DE10254617A1

DE10254617A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE10254617A1
Application number: DE10254617A
Authority: DE
Inventors: Kazunori Taguchi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2003-10-30
Anticipated expiration: 2022-11-23
Also published as: JP4125908B2; DE10254617B4; JP2003289138A; US6707144B2; US20030183841A1

Abstract

Eine Halbleitervorrichtung weist ein Halbleiterelement, das in einem Keramikzylinder (4) als isoliertes Behältnis untergebracht ist, sowie mehrere Gateanschlüsse (17) auf. Mehrere Durchgangsöffnungen (12) sind in dem Keramikzylinder (4) ausgebildet. Mit den Gateanschlüssen (17) verbundene Leitungen (13a, 13b) erstrecken sich durch die jeweiligen Durchgangsöffnungen (12) hindurch. Die Leitungen (13a, 13b) sind mit inneren Gateanschlüssen (Elektroden) (13x, 13y) verbunden. Jeder innere Gateanschluß (13x, 13y) ist für eine jeweilige Leitung (13a, 13b) vorgesehen und mit einer Gateelektrode (6) des Halbleiterelements (3) elektrisch verbunden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Halbleitervorrichtung, die ein in einem isolierten Behältnis untergebrachtes Halbleiterelement sowie externe Anschlüsse zum Steuern der Potentiale von Elektroden des Halbleiterelements aufweist, und im spezielleren auf eine gatekommutierte Halbleitervorrichtung, bei der ein Hauptstrom beim Abschalten derselben kommutiert wird.
Es ist ein GCT-Thyristor (wobei GCT für Gate Commuted Turn-Off steht) bzw. ein gatekommutierter Abschalt-Thyristor in einer Halbleitervorrichtung als gatekommutiertes Abschalt-Halbleiterelement verfügbar, das in der Lage ist, den gesamten Hauptstrom beim Abschalten auf die Gateseite zu kommutieren. Im allgemeinen ist der GCT-Thyristor mit einer Gate-Treibereinheit verbunden, bei der es sich um eine Schaltung zum Ansteuern des Gates desselben mittels Drähten handelt, um diese als GCT-Einheit zu verwenden.
In den Fig. 8A und 8B ist eine Konstruktion eines herkömmlichen GCT-Thyristors dargestellt. Der GCT-Thyristor, wie er in den Zeichnungen dargestellt ist, ist derart konfiguriert, daß ein Halbleitersubstrat 3 unter Zwischenschaltung von Pufferelementen 5 mit Leitfähigkeit zwischen einer Anodenanschlußelektrode 1 und einer Kathodenanschlußelektrode 2 angeordnet ist.
Das sandwichartig zwischen der Anodenanschlußelektrode 1 und der Kathodenanschlußelektrode 2 angeordnete Halbleitersubstrat 3 ist in einem isolierenden Keramikzylinder 4 untergebracht. Ein Flansch 16 und eine Kathodenabdeckung 18 sind in den jeweiligen Öffnungen des Keramikzylinders 4 angeordnet. Die Kathodenabdeckung 18 dient als Element zum Verbinden einer Kathodenanschlußbasis einer Gatetreibereinheit-Platte mit der Kathodenelektrode des GCT-Thyristors.
Auf dem Halbleitersubstrat 3 ist ein Halbleiterelement ausgebildet, das eine Gateelektrode aufweist und durch ein Gatesignal gesteuert wird, das an die Gateelektrode angelegt wird, um den gesamten Hauptstrom beim Abschalten desselben auf die Gateseite zu kommutieren.
Fig. 9 zeigt eine Ansicht eines Ringgates 31a und einer Leitung 31b des herkömmlichen GCT-Thyristors. Ein Gatesignal wird dem Halbleitersubstrat 3 von außen her durch das Ringgate 31a und die Zuleitung 31b zugeführt. Der herkömmliche GCT-Thyristor weist eine in dem Keramikzylinder 4 ausgebildete Durchgangsöffnung auf, durch die die Leitung 31b auf die Außenseite des Zylinders 4 geführt ist.
