CN1409406A - 一种大功率可关断半导体器件 - Google Patents
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Abstract
一种带有门控换向晶闸管的内部pnpn层结构和阴极侧第一门极的大功率可关断半导体器件在阳极侧设有另外的第二门极。所述第二门极接触n掺杂基极层并具有第二门极接点。具有旋转对称设计并相对阳极接点同心设置的第二门极引线与所述第二门极接点连接。所述第二门极引线从元件引出并与阳极接点电绝缘。第二门极接点和门极引线的旋转对称设计使第二门极－阳极电路中各元件几何布置所形成的环线电感极大地减少，通过阳极侧的门极允许隔离晶体管中的电荷载流子与器件关断同步地快速减少。双门极的半导体器件因此能够以‘硬’模式来驱动，具有作用在任一个或两个门极上的非常尖锐和高的门脉冲以进行全接通和关断，并可实现工作频率高达传统IGCT频率的两倍。
Description
技术领域
本发明涉及大功率电子装备的技术领域，涉及到一种大功率可关断半导体器件，其包括：半导体基片和绝缘壳体，其中所述半导体基片设置在阴极侧的阴极接点和阳极侧的阳极接点之间；所述半导体基片具有多个不同的掺杂层，多个不同的掺杂层构成了门控换向晶闸管的内部结构，可以通过第一门极来关断。所述不同掺杂层有四层，顺序为：在阳极侧作为外层的p掺杂阳极层，n掺杂基极层，p掺杂基极层，和在阴极侧作为外层的n掺杂阴极层。所述第一门极设置在阴极侧，与所述p掺杂基极层接触，并设有第一门极接点；所述第一门极接点与低感应系数的第一门极引线连接。
背景技术
在大功率电子装备中，近十年来对快速大功率可关断半导体开关的需求已经导致集成门控换向晶体管(Integrated Gate-CommutatedTransistor(IGCT))脱颖而出。由于门极单元以低电感连接到门极-阴极电路，IGCT不需要复杂的外部保护“缓冲”电路就可工作。没有缓冲电路免除了缓冲电路的时间常数和损耗，可形成快速开关时间。
美国专利5,345,096介绍了这种没有缓冲电路的器件(IGCT或硬驱动的门极可关断晶闸管(GTO))，这种器件带有低感应系数的内部设计，可以“硬模式”来驱动，即以非常尖锐和高的门脉冲进行连通和关断。
但是不设置缓冲电路也导致了大量增加的半导体关断的开关损耗。这些关断损耗与器件其他损耗即导电损耗一起，限制了器件的载流和/或频率能力。
通常使用的减少动态损耗的技术主要是进行寿命控制，即通过杂质的扩展或扩散来控制，可以有效地减少关断损失，但以增加导电损耗为代价。这些损耗的起因是隔离晶体管的基极存在很高的载流子浓度。试图用上述技术来减少这些电荷造成能够利用的导电电荷很少，因此只是在导电和开关之间重新分配了损耗而不是绝对地减少了损耗。这样的损耗交换造成需要进行特定用途元件设计，致使各个设计只对于一种用途有最少的损耗。
寿命控制影响到电压上升时间、电流下降时间和关断时的尾电流。在缺少缓冲电路的情况下，减少这三个产生损耗的因素将导致大功率电子转换器中的dv/dt和di/dt增加，可能带来涉及到载荷(马达)应力和电磁干扰的负面结果。由上升和下降时间导致的损耗可以认为是有利的，因为能够减轻上述涉及的结果，而尾电流损耗则完全不希望存在。
最有效的方式是在进行关断时主动消除隔离晶体管基极上的电荷，如同对传统的二极晶体管(三极npn和pnp器件)采用的方式。在如GTO这样的四层器件情况下，美国专利4,977,438提出了连接到隔离晶体管基极的另外的门极。
Tsuneo Ogura等人在1993年的“IEEE Transactions on ElectronDevice”学报的Vol.40 No.3期上的“高频6000伏双门极可关断晶闸管(High-Frequecy 6000V Double Gates GTOs)”文章中提出一种重大改进，这种技术允许带有缓冲电路的器件，如GTO，在带有克服dv/dt限制的并联电容的情况下工作。
