    daß eine Diode (15) zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors (13) liegt,
    daß ein überbrückungsglied (29) einen Rückwärtsstrom zwischen der Anode und der Kathode des PNPN-Schalters (11) durch die Basis und den Kollektor des Transistors (13) verhindert, und
    daß das überbrückungsglied (29) zwischen dem Emitter des Transistors (13) und dem Anoden-Steueranschluß oder dem Kathoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters (11) vorgesehen ist.
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  2. 2. Halbleiter-Schalteinrichtung,
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschieht-PNPN-Aufbau,
    dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
    ein Transistor (13),
    ein Ansteuerglied (z. B.:22), das mit dem PNPN-Schalter (11) zum Ansteuern des Transistors (13) in einem transienten Zustand verbunden ist,
    ein Bauelement (z. B.: 14) mit wenigstens einem PN-Übergang. sowie
    eine Diode (15);
    daß der Kollektor und der Emitter des Transistors (13) so verbunden sind, daß im transienten Zustand einer der PN-übergänge an einem Ende des PNPN-Sehalters (11) kurzgeschlossen ist;
    daß die Basis des Transistors (13) an das Ansteuerglied (z. B.: 22) über das Bauelement (z. B.: 14) mit dem PN-Übergang angeschlossen ist; und
    daß die Diode (15) zwischen dem Emitter des Transistors (13) und dem Ansteuerglied (z. B.: 22) liegt (vgl. Fig. 6).
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  3. 3, Halbleiter-Schalteinrichtung,
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau mit vier PN-übergängen und einer Anoden-Steueranschluß-Zone,
    mit einem Transistor,
    mit zwei Dioden, und
    mit einem Widerstand,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der PNPN-Schalter (11) eine weitere P-leitende Kollektorzone (P-z) in seiner Anoden-Steueranschluß-Zone (n,.) aufweist,
    daß der Widerstand (12) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors (13) liegt,
    daß der Kollektor und der Emitter des Transistors (13) jevH-ls an den Kathoden-Steueransehluß und die Kathode des PNPN-Schalters (11) angeschlossen sind,
    daß die Basis des Transistors (13) über eine (14) der Dioden (14, 15) an die P-leitende Kollektorzone (P,) auf der Anoden-Steueranschluß-Zone (n^) des PNPN-Schalters (11) angeschlossen ist,
    daß die andere Diode (15) zwischen dem Emitter des Transistors (13) und der P-leitenden Kollektorzone (P^) auf der Anoden-Staueranschluß-Zone (P-,) des PNPN-Schalters (11) liegt (Fig. 5). -
    7Q981S/10SS.
    11 2843935
  4. 4. Halbleiter-Schalteinrichtungj
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau mit drei PN-übergangen, einem Anoden-Steueranschlußj einem Kathoden-Steueranschluß und einer Kathode,
    dadurch gekennzeichnet*
    daß vorgesehen sind:
    ein Transistor (13),
    drei Dioden (14, 15, 22), sowie
    ein Widerstand (12);
    daß der Widerstand (12) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors (13) liegt;
    daß der Kollektor und der Emitter des Transistors (13) an den Kathoden-Steueranschluß bzw. die Kathode des PNPN-Schalters (11) angeschlossen sind3
    daß die erste Diode (22) mit einem Ende an den Anoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters (11) entgegengesetzt zur Stromrichtung des Anoden-Steueranschluß-Stromes angeschlossen ist;
    daß die zweite Diode (14) zwischen dem anderen Ende der ersten Diode (22) und der Basis des Transistors (13) in gleicher Richtung wie der in die Basis fließende Strom liegt; und
    7Ö981S/10SS
    264393$
    daß die dritte Diode (15) zwishen dem anderen Ende der ersten Diode (22) und der Kathode des PNPN-Schalters (11) vorgesehen ist (Fig. 6).
  5. 5. Halbleiter-Schalteinrichtung.,.