Wenn bei dem GCT-Thyristor eine Induktivität einer Verdrahtung, die den GCT- Thyristor mit der Gatetreibereinheit verbindet, hoch ist, könnte aufgrund der lokalen Wärme, die innerhalb des Halbleitersubstrats erzeugt wird, eine rasche Kommutierung beim Abschalten behindert und ein Durchbruch verursacht werden. In einem solchen Fall entstehen Probleme dahingehend, daß der Steuerstrom steigt und ein mit hoher Geschwindigkeit erfolgender Schaltvorgang vermindert wird.
Für die in Fig. 9 gezeigte Konstruktion ist es ausreichend, mehrere Leitungen vorzusehen, um eine Verdrahtungsinduktivität zu reduzieren. Durch einfaches Anbringen von mehreren Leitungen 31b an einem Ringgate 31a würden die mehreren Leitungen jedoch eine Behinderung beim Unterbringen des Ringgates 31a in dem Keramikzylinder 4 bei dem Montagevorgang darstellen.
Eine Konstruktion, wie sie in Fig. 10 gezeigt ist, ist als ein Beispiel eines GCT- Thyristors ins Auge gefaßt worden, die zum Reduzieren einer Verdrahtungsinduktivität in der Lage ist. Der in der Zeichnung dargestellte GCT-Thyristor verwendet einen Gatering 8, wie er in Fig. 11 gezeigt ist, der eine Vielzahl von Gateanschlüssen aufweist, die in einem radialen Muster um das Zentrum eines Halbleiterelements herum ausgebildet sind.
Eine derartige Konfiguration ermöglicht eine Reduzierung der Induktivität sowie eine starke Erhöhung der Anstiegsrate (diGQ/dt) eines Gate-Sperrstroms beim Abschalten, so daß eine rasche Kommutierung beim Abschalten ermöglicht wird. Auf diese Weise lassen sich eine Erhöhung eines Steuerstroms sowie ein Schaltvorgang mit hoher Geschwindigkeit erzielen.
In Fig. 10 ist eine Anodenrippe 10 an der Außenseite der Anodenanschlußelektrode 1 angeordnet, und eine Kathodenrippe 11 ist an der Außenseite der Kathodenabdeckung 18 angeordnet. Diese sind durch eine unter Kraftausübung erfolgende Druckbeaufschlagung miteinander gekoppelt. Ein Gatering 8 ist sandwichartig zwischen zwei separaten Keramikzylindern 4a und 4b angeordnet und durch Silber-Löten an diesen Zylindern 4a und 4b fest angebracht, so daß er derart abgestützt ist, daß eine Isolierung zwischen dem Gate und der Kathode sichergestellt ist.
Ferner ist der Gatering 8 durch Crimpen unter Verwendung eines elastischen Elements 7, wie zum Beispiel einer Feder, mit einem Ringgate 6 verbunden, bei dem es sich um eine Gateelektrode handelt. Bei der Verfahrensweise im Stand der Technik wird die Induktivität in der vorstehend beschriebenen Konstruktion reduziert.
Die Verwendung von zwei separaten Keramikzylindern 4a und 4b, wie diese vorstehend beschrieben worden ist, führt jedoch zu einer Komplexität bei der Bearbeitung des Keramikmaterials sowie zu einer Erhöhung der Anzahl von Komponenten, so daß es wiederum schwierig wird, die Genauigkeit der Komponenten aufrecht zu erhalten und dadurch wiederum höhere Kosten der Komponenten verursacht werden.
Die vorliegende Erfindung sucht die vorstehend genannten Probleme zu überwinden, und ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer Halbleitervorrichtung, die ein in einem isolierten Behältnis untergebrachtes Halbleiterelement sowie externe Anschlüsse zum Steuern der Potentiale von Elektroden des Halbleiterelements aufweist, wobei die Halbleitervorrichtung in der Lage ist, den Steuerstrom zu erhöhen und einen Schaltvorgang mit hoher Geschwindigkeit zu erzielen, wobei sich gleichzeitig die Kosten für die Komponenten der Halbleitervorrichtung reduzieren lassen.