在阳极侧的另外的门电极用于在关断之前降低隔离晶体管中的很高的等离子密度，因此进一步增加了30到50微秒的延迟。所导致的可高达80微秒的延迟时间使器件对于实际的大功率电子转换的反应过慢。通过双门极可关断晶闸管所实现的损耗减少基本上被缓冲电路产生的损耗所抵消，而且双门极可关断晶闸管的频率能力是由缓冲电路损耗和缓冲电路时间常数来决定，而不是由半导体的开关损耗来决定。这使得整体上优越性很小。双门极可关断晶闸管的另一个缺点是，为了实现最佳的连通或关断，对触发门极脉冲的与电流相关的精确定时有要求。
所有上面介绍的半导体器件设计成具有低增益pnp阳极晶体管以有助于关断。这种设计特征导致比传统的晶闸管有更高的导电损耗。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种大功率可关断半导体器件，具有本文开始时提到的类型，具有最大的损耗减少并且延迟时间没有增加或增加非常少。
本目的的实现是通过一种大功率可关断半导体器件，其包括：半导体基片和绝缘壳体，其中所述半导体基片设置在阴极侧的阴极接点和阳极侧的阳极接点之间。半导体基片具有多个不同的掺杂层，所述多个不同的掺杂层构成了门控换向晶闸管的内部结构，可以通过第一门极来关断。所述不同掺杂层有四层，顺序为：在阳极侧作为外层的p掺杂阳极层、n掺杂基极层、p掺杂基极层和在阴极侧作为外层的n掺杂阴极层。所述第一门极设置在阴极侧，与所述p掺杂基极层接触，并设有第一门极接点；所述第一门极接点与低感应系数的第一门极引线连接。
实现这个目的主要是通过设置第二门极，第二门极设置在阳极侧，与所述n掺杂基极层接触，并设有第二门极接点并最好在大电流的情况下具有旋转对称设计，和设置了可与所述第二门极接点接触的低感应系数的第二门极引线，所述第二门极引线在大电流的情况下最好与阳极接点同心设置，可从元件中引出，及与阳极接点电绝缘。
在大电流的情况下，第二门极接点和门极引线的旋转对称设计造成第二门极-阳极电路中各元件的几何布置形成的回线电感有相当大的减少，因此使n基极电荷有快速和均匀的减少。所发明的双门极半导体器件因此可以“硬”模式驱动，就像上面提到的单门极无缓冲可关断器件一样，以非常尖锐和高的门脉冲作用在任一个或两个门极上进行开通和关断。
由于可硬驱动和设置阳极侧第二门极，无须寿命控制技术就可以去除传统的IGCTs的尾电流关断损耗元件，并带来约为30到70％的相当低的无缓冲关断损耗。
缺少了与强(高增益)阳极结构相结合的寿命控制可减少的导电损耗达20到50％。还允许在关断时有低值的正dv/dt和负di/dt，这可减少设备一级上的滤波要求。
同时减少开关和导电损耗允许可关断半导体器件在比现在电压更高的电压下工作，即10KV而不是目前的6KV。
另外设置的第二门极可用于减少漏电电流达大约50％或者在更高的温度下工作。还可允许串联而无须静态共用电阻。
通过上述综合的优点实现的增强‘热量预算’，对于给定的速率允许有高100％的操作频率。
不同于传统的双门极GTOs，所发明的器件通过在关断时控制一个门极的门极电流允许对阳极电压调节，因此可以控制或吸收在二极管或双门极元件的电流突然阶跃时出现的电压峰值。
本发明的器件还无需复杂的定时模式和无需了解器件导通电流而允许同步地触发两个门极来接近最佳地开通和关断。
附属权项中限定了另外的实施例。
附图说明
通过下面详细的介绍并结合附图进行考虑对本发明有更多的了解时，就能够对本发明和本发明的各种优点有全面的领会。其中：
图1是示意性地显示了根据本发明的半导体器件的截面图，其带有阴极侧的第一门极和阳极侧的第二门极；
图2显示了图1中半导体器件的符号；
图3显示了图1半导体器件的等效电路；