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau einschließlich drei PN-übergangen, einem Anoden-Steueranschluß, einem Kathoden-Steueranschluß und einer Kathode,
    dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
    ein erster Transistor (13), ein zweiter Transistor (23), ein Widerstand (12), sowie eine Diode (15);
    daß der Widerstand (12) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des ersten Transistors (13) liegt;
    daß der Kollektor und der Emitter des ersten Transistors (13) an den Kathoden-Steueranschluß bzw. die Kathode des PNPN-Schalters (11) angeschlossen sind;
    daß der Kollektor des zweiten Transistors (23) an den Anoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters (11) angeschlossen ist;
    703816/1066
    -Λθ—
    2643931
    daß der Emitter des zweiten Transistors (23) an die Basis des ersten Transistors (13) angeschlossen ist; und
    daß die Basis des zweiten Transistors (23) an die Kathode des PNPN-Schalters (11) über die Diode (15) angeshlossen ist (Fig. 7).
  6. 6. Halbleiter-Schalteinrichtung,
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau einschließlich drei PN-Übergangen, einem Anoden-Steuer ans chluß, einem Kathoden-Steueranschluß und einer Kathode,
    dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
    ein erster Transistor (13), ein zweiter Transistor (24), ein dritter Transistor (25), ein Widerstand (12), sowie eine Diode (15);
    daß der Widerstand 02) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des ersten Transistors (13) liegt;
    daß der Kollektor und der Emitter des ersten Transistors (13) mit dem Kathoden-Steueranschluß bzw. der Kathode des PNPN-Schalters (11) verbunden sind;
    daß der zweite und der dritte Transistor (24,25) in Darlington-Schaltung angeschlossen sind;
    daß die Kollektoren des zweiten und des dritten Transistors (24, 25) in Darlington-Schaltung gemeinsam an den Anoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters (11) angeschlossen sind;
    daß der Emitter des dritten Transistors (25) in Darlington-Schaltung an die Basis des ersten Transistors (13) angeschlossen ist; und
    daß die Basis des zweiten Transistors (24) über die Diode (15) an die Kathode des PNPN-Schalters (11) angeschlossen ist (Fig. 8).
  7. 7. Halbleiter-Schalteinrichtung,
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau einschließlich drei PN-Übergangen, einem Anoden-Steueranschluß, einem Kathoden-iLeueranschluß und einer Kathode,
    dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
    ein erster Transistor (13),
    ein zweiter Transistor (23) s
    zwei Widerstände (12, 26), sowie
    eine Diode (15);
    daß einer (12) der Widerstände (12, 23) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des ersten Transistors (13) liegt;
    daß der Kollektor und der Emitter des ersten Transistors (13) an den Kathoden-Steueranschluß bzw. die Kathode des PNPN-Schalters (11) angeschlossen sind;
    daß der Kollektor des zweiten Transistors (23) an den Anoden-Steueranschluß des PNPN-Schätfcers (11) angeschlossen ist;
    daß der Emitter des zweiten Transistors (23) an die Basis des ersten Transistors (13) angeschlossen ist;
    daß die Basis des zweiten Transistors (23) an die Kathode des PNPN-Schalters (11) über die Diode (15) angeschlossen ist; und
    daß cfer andere Widerstand (26) zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors (23) liegt (Fig. 9)·
  8. 8. Halbleiter-Schalteinrichtungj
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau einschließlich drei PN-Übergangen, einem Anoden-Steueranschluß, einem Kathoden-Steueranschluß und einer Kathode,
    dadurch gekennzeichne t3 daß vorgesehen sind:
    709815/1055
    ein erster Transistor (13),
    ein zweiter Transistor (24),
    ein dritter Transistor (25),
    drei Widerstände (12, 27, 28), sowie
    eine Diode (15);
    daß der erste Widerstand (12) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des ersten Transistors (13) liegt;
    daß der Kollektor und der Emitter des ersten Transistors (13) an den Kathoden-Steueranschluß bzw. die Kathode des PNPN-Schalters (11) angeshlossen sind;
    daß der zweite Transistor (24) und der dritte Transistor (25) in Darlington-Schaltung verbunden sind;
    daß die Kollektoren des zweiten und des dritten Transitors (24, 25) gemeinsam an den Anoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters (11) angeschlossen sind;
    daß der Emitter des dritten Transistors (25) in Darlington-Schaltung an die Basis des ersten Transistors (13) angeschlossen ist;
    daß die Basis des zweiten Transistors (24) über die Diode (15) an die Kathode des PNPN-Schalter (11) angeschlossen ist; und
    daß der zweite bzw. der dritte Widerstand (27, 28) zwischen der Basis nnd dem Emitter des zweiten Transistors (24) bzw. zwischen der Basis und dem Emitter des dritten Transistors (25) liegen (Fig. 10).