Erreicht wird dieses Ziel mit einer Halbleitervorrichtung, wie sie im Anspruch 1 angegeben ist.
Eine solche Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung beinhaltet ein Halbleiterelement mit einer Gatelektrode, zu der ein Hauptstrom kommutiert wird, wenn das Halbleiterelement abschaltet, wobei das Halbleiterelement in einem isolierten Behältnis untergebracht ist. Die gatekommutierte Halbleitervorrichtung besitzt mehrere äußere Anschlüsse, die mit der Gateelektrode des Halbleiterelements gekoppelt sind, mehrere Durchgangsöffnungen, die in dem isolierten Behältnis ausgebildet sind, sowie mehrere Leitungen, die sich durch die jeweiligen Durchgangsöffnungen hindurch erstrecken und mit ihren jeweiligen äußeren Anschlüssen verbunden sind. Jede Leitung hat ihren eigenen Anschluß (Elektrode) zur elektrischen Verbindung mit der Gateelektrode. Die Leitungen sind mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet.
Bei einer solchen Halbleitervorrichtung sind mehrere äußere Anschlüsse mit der Gateelektrode verbunden, und auf diese Weise läßt sich eine Verdrahtungsimpedanz reduzieren. Auf diese Weise lassen sich eine Erhöhung des Steuerstroms sowie ein Schaltvorgang mit hoher Geschwindigkeit erzielen. Ferner entsteht keine Notwendigkeit für eine komplexe Bearbeitung des isolierten Behältnisses, und die damit verbundene Anzahl von Bestandteilen nimmt ab, so daß sich eine Reduzierung der Herstellungskosten erzielen läßt.
Bei der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung kann der Anschluß der Leitung eine scheibenförmige Formgebung aufweisen, wobei die Anschlüsse der Leitungen zur Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleiterelements dann vorzugsweise stapelartig angeordnet sein können. Durch Verwendung derartiger Anschlüsse zum Erzielen einer elektrischen Verbindung mit dem Halbleiterelement läßt sich eine effektive Elektrodenfläche zum Zuführen eines Gatesignals von dem zentralen Bereich des Halbleiterelements in ausreichender Weise sicherstellen.
Bei der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung kann der Anschluß der Leitung ringförmig ausgebildet sein, wobei die Anschlüsse der Leitungen zur Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleiterelements dann vorzugsweise stapelartig angeordnet sein können. Bei derartiger Verwendung der Anschlüsse zum Erzielen einer elektrischen Verbindung mit dem Halbleiterelement ist die Zufuhr eines Gatesignals von dem Randbereich des Halbleiterelements her möglich.
Bei der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung kann der Anschluß der Leitung ferner deltaförmig bzw. sektorförmig ausgebildet sein, wobei die Anschlüsse der Leitungen zur Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleiterelements dann vorzugsweise nebeneinander angeordnet sein können. Durch eine derartige Verwendung der nebeneinander angeordneten Anschlüsse wird ein Gatesignal in nahezu gleichmäßiger Weise an die Gateelektrode geliefert, und dadurch läßt sich ein effizienterer Kommutierungsvorgang realisieren als in dem Fall, in dem die Anschlüsse im Gebrauch stapelartig angeordnet sind.
Bei der vorstehend erläuterten Halbleitervorrichtung kann der Anschluß der Leitung in etwa U-förmig ausgebildet sein, wobei die Anschlüsse der Leitungen zur Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleiterelements dann vorzugsweise nebeneinander angeordnet werden können. Durch derartige Verwendung der nebeneinander angeordneten Anschlüsse läßt sich ein Gatesignal in nahezu gleichmäßiger Weise an die Gateelektrode liefern, wenn das Gatesignal von dem Randbereich des Halbleiterelements zugeführt wird, so daß sich ein effizienterer Kommutierungsvorgang realisieren läßt als in dem Fall, in dem die Anschlüsse im Gebrauch stapelartig angeordnet sind.