图4是显示图1半导体器件的示例性实施例的截面图，其包括环状第一门极接点、从绝缘壳体和阴极接点之间引出的环状第一门极引线、环状第二门极接点和从绝缘壳体和阳极接点之间引出的环状第二门极引线；
图5显示了图4的半导体器件，其带有带状导体形式的门极-阴极电路的供电导体和带有带状导体形式的门极-阳极电路的供电导体；
图6是显示位于迭成四层的半导体器件中的图5的半导体器件的视图，其带有阴极侧门极单元和阳极侧门极单元；
图7显示了图1的半导体器件的另一个示例性实施例，其包括环状第一门极接点、从绝缘壳体侧向引出的环状第一门极引线、环状第二门极接点和从绝缘壳体侧向引出的环状第二门极引线；
图8是显示图1半导体器件的关断特性的曲线图，带有同步开关的第一和第二门极，在第二门极上没有主动提取电荷；
图9和10是显示图1半导体器件的关断特性的曲线图，带有同步开关的第一和第二门极，第二门极上有主动提取电荷；
图11是图1半导体器件当两个门极同步开关时和第二门极先触发时的关断特性的曲线图，半导体器件具有不同的IGCT扩散标准；
图12是传统的低通态IGCT和图1半导体器件的关断特性的曲线图，这些器件具有类似的低通态和硅厚度。
具体实施方式
参考附图，在所有附图中相同标记代表相同的或对应的元件。图1示意性地和部分地显示了根据本发明的半导体器件。
本发明的半导体器件，在下面的介绍中称作集成双门极晶体管(IGDT)，具有集成门控换向晶闸管(IGCT)的基本内部结构，本半导体器件可用于上述IGCT。
IGDT的半导体基底1由位于阳极侧阳极3和阴极侧阴极4之间的四个不同的掺杂层构成。
在阳极侧的外p掺杂阳极层11；
内n掺杂基极层12，除了普通的n掺杂层，还包括接近阳极层11的有更多掺杂的缓冲层；
内p掺杂基极层(13)，和
在阴极侧的外n掺杂阴极层14。
与IGCT一样，IGDT有在内p掺杂基极层13上的第一门极G1的阴极侧电极6。
然而作为额外的特征，IGDT在内n掺杂基极层上(实际上在n缓冲层上)设有第二门极G2的电极5。
外层11和14通过台式结构与门极分开，如图1、4、5和7示意性的显示。
为了增加绝缘强度，第一和第二门极电极6和5用薄绝缘层覆盖，如图1所示。
图2显示了IGDT所用的符号，IGDT设有四个电极，一个阳极A，一个阴极K和两个门极G1和G2。如图2中箭头表示的带有极性的阳极-阴极间电压VAK、第一和第二门极电压VGK和VGA、阳极电流IA、第一和第二门极电流IG1和IG2将在介绍中涉及到，图中的状态对应于IGDT的关断或隔离状态。在这些条件下，假定电压是最大值，电流是最小或泄漏值。在此状态下的门极电压反向偏压图3中的两个晶体管的基-发射结，因此被认作负值并使电流也是负值。
图3显示了IGDT的等效电路，IGDT带有两个门极、阳极侧pnp晶体管和阴极侧npn晶体管。IGDT在阳极侧有很强的(高增益)的pnp晶体管，可导致导电损耗减少。
对于壳体，半导体器件具有从“压装(press pack)”壳体已经了解的许多特点，而压装壳体已经引入此技术中，壳体中心部分是一叠不同的板，在示例性的实施例中，这些板可以是圆片。压力施加到成叠圆片的两侧。叠片本身以这种方式而为人所知。
如图4所示的第一示例性实施例，叠片包括位于中间的半导体基片1，基片通常用硅来制造，并包括元件中的有源器件。
要增加绝缘强度，在半导体基片上进行了边缘钝化。半导体基片1在阴极侧与片状阴极接点41接触，在阳极侧与同样片状的阳极接点31接触。阳极接点和阴极接点一般都是由铜制成。阴极连接K通过阴极接点41实现，阳极连接A通过阳极接点31实现。为了提高热循环的能力，可以在半导体基片1和接点41和31之间设置钼片，可调节硅和铜之间热膨胀系数的差别。在这个连接中，半导体基片可通过材料连接与一个钼片相连接，或只是通过加压来固定在两个片之间(所谓的‘自由浮动硅片’技术)。
这些片的叠片同心地设置在环状绝缘壳体2中，壳体最好由陶瓷制成，并可以在爬电距离之外设置圆周向凹槽。绝缘壳体一般在两端设置凸缘(未显示)，其通常设计成片状金属环并通过金属/陶瓷接头连接到壳体的陶瓷上。通过金属连接(钎焊、焊接或类似方法)连接到凸缘的是第一和第二盖71和72，盖也是环形的由金属片制成。
在阴极侧，第一盖71通过金属连接与相近的第一凸缘连接。但是，其内缘并不延伸到阴极接点41，而是停止在绝缘环21处，绝缘环最好由陶瓷制成并同心地围绕阴极接点41设置。绝缘环本身然后通过片状金属制成的又一个连接环(未显示)连接到阴极接点。阴极接点41、连接环、绝缘环21、第一盖71和第一凸缘因此形成在壳体阴极侧形成密封端(气密)。绝缘环21将第一盖71与阴极接点41电绝缘。这样就提供了将第一盖71用于阴极侧第一门极G1的门极连接的可能性。为此，半导体基片1设计成可以通过环形第一门极接点61来接近第一门电极6，第一门极接点既同心地围绕阴极接点又如图4所示通过在外环形阴极接点和内片状阴极触点之间的绝缘材料以绝缘方式嵌入。第一门极接点61通过同样的环形第一门极引线以电传导的方式连接到第一盖71。第一门极引线62最好用片状金属制造，并设计成可尽可能接近阴极接点41，并在此点(例如通过冷焊)牢固地连接到第一盖71的内侧。
在阳极侧，第二门极G2的电极5同样地通过第二门极接点51和第二门极引线52连接到第二盖72。
图5显示出如果壳体的边即盖71和72设计成可以进行钎焊，元件可以在两侧直接连接到具有非常低感应系数的带状导体8和9。这个技术已经用于IGCT。这种带状导体8和9包括足够厚的绝缘片(印制电路板)80和90，最好是聚酰亚胺制成，在两侧设置了最好是铜的金属81或82，以及91和92。
在阴极侧，带状导体9覆盖元件阴极侧的整个表面，并且还要位于阴极接点41和如图6所示叠片中另一器件的阳极接点之间。为了避免在阴极接点41区域难于设置绝缘片90，将绝缘片和第二金属92从这个区域去除。通过这种方式，只是第一(上)金属91位于阴极接点41的顶部并用作阴极连接K。第二(下)金属92通过钎焊以电传导的方式连接到第一盖71并用作第一门极连接G。
在阳极侧，带状导体8同样覆盖元件的表面。
图6显示了在串联了四个IGDT的压力叠装片中的IGDT在带状导体8和9上带有两个门极单元GU1和GU2。。
图7显示了本发明半导体器件的另一个示例性实施例。第一和第二门极引线62和61通过绝缘壳体2从元件侧面引出。双层带状导体还可以连接到阴极、阳极和第一及第二门极接点，如同前述示例性实施例。
从IGCT可以知道，位于壳体内部的门极引线的重新设计和使用带状导体使得元件和相连的门极单元之间可以进行非常低感应系数的连接，得到的结果是，现在以非常低的电路复杂性实现“硬”驱动。
对额定值为4.5和5.5kV的IGDT器件进行了多种测试，并与标准4.5kV的IGCT进行了比较。这些测试结果在图8到12中显示。上面的图显示了作为时间函数的阳极-阴极电压VAK和阳极电流IA，而下图显示了作为时间函数的IGDT的功率和能量。
进行测试的IGDT器件通过带有负压VGK的第一门极单元GU1反向偏压门极-阴极来关断。关断时，第二门极单元GU2有输出电压VGA，在这些测试中输出电压是不定向的，即0≤VGA＜20V，因此反向偏压门极-阴极结点。在第一门极G1关断前的时间Δt，第二门极单元GU2连通。通过这种方式，在通过第一门极单元GU1关断整个器件之前去除了阳极侧pn结中的电荷载流子。图8显示了用0伏G2电压同步(Δt＝0秒)关断的第一和第二门极G1和G2进行关断的带有2kVDC的4.5kV对称IGDT。在这个实验中，门极单元只是短路pnp晶体管，但没有主动提取n-基极电荷。阳极电流从2.2变化到3kA。图9显示了与图6相同测试的结果，但其中VGA＝20V。阳极电流再次从2.2变化到3kA。阳极门极单元现在能够消除尾电流，将关断损耗从在3kA时的21W减少到8.3W。改进了60％。