  9. 9. Halbleiter-Schalteinrichtung,
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau einschließlich vier PN-übergangen, einem Anoden-Staaeranschluß, einem Kathoden-Steueranschluß und einer Kathode,
    dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
    ein Transistor (13),
    drei Dioden (14, 15 29), sowie
    ein Widerstand (12);
    daß der PNPN-Schalter (11) zusätzlich eine P-leitende Kollektorzone (P,) aufweist, die an die Anoden-Steuer-Anschluß-Zone des PNPN-Schalters (11) angeschlossen ist;
    daß der Widerstand C2) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors (13) liegt;
    daß der Kollektor und der Emitter des Transistors (13) mit dem Kathoden-Steueranschluß bzw. der Kathode des PNPN-Schalters (11) verbunden sind;
    daß die erste Diode (15) zwischen dem Emitter und der Basis des Transistors (13) liegt;
    daß die Basis des Transistors (13) über die zweite Diode (14) mit der zusätzlichen P-leitenden Kollektorzone (P^) verbunden
    7Ö9S1S/19S5
    ist, die an der Anoden-Steueranschluß-Zone des PNPN-Schalters (11) vorgesehen ist; und
    daß die dritte Diode (29) zwischen dem Emitter des Transistors (13) und dem Anoden-Steueranschluß oder dem Kathoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters (11) in der zum Vorwärtsstrom des PNPN-Schalters (11) entgegengesetzten Richtung vorgesehen ist (Pig. 11).
  10. 10. Halbleiter-Schalteinriehtung,
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau einschließlich drei PN-übergangen, einem Anoden-Steueranschluß, einem Kathoden-Steueranschluß und einer Kathode,
    dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind:
    ein Transistor (13), drei Dioden (15, 22, 29), sowie ein Widerstand (12);
    daß der Widerstand (12) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des Transistors (13) liegt;
    daß der Kollektor und der Emitter des Transitors (13) mit dem Kathoden-Steueranschluß bzw. der Kathode des PNPN-Schalters (11) verbunden sind;
    daß die Basis des Transistors (13) an den Anoden-Steueranschluß des PNPN-Shalters (11) über die erste Diode (22)
    2643335
    angeschlossen ist;
    daß die zweite Diode (15) zwischen der Basis und dem
    Emitter des Transistors (13) liegt; und
    daß die dritte Diode (29) zwischen dem Emitter des
    Transistors (13) und dem Anoden-Steueranschluß oder dem Kathoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters (11) in der zum Vorwärtsstrom des PNPN-Schalters (11) entgegengesetzten Richtung vorgesehen ist (Fig. 12).
  11. 11. Halbleiter-Schalteinrichtung,
    mit einem PNPN-Schalter von Ersatz-Vierschicht-PNPN-Aufbau einschließlich drei PN-Übergängen, einem Anoden-Steueranschluß, einem Kathoden-Steueranschluß und einer Kathode,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß vorgesehen sind:
    ein erster Transistor (13),
    ein zweiter Transistor (23),
    zwei Dioden (15» 29), sowie
    zwei Widerstände (12, 26);
    daß der erste Widerstand C2) zwischen dem Kollektor und dem Emitter des ersten Transitors (13) liegt;
    daß der Kollektor und der Emitter des ersten Transistors (13) an den Kathoden-Steueranschluß bzw. die Kathode des
    PNPN-Schalters (.11) angeschlossen sind;
    daß die erste Diode (15) zwischen der Basis und dem Emitter des ersten Transistors (13) liegt;
    daß der Kollektor des zweiten Transistors (23) an den Anoden-Steueranschluß des PNPN-Schalters (11) angeschlossen ist;
    daß der Emitter des zweiten Transistors (23) an die Basis des ersten Transistors (13) angeschlossen ist;
    daß der zweite Widerstand (26) zwischen der Basis und dem Emitter des zweiten Transistors (23) liegt; und
    daß die zweite Diode (29) zwischen dem Emitter des ersten Transistors (13) und dem Anoden-Steueranschluß oder dem Kathoden-SteueranschluÄ des PNPN-Schalters (11) in der zum Vorwärtsstrom des PNPN-Schalters (11) entgegengesetzten Richtung vorgesehen ist (Fig. 13).
    7Ö981S/10SS
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