Bei der genannten Halbleitervorrichtung können einige der Anschlüsse der Leitungen scheibenförmig ausgebildet sein, während die anderen Anschlüsse derselben ringförmig ausgebildet sein können. Die Anschlüsse mit der Scheibenform können in der Nähe eines zentralen Bereichs der Gateelektrode des Halbleiterelements stapelartig angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sein, und die Anschlüsse mit der Ringform können in einem Randbereich der Gateelektrode des Halbleiterelements stapelartig angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sein.
Die Leitungen der Anschlüsse mit Ringform und die Leitungen der Anschlüsse mit Scheibenform können jeweils mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sein. Bei einer solchen Konfiguration kann die Zufuhr eines Gatesignals auf zwei Weisen von dem zentralen Bereich und dem Randbereich des Halbleiterelements erfolgen, und somit lassen sich ein gleichmäßigerer Kommutierungsvorgang sowie eine Halbleitervorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit erzielen.
Ferner können bei der vorstehenden Halbleitervorrichtung einige der Anschlüsse der Leitungen deltaförmig bzw. sektorförmig ausgebildet sein, während die anderen Anschlüsse ringförmig ausgebildet sein können. Die Anschlüsse mit Sektorform können in der Nähe eines zentralen Bereichs der Gateelektrode des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sein, und die Anschlüsse mit Ringform können in einem Randbereich der Gateelektrode des Halbleiterelements stapelartig angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sein.
Die Leitungen der nebeneinander angeordneten Anschlüsse können mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sein, und auch die Leitungen der stapelartig angeordneten Anschlüsse können mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sein. Mit einer solchen Konfiguration kann die Zufuhr eines Gatesignals auf zwei Weisen von dem zentralen Bereich und dem Randbereich des Halbleiterelements erfolgen; das Gatesignal wird somit dem Halbleiterelement in dem zentralen Bereich desselben in gleichmäßigerer Weise zugeführt, so daß sich eine Halbleitervorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit erzielen läßt.
Weiterhin können bei der vorstehenden Halbleitervorrichtung einige der Anschlüsse der Leitungen scheibenförmig ausgebildet sein, während die anderen Anschlüsse derselben in etwa U-förmig ausgebildet sein können. Die Anschlüsse mit Scheibenform können in der Nähe eines zentralen Bereichs der Gateelektrode des Halbleiterelements stapelartig angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sein.
Die in etwa U-förmigen Anschlüsse können in einem Randbereich der Gateelektrode des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet sowie mit der Gateelektrode verbunden sein. Die Leitungen der nebeneinander angeordneten Anschlüsse können mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sein, und auch die Leitungen der stapelartig angeordneten Anschlüsse können mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sein.
Mit einer derartigen Konfiguration kann eine Zufuhr eines Gatesignals auf zwei Weisen von dem zentralen Bereich und dem Randbereich des Halbleiterelements erfolgen; das Gatesignal wird somit dem Halbleiterelement in dem Randbereich in gleichmäßigerer Weise zugeführt, so daß sich eine Halbleitervorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit erzielen läßt.
Ferner können bei der vorstehenden Halbleitervorrichtung einige der Anschlüsse der Leitungen sektorförmig ausgebildet sein, während die anderen Anschlüsse in etwa U-förmig ausgebildet sein können. Die Anschlüsse mit Sektorform können in der Nähe eines zentralen Bereichs der Gateelektrode des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sein, und die in etwa U-förmigen Anschlüsse können in einem Randbereich der Gateelektrode des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sein.
Die Leitungen der nebeneinander angeordneten Anschlüsse können mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sein. Mit einer derartigen Konfiguration kann eine Zufuhr eines Gatesignals in zwei Weisen von dem zentralen Bereich und dem Randbereich des Halbleiterelements erfolgen; das Gatesignal wird somit dem Halbleiterelement in dem zentralen Bereich und dem Randbereich in gleichmäßigerer Weise zugeführt, so daß sich ein Halbleiterelement mit hoher Zuverlässigkeit realisieren läßt.
Bei der vorstehend beschriebenen Halbleitervorrichtung kann ein flexibler Bereich an einem Verbindungsbereich zwischen der Leitung und dem Anschluß vorgesehen sein. Auf diese Weise werden bei einem Temperaturanstieg erzeugte Wärmespannungen absorbiert, so daß sich eine Halbleitervorrichtung mit hoher Zuverlässigkeit bilden läßt.
Die Leitung kann einen flachen Bereich aufweisen, und auf diese Weise läßt sich die Oberfläche vergrößern und die Verdrahtungsinduktivität einer Anschlußleitung läßt sich vermindern.
Vorzugsweise kann eine nicht blanke Plattierung an einem Anschluß einer Anschlußleitung vorgesehen werden. Dadurch läßt sich eine Reduzierung des Kontaktwiderstands zwischen den Elektroden von Gateanschlußleitungen realisieren.
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand der zeichnerischen Darstellung mehrerer Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1A eine Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung (GCT-Element) gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 1B eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung in Fig. 1;
Fig. 2A, 2B und 2C Ansichten zur Erläuterung von Gateleitungen und Anschlüssen oder Elektroden der Halbleitervorrichtung;
Fig. 3A eine Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung (GCT-Element) gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3B eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung in Fig. 3A;
Fig. 4A, 4B und 4C Ansichten zur Erläuterung von Gateleitungen und Anschlüssen oder Elektroden der Halbleitervorrichtung;
Fig. 5 eine Ansicht zur Erläuterung einer Gateleitung, die einen Biegungsbereich gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel aufweist;
Fig. 6 eine Ansicht zur Erläuterung einer Gateleitung, die einen flach ausgebildeten Bereich gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel aufweist;
Fig. 7A eine Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung (GCT-Element) gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7B eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung in Fig. 7A;
Fig. 8A eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung (GCT-Element);
Fig. 8B eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung in Fig. 8A;
Fig. 9 eine Ansicht zur Erläuterung einer herkömmlichen Gateleitung sowie einer Elektrode der herkömmlichen Halbleitervorrichtung;
Fig. 10A eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen Halbleitervorrichtung (GCT-Element);
Fig. 10B eine Draufsicht auf die herkömmliche Halbleitervorrichtung in Fig. 10A; und
Fig. 11 eine Ansicht zur Erläuterung einer herkömmlichen Gateelektrode.
Es folgt nun eine ausführliche Beschreibung von Ausführungsbeispielen einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen. Bei einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie nachfolgend beschrieben wird, handelt es sich um ein gatekommutiertes Abschalt-Halbleiterelement (GCT-Element), das in der Lage ist, den gesamten Hauptstrom beim Abschalten des Halbleiterelements auf eine Gateseite zu kommutieren. Die Halbleitervorrichtung ist durch Verdrahtung mit einer Gatetreibereinheit verbunden, bei der es sich um eine Schaltung zum Ansteuern eines Gates der Vorrichtung handelt, und ist ferner in Form einer einzigen Einheit integriert ausgebildet, die als GCT-Einheit zu verwenden ist.

Erstes Ausführungsbeispiel

Die Fig. 1A und 1B zeigen eine Halbleitervorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 1A zeigt dabei eine Schnittdarstellung der Halbleitervorrichtung, und Fig. 1B zeigt eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung. Die Halbleitervorrichtung dieses Ausführungsbeispiels weist zwei Gateanschlüsse (externe Anschlüsse) 17 auf.
Die Halbleitervorrichtung besitzt eine Konstruktion, bei der ein Halbleitersubstrat 3 zwischen einer Anodenanschlußelektrode 1 und einer Kathodenanschlußelektrode 2 angeordnet ist, und zwar unter Zwischenschaltung von Pufferelementen 5, die aus leitfähigem Material, beispielsweise Wolfram, hergestellt sind. Das Halbleitersubstrat 3 ist zusammen mit der Anodenanschlußelektrode 1 und der Kathodenanschlußelektrode 2 in einem Keramikzylinder 4 untergebracht, bei dem es sich um eine isoliertes Behältnis handelt.
Ein Flansch 16 und eine Kathodenabdeckung 18 sind an den jeweiligen Öffnungen des Keramikzylinders 4 angeordnet. Diese sind beide durch unter Kraftausübung erfolgende Druckbeaufschlagung mit dem Keramikzylinder 4 gekoppelt, und zwar zusammen mit der Anodenanschlußelektrode 1 und der Kathodenanschlußelektrode 2.
Das Halbleitersubstrat 3 weist eine Anodenelektrode, eine Kathodenelektrode und eine Gateelektrode auf. Auf dem Substrat 3 ist ein Halbleiterelement ausgebildet, das mit einem an die Gateelektrode angelegten Gatesignal gesteuert werden kann und beim Abschalten desselben den gesamten Hauptstrom auf die Gateseite kommutieren kann.
Entsprechend der Anzahl der Gateanschlüsse sind zwei Durchgangsöffnungen in dem Keramikzylinder 4 ausgebildet, und Gaterohre 12a und 12b sind in die jeweiligen Durchgangsöffnungen eingesetzt. Die Gaterohre 12a und 12b werden zusammen mit anderen Metallkomponenten durch Silber-Löten fixiert. In die Rohre 12a und 12b sind Gateleitungen 13a und 13b zum Übertragen von Gatesignalen von den jeweiligen Gateanschlüssen zu der Gateelektrode des Halbleitersubstrats 3 eingesetzt. Die einen Enden der jeweiligen Gateleitungen 13a und 13b sind mit den Gateanschlüssen 17 gekoppelt.
Die Gateleitungen 13a und 13b sind an ihren anderen Enden, die den mit den Gateanschlüssen 17 verbundenen Enden entgegengesetzt sind, durch Silber- Löten mit jeweiligen inneren Gateanschlüssen 13x und 13y verbunden, bei denen es sich um scheibenförmige, dünne Plattenelektroden handelt. Die inneren Gateanschlüsse 13x und 13y können anstatt durch Silber-Löten auch durch unter Kraftausübung erfolgende Druckbeaufschlagung mit den Gateleitungen 13a und 13b verbunden werden. Die Gateleitungen sind vorzugsweise flexibel.
Die in Fig. 1 gezeigte Halbleitervorrichtung besitzt eine Konstruktion, bei der die Gateverdrahtung aus dem zentralen Bereich des Halbleitersubstrats 3 herausgeführt wird. Aus diesem Grund ist eine Gateelektrode 6 derart angeordnet, daß sie mit dem zentralen Bereich (der Gateelektrode) des Halbleitersubstrats 3 elektrisch verbunden ist. Die inneren Gateanschlüsse 13x und 13y der Gateleitungen 13a und 13b sind stapelartig angeordnet und werden durch ein elastisches Elements 7, wie zum Beispiel eine Feder, in Berührung mit der Gateelektrode 6 gedrückt.
Dadurch wird eine elektrische Verbindung zwischen der Gateelektrode des Halbleitersubstrats 3 und den Gateleitungen 13a und 13b hergestellt. Es ist darauf hinzuweisen, daß dann, wenn N (N ≥ 2) Gateanschlüsse vorgesehen werden sollen, N scheibenförmige Elektroden aufeinandergestapelt sind. Dabei werden die Gateleitungen vorzugsweise mit gleicher Beabstandung angeordnet.
Die Halbleitervorrichtung mit der vorstehend beschriebenen Konfiguration weist mehrere Gateleitungen auf, die entsprechend den Gateanschlüssen vorgesehen sind, und somit läßt sich bei dieser Halbleitervorrichtung eine Verdrahtungsinduktivität in dem Gatebereich reduzieren, so daß somit ein Schaltvorgang mit hoher Geschwindigkeit realisiert werden kann.
Ferner sind die Durchgangsöffnungen in dem Keramikzylinder 4 vorgesehen und erstrecken sich die Gateleitungen 13a und 13b durch die Öffnungen hindurch, so daß keine Notwendigkeit besteht, den Keramikzylinder zu teilen, und als Folge hiervon lassen sich Probleme in Verbindung mit einer Erhöhung der Anzahl von Komponenten sowie Komplexität bei der Bearbeitung eliminieren.
Bei einer Halbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die inneren Gateanschlüsse 13x und 13y der Gateleitungen 13a und 13b an jeweiligen, den Gatanschlüssen entsprechenden Leitungen vorgesehen. Bei einem Herstellungsvorgang zum Herstellen der Halbleitervorrichtung können somit die Leitungen individuell in dem Behältnis untergebracht werden.
Selbst in einem Fall, in dem viele unterzubringende Gateleitungen erforderlich sind, wenn eine Vielzahl von Gateanschlüssen vorhanden ist, läßt sich jede Gateleitung somit in einfacher Weise in dem Behältnis unterbringen.
Fig. 2B zeigt eine weitere Formgebung eines inneren Gateanschlusses dieses Ausführungsbeispiels. Da bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Gateanschlüsse 17 vorhanden sind, erhält man die andere Formgebung durch Teilen einer Scheibe, wie sie in Fig. 2A gezeigt ist, in Hälften, so daß Halbkreise gebildet sind. In diesem Fall sind innere Gateanschlüsse 13p und 13q derart nebeneinander angeordnet, daß diese Anschlüsse 13p und 13q in Kombination einen scheibenförmigen Anschluß bilden, woraufhin die Gateelektrode 6 über den nebeneinander angeordneten Anschlüssen 13p und 13q angeordnet wird, um eine elektrische Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleitersubstrats 3 zu erzielen.
Es ist somit nicht notwendig, die beiden Elektroden aufeinander zu stapeln, und Gatesignale von den Leitungen 13a und 13b werden der Gateelektrode 6 im wesentlichen gleichmäßig zugeführt, so daß ein Kommutierungsvorgang in effizienter Weise als im Fall der Fig. 2A realisiert werden kann.
Es ist darauf hinzuweisen, daß in einem Fall, in dem N (N ≥ 2) Gateanschlüsse vorgesehen sind, eine Formgebung des inneren Gateanschlusses vorzugsweise eine Formgebung sein kann, die man durch gleichmäßiges Teilen einer scheibenförmigen Elektrode, wie sie in Fig. 2A gezeigt ist, in N Stücke erhält, von denen jedes die gleiche Formgebung aufweist, wie dies in den Fig. 2B und 2C gezeigt ist (wobei letztere Formgebung als "deltaförmig" bzw. "sektorförmig" bezeichnet wird). Die Gateleitungen sind vorzugsweise mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet.
Durch Anordnen der Gateelektrode an dem zentralen Bereich des Halbleitersubstrats, wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, läßt sich eine effektive Elektrodenfläche in dem Halbleitersubstrat besser sicherstellen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Die Fig. 3A und 3B zeigen eine Konstruktion einer Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt Fig. 3A eine Schnittdarstellung der Halbleitervorrichtung, und Fig. 3B zeigt eine Draufsicht auf diese. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Konstruktion zum Herausführen der Gateverdrahtung von dem Randbereich des Halbleitersubstrats 3 vorhanden.
Wie in Fig. 3A gezeigt, ist die Gateelektrode 6 in der Halbleitervorrichtung mit dem Randbereich des Halbleitersubstrats 3 verbunden. Die Gateelektrode 6 ist ringförmig. Innere Gateanschlüsse 14x und 14y, bei denen es sich um Elektroden der Gateleitungen 14a und 14b handelt, sind durch das elastische Element 7 in Berührung mit der Gateelektrode 6 gedrückt.
Die inneren Gateanschlüsse 14x und 14y der Gateleitungen 14a und 14b sind jeweils ringförmig ausgebildet, wie dies in Fig. 4A gezeigt ist. Die übrigen Teile der Konstruktion sind mit den entsprechenden Teilen des ersten Ausführungsbeispiels identisch.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Gateverdrahtung von dem Randbereich des Halbleitersubstrats nach außen geführt werden. Indem die Gateverdrahung in derartiger Weise von dem Randbereich nach außen geführt wird, können die Längen der Leitungen 14a und 14b kürzer sein, so daß sich die Verdrahtungsinduktivität vermindert.
Fig. 4B zeigt eine weitere Formgebung eines inneren Gateanschlusses bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Wie in der Zeichnung zu sehen ist, können die inneren Gateanschlüsse 14p und 14q in etwa U-förmig ausgebildet sein, wobei man diese Formgebung durch Teilen des ringförmigen inneren Gateanschlusses 14x oder 14y in Hälften erhält.
In dem vorliegenden Fall werden die inneren Gateanschlüsse 14p und 14q nebeneinander angeordnet, um in Kombination einen Anschlußring zu bilden, und die Gateelektrode 6 wird darauf angeordnet, um eine elektrische Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleitersubstrats 3 zu erzielen. Da keine Notwendigkeit besteht, Elektroden wie im Fall der Fig. 4A aufeinander zu stapeln, werden Gatesignale von den Leitungen 14a und 14b der Gateelektrode im wesentlichen gleichmäßig zugeführt, so daß sich ein effizienterer Kommutierungsvorgang ergibt.
Insbesondere ist dies dann effizienter, wenn die Anzahl der Leitungen zunimmt. Es ist zu erkennen, daß bei Vorhandensein von N (N ≥ 2) Gateanschlüssen eine Formgebung des inneren Gateanschlusses verwendet werden kann, die in etwa U-förmig ist, wie dies in Fig. 4B und 4C gezeigt ist, wobei man diese Formgebung durch gleichmäßiges Teilen eines Anschlußrings, wie er in Fig. 4A gezeigt ist, in N Stücke mit jeweils gleicher Formgebung erhält.

Drittes Ausführungsbeispiel

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Formgebung einer Gateleitung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Biegungsbereich 19 an einem Verbindungsbereich zwischen der Gateleitung 13a, 13b, . . . und dem entsprechenden inneren Gateanschluß 13p, 13q, . . . vorgesehen. Dies verleiht der Leitung 13a, 13b. . . Flexibilität und ermöglicht ihr ein Aufnehmen von Wärmespannungen, die während eines Temperaturanstiegs aufgrund eines durch den Gatebereich fließenden Stroms erzeugt werden, so daß sich ein Halbleiterelement mit hoher Zuverlässigkeit erzielen läßt.
In dem Fall, in dem die Gateelektrode an dem zentralen Bereich eines Halbleitersubstrats angeordnet ist, werden die Leitungen unweigerlich länger und leicht auf eine hohe Temperatur erhitzt, und aufgrund von zyklischen Temperaturbelastungen könnte es sonst zu Metallermüdung kommen. Die in Fig. 5 gezeigt Konstruktion ist in einem derartigen Fall besonders wirksam.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 6 zeigt eine weitere bevorzugte Formgebung einer Gateleitung. Eine Leitung gemäß diesem Ausführungsbeispiel, wie es in der Zeichnung gezeigt ist, weist zumindest in einem Teil einen flach ausgebildeten Bereich 21 auf. Durch Vorsehen des flach ausgebildeten Bereichs in einer derartigen Weise nimmt die Oberflächengröße zu, und Verdrahtungsinduktivität von Gateleitungen läßt sich stärker vermindern.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Fig. 7 zeigt eine Konstruktion einer Halbleitervorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Eine Halbleitervorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist in der Lage, ein Gatesignal sowohl zu dem zentralen Bereich als auch zