Ein Mikrocontroller hängt sich nach einer Entladung an der Gehäusekante auf, wird warm und kommt erst wieder zu sich, wenn du die Versorgung kurz abziehst. Ein Thyristor im Dimmer zündet, obwohl niemand ihn angesteuert hat, nur weil beim Einschalten eine steile Spannungsflanke kam. Beides hat dieselbe Ursache: den Thyristoreffekt. Vier abwechselnd dotierte Halbleiterschichten können sich in einen Zustand bringen, in dem sie sich selbst leitend halten. Beim Thyristor ist das erwünscht, in einem CMOS-Chip ist es ein gefürchteter Fehler. In diesem Artikel siehst du, wie dieses Einrasten zustande kommt und was es auslöst.
Vier Schichten, zwei Transistoren
Die Schichtfolge p-n-p-n eines Thyristors lässt sich gedanklich zerlegen. Die oberen drei Schichten p-n-p bilden einen PNP-Transistor T1, die unteren drei n-p-n einen NPN-Transistor T2. Die beiden mittleren Schichten gehören zu beiden Transistoren gleichzeitig: Die n-Schicht ist Basis von T1 und zugleich Kollektor von T2, die innere p-Schicht ist Kollektor von T1 und zugleich Basis von T2.
Daraus ergibt sich die bekannte Ersatzschaltung aus zwei Bipolartransistoren: Der Kollektor jedes Transistors speist die Basis des anderen. Die Anode ist der Emitter von T1, die Kathode der Emitter von T2, und das Gate führt auf die Basis von T2. Du kannst diese Schaltung mit einem PNP-Transistor und einem NPN-Transistor sogar diskret aufbauen und erhältst einen funktionierenden, wenn auch empfindlichen Thyristor.
Mitkopplung: wie das Einrasten entsteht
Solange beide Transistoren sperren, fließen nur winzige Leckströme. Jetzt speist ein Gate-Strom IG die Basis von T2. T2 beginnt zu leiten, sein Kollektorstrom IC2 fließt aus der Basis von T1. Damit leitet auch T1, und dessen Kollektorstrom IC1 fließt zusätzlich in die Basis von T2. T2 leitet noch stärker – der Kreis schließt sich. Diese positive Rückkopplung, die Mitkopplung, treibt beide Transistoren in Mikrosekunden in die Sättigung. Danach braucht es den Gate-Strom nicht mehr: Jeder Transistor bekommt seinen Basisstrom vom anderen.
Ob die Rückkopplung ausreicht, beschreiben die Stromverstärkungen in Basisschaltung α1 und α2. Sie geben an, welcher Anteil des Emitterstroms als Kollektorstrom ankommt, und liegen zwischen 0 und knapp 1. Stellst du die Ströme der Ersatzschaltung zusammen, ergibt sich für den Anodenstrom:
Dabei ist ICB0 die Summe der Sperrströme beider Kollektorübergänge. Solange α1 + α2 deutlich kleiner als 1 ist, bleibt der Anodenstrom klein – das ist der Blockierzustand. Nähert sich die Summe 1, wird der Nenner null, und der Strom wächst ohne Grenze, bis ihn nur noch der äußere Stromkreis begrenzt.
Das Entscheidende: Bei Siliziumtransistoren sind die α-Werte bei sehr kleinen Strömen gering und steigen mit dem Strom. Der Thyristor ist so gebaut, dass im Ruhezustand α1 + α2 weit unter 1 liegt, bei einigen Milliampere aber über 1 steigt. Jeder Anstoß, der den Strom über diese Schwelle hebt, zündet ihn.
Unterschreitet der Anodenstrom den Haltestrom, sinken die α-Werte, die Summe fällt unter 1, und die Mitkopplung bricht zusammen. Deshalb lässt sich ein gewöhnlicher Thyristor nur über seinen Laststrom löschen. Wie man das in der Praxis macht, steht unter Thyristortriode: zünden und löschen.
Was den Thyristoreffekt auslöst
Der Gate-Strom ist nur einer von mehreren Wegen, die Mitkopplung anzustoßen. Alle anderen sind beim Thyristor unerwünscht oder werden von Sonderformen gezielt genutzt:
| Auslöser | was passiert | wo erwünscht, wo gefürchtet |
|---|---|---|
| Gate-Strom | Basisstrom für T2 | normale Zündung von Thyristor und Triac |
| Kippspannung UB0 | der sperrende mittlere Übergang J2 bricht durch, der Durchbruchstrom zündet | gewollt bei Vierschichtdiode und Diac |
| Spannungssteilheit du/dt | die Sperrschichtkapazität von J2 lädt sich um, der Ladestrom wirkt wie ein Gate-Strom | Störzündung in Dimmern und Motorsteuerungen |
| Temperatur | Sperrströme verdoppeln sich etwa alle 10 K und erhöhen die α-Werte | Zündung ohne Ansteuerung bei Überhitzung |
| Licht | Photonen erzeugen Ladungsträger im Inneren | lichtgezündete Thyristoren in HGÜ-Anlagen |
| Störstrom in einer Halbleiterstruktur | Strom in ein Substrat aktiviert parasitäre Transistoren | Latch-up in CMOS-Chips |
Die Temperaturabhängigkeit der Sperrströme hat dieselbe Ursache wie bei allen Siliziumbauteilen, siehe Temperaturverhalten von Halbleitern. Wie Licht Ladungsträger freisetzt, erklärt Optoelektronik.
Zündung durch du/dt
Der mittlere Übergang J2 sperrt und wirkt wie ein kleiner Kondensator. Steigt die Spannung zwischen Anode und Kathode schnell an, fließt ein Verschiebungsstrom, genau wie beim Laden eines Kondensators:
Dieser Strom fließt in die innere p-Schicht – also dorthin, wo sonst der Gate-Strom eingespeist wird. Ist er groß genug, zündet der Thyristor ohne Ansteuerung. Das Datenblatt nennt deshalb eine kritische Spannungssteilheit (du/dt)cr, die nicht überschritten werden darf.
Gegenmittel sind ein niederohmiger Widerstand zwischen Gate und Kathode, ein RC-Glied (Snubber) parallel zum Thyristor, das die Flanke abflacht, und die Wahl eines weniger empfindlichen Typs. Hersteller bauen außerdem kleine Kurzschlüsse zwischen Kathodenschicht und innerer p-Schicht ein, die sogenannten Emitterkurzschlüsse. Sie leiten kleine Ströme an J3 vorbei und machen den Thyristor robuster gegen du/dt und Temperatur, aber auch unempfindlicher am Gate.
Latch-up: der Thyristoreffekt als Fehler
In jedem CMOS-Chip liegen p- und n-Gebiete dicht nebeneinander: der n-Kanal-Transistor in einem p-Substrat, der p-Kanal-Transistor in einer n-Wanne. Zwischen der Versorgung und der Masse entsteht dabei ungewollt genau die Schichtfolge p-n-p-n – ein parasitärer Thyristor. Normalerweise sperrt er. Treibt aber ein Strom über die Schutzdioden eines Pins ins Substrat, etwa weil ein Eingang über die Versorgungsspannung gezogen wird oder eine elektrostatische Entladung einschlägt, kann er zünden. Dann fließt ein großer Strom von der Versorgung nach Masse. Der Chip wird heiß, reagiert nicht mehr und überlebt das oft nur, wenn der Strom begrenzt ist.
Typisch für Latch-up: Ein Ausschalten der Signale hilft nicht, nur das Abschalten der Versorgung. Datenblätter nennen deshalb einen zulässigen Injektionsstrom an den Pins, häufig ±100 mA nach dem Latch-up-Test JESD78 – im Normalbetrieb solltest du aber weit darunter bleiben. Auch der IGBT enthält eine Vierschichtstruktur; dort sorgt die Konstruktion dafür, dass sie nicht einrastet, solange du die Grenzwerte einhältst.
Praxistipps
- Gate nie offen lassen: Ein offenes Gate fängt Störungen ein. Ein Widerstand von Gate nach Kathode leitet Leck- und Verschiebungsströme ab.
- Snubber über dem Thyristor: Typisch sind 47 bis 100 Ω in Reihe mit 47 bis 100 nF, ausgelegt für die Netzspannung. Das RC-Glied begrenzt die Spannungssteilheit, siehe RC-Glied.
- Kühl halten: Je heißer die Sperrschicht, desto kleiner der Abstand zur ungewollten Zündung. Datenblattwerte für du/dt gelten oft bei der höchsten Sperrschichttemperatur und sind dort am kleinsten.
- Latch-up vorbeugen: Signale nie vor der Versorgung anlegen, Eingänge mit Serienwiderständen schützen, ESD-Schutz an Steckverbindern vorsehen.
Selbsttest
Aus welchen beiden Transistoren besteht das Ersatzschaltbild eines Thyristors, und wie sind sie verbunden?
Aus einem PNP-Transistor (Emitter an der Anode) und einem NPN-Transistor (Emitter an der Kathode); der Kollektor jedes Transistors speist die Basis des anderen.
Wann zündet ein Thyristor nach dem Zwei-Transistor-Modell?
Sobald die Summe der Stromverstärkungen in Basisschaltung α1 + α2 den Wert 1 erreicht. Dann trägt sich die Mitkopplung selbst.
Warum sperrt der Thyristor wieder, wenn der Anodenstrom unter den Haltestrom fällt?
Bei kleinem Strom sinken die α-Werte, ihre Summe fällt unter 1, und die Mitkopplung bricht zusammen.
Ein Thyristor hat eine wirksame J2-Kapazität von 15 pF. Welcher Verschiebungsstrom fließt bei 100 V/µs?
i = 15 pF · 100 V/µs = 1,5 mA – genug, um einen empfindlichen Thyristor zu zünden.
Was ist Latch-up, und wie beendest du ihn?
Das ungewollte Zünden der parasitären Vierschichtstruktur in einem CMOS-Chip, wodurch ein großer Strom von der Versorgung nach Masse fließt. Er endet erst, wenn du die Versorgung abschaltest.