在图8和9中测试的同一器件接着测试图10中显示的3.3kA/2.8kV(VGA＝20V，Δt＝0)。所有的关断损耗在电压上升和电流下降阶段产生，尾电流损耗已经明显地消除。测得的器件产生损耗为13.5W。
在图11中，两个不同扩散标准的额定值为4.5kV的IGCT(图11中的1，2)的关断波形与Δt＝0秒同步关断(见图11中3)和Δt＝1.5微秒时预先触发(见图11中的4)的5.5kV IGDT的波形进行比较。尽管5.5kV器件具有厚了20％的n基极，仍可进行比较的原因在于，作为对称结构的器件，与两个对称结构的IGCT中的一个有类似的通态电压(对于5.5kV双门极和一个4.5kV IGCT在IA＝4kA，Tj＝125℃时分别为2.55和2.61V)。另外，在同步触发双门极的情况下，还具有类似的关断损耗(大约为10W)。提前1.5微秒触发双门极器件可减少Eoff大约30％，使其只有7W。进一步预触发是不可行的，因为阳极电流的下降要比线性下降快的多，到达零位时引起阶跃，导致高峰值电压(大约为5.5kV)。重复图11的实验，30％的损耗改善可使所用的较厚硅片有效地产生44％的改进。阳极电流从2.8kA下降到2.4kA，预触发进步到2微秒，整个电压也达到了5.5kV。这导致了36％的损耗减少(或修正为49％)。
图12显示传统的低通态IGCT和具有类似低通态和硅片厚度的IGDT的关断特性的曲线图。
图8到12显示对称设计可实现非常低通态的器件。通过预触发可有效地减少关断损耗，其中，
较厚硅片：图12(18％的改进)对比图11(30％的改进)
低电流：(2.8kA，30％的改进)对比(2.4kA，36％的改进)
可以使用最大的预触发且没有阶跃。
图11显示出以相同的通态电压(2.55≈2.61V，在4kA/125℃的条件下)能够得到较高电压的器件(5.5对比4.5kV)，同时在2.8kVDC的条件下还实现了30％的损耗减少。
寿命控制(通过扩散)影响无缓冲电路关断过程的所有三个阶段：
阶段1-恒定电流升高电压
阶段2-恒定(大约)电压电流下降
阶段3-恒定(大约)电压出现尾电流
在关断期间和之前对阳极pnp晶体管进行去饱和的效果已经显示可以完全去除第三阶段尾电流损耗。进一步加大预触发也对阶段2的恒定电压电流下降有作用，可使阳极电流快速下降，超电压峰值产生，最终可以超过器件的隔离能力。
预触发受到阶跃作用的限制。薄的硅片和大电流使阶跃更加严重，显示这种技术在较高的电压和对应的低电流时具有最大的益处。
使用阳极-门极可消除传统IGCT的尾电流。在这个方面，要比寿命控制更加有效，因寿命控制只是减少尾电流损耗而增加导电损耗。阳极-门极控制还可以提供减少上升和下降时间的可能(现在这已成为主要的开关损耗)。
对称结构可极大地减少损耗并可实现比传统IGCT的透明发射极得到的通态还要低的通态。
标记列表
1 半导体基片
11、12、13、14 掺杂层
2 色缘壳体
21 绝缘环
3 阳极电极
31 阳极接点
4 阴极电极
41 阴极接点
5、6 门极电极
51、61 门极接点
52、62 门极引线
71、72 盖
8、9 片状导体，印制电路板
80、90 色缘片
81、82、91、92 金属
A 阳极
G1，G2 门极
GU1，GU2 门极单元
IA，IK，IG1，IG2 电流
K 阴极
VAK，VGK，VGA 电压
Claims (6)
1.一种大功率可关断半导体器件，包括：
半导体基片(1)；和
绝缘壳体(2)，其中所述半导体基片(1)设置在阴极侧的阴极接点(41)和阳极侧的阳极接点(31)之间；
所述半导体基片(1)具有多个不同的掺杂层(11到14)，所述多个不同的掺杂层(11到14)构成了门控换向晶闸管的内部结构，可以通过第一门极(5)来关断；所述不同掺杂层有四层，顺序为：
在阳极侧作为外层的p掺杂阳极层(11)，
n掺杂基极层(12)，
p掺杂基极层(13)，和
在阴极侧作为外层的n掺杂阴极层(14)，
所述第一门极(5)设置在阴极侧，与所述p掺杂基极层(13)接触，并设有第一门极接点(51)；和
所述第一门极接点(51)与低感应系数的第一门极引线(52)连接；
其特征在于：
第二门极(6)设置在所述阳极侧，与所述n掺杂基极层(12)接触，并设有第二门极接点(61)，和
所述第二门极接点(61)与低感应系数的第二门极引线(62)连接。
2.根据权利要求1所述的大功率可关断半导体器件，其特征在于，所述半导体基片(1)、所述阴极和阳极接点(41，31)是圆片状；
所述绝缘壳体(2)设计成环状；
所述半导体基片(1)同心地设置在所述阴极接点(41)和所述阳极接点(31)之间；
可以向所述阴极接点(41)和阳极接点(31)施加压力；
所述阴极接点(41)通过第一盖(71)连接到所述绝缘壳体的一端，所述阳极接点(31)通过第二盖(72)连接到所述绝缘壳体的另一端，形成了密封元件；
所述第一门极接点(51)设计成旋转对称；
所述第一门极引线(52)设计成旋转对称，设置成与所述阴极接点(41)同心，从元件引出并与所述阴极接点(41)电绝缘；
所述第二门极接点(61)设计成旋转对称；
所述第二门极引线(62)设计成旋转对称，设置成与所述阳极接点(31)同心，从元件引出并与所述阳极接点(31)电绝缘。
3.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，
所述第一门极接点和所述第一门极引线设计成环状，所述第一门极引线从所述元件的所述阴极接点和绝缘壳体之间引出；
所述第一门极引线将所述第一门极直接连接到所述第一盖；
所述第一盖通过设置同心环绕所述阴极接点的绝缘环与所述阴极接点电绝缘；和/或
所述第二门极接点和所述第二门极引线设计成环状，所述第二门极引线从所述元件的所述阳极接点和绝缘壳体之间引出；
所述第二门极引线将所述第二门极直接连接到所述第二盖；
所述第二盖通过设置同心环绕所述阳极接点的绝缘环与所述阳极接点电绝缘。
4.根据权利要求3所述的半导体器件，其特征在于，
为了提供第一门极连接和阴极连接，设置了第一条形导体，所述条形导体包括在两个侧面上设置了第一和第二金属的绝缘片；
所述第一条形导体在所述元件的阴极侧形成，所述第二金属面对所述元件；
所述第一金属直接接触所述阴极接点并形成所述阴极连接，所述绝缘片和第二金属已从所述第一条形导体上所述阴极接头的区域去除；
所述第二金属直接电连接到所述第一盖并形成第一门极连接；
为了提供第二门极连接和阳极连接，设置了第二条形导体，所述条形导体包括在两个侧面上设置了第一和第二金属的绝缘片；
所述第二条形导体在所述元件的阳极侧形成，所述第二金属面对所述元件；
所述第一金属直接接触所述阳极接点并形成所述阳极连接，所述绝缘片和第二金属已从所述第二条形导体上所述阳极接头的区域去除；
所述第二金属直接电连接所述第二盖并形成第二门极连接。
5.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，所述绝缘壳体(2)分成上壳体部分、中间壳体部分和下壳体部分，所述第一门极引线在所述上和中间壳体部分之间从所述元件引出，所述第二门极引线在所述中间和下壳体部分之间从所述元件引出。
6.根据权利要求2所述的半导体器件，其特征在于，
所述阴极接点分成内阴极接触片和以一定距离同心围绕所述阴极接触片的外阴极接触环；
所述第一门极接点以绝缘的方式设置在所述阴极接触片和所述阴极接触环之间；
所述第一门极引线以绝缘的方式在所述阴极接触片和所述阴极接触环之间从所述元件引出；和/或
所述阳极接点分成内阳极接触片和以一定距离同心围绕所述阳极接触片的外阳极接触环；
所述第二门极接点以绝缘的方式设置在所述阳极接触片和所述阳极接触环之间；
所述第二门极引线以绝缘的方式在所述阳极接触片和所述阳极接触环之间从所述元件引出。
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100349370C (zh) * | 2005-03-10 | 2007-11-14 | 冶金自动化研究设计院 | 紧凑型集成门极换向晶闸管功率相模块 |
| CN100426523C (zh) * | 2006-10-20 | 2008-10-15 | 株洲南车时代电气股份有限公司 | 直列插入式半导体器件 |
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Families Citing this family (3)
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Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61208873A (ja) * | 1985-03-13 | 1986-09-17 | Res Dev Corp Of Japan | 圧接構造型両面ゲ−ト静電誘導サイリスタ |
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| JP2755761B2 (ja) * | 1990-01-26 | 1998-05-25 | 株式会社東芝 | 半導体装置 |
| DE4227063A1 (de) * | 1992-08-15 | 1994-02-17 | Abb Research Ltd | Abschaltbares Hochleistungs-Halbleiterbauelement |
| WO1997037403A1 (de) * | 1996-03-28 | 1997-10-09 | Oce Printing Systems Gmbh | Anordnung zweier voneinander lösbarer flachleitungen und anschlussanordnung für den anschluss einer flachleitung |
-
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Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100349370C (zh) * | 2005-03-10 | 2007-11-14 | 冶金自动化研究设计院 | 紧凑型集成门极换向晶闸管功率相模块 |
| CN100426523C (zh) * | 2006-10-20 | 2008-10-15 | 株洲南车时代电气股份有限公司 | 直列插入式半导体器件 |
| CN106537578A (zh) * | 2014-04-10 | 2017-03-22 | Abb 瑞士股份有限公司 | 具有栅环的改进定中心和固定的关断功率半导体装置及其制造方法 |
| CN106537578B (zh) * | 2014-04-10 | 2019-02-15 | Abb 瑞士股份有限公司 | 具有栅环的改进定中心和固定的关断功率半导体装置及其制造方法 |
| CN109427709A (zh) * | 2017-09-01 | 2019-03-05 | 清华大学 | 电气器件以及电气装置 |
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| CN109686783A (zh) * | 2018-12-27 | 2019-04-26 | 清华大学 | 一种具有反向通流功能的器件 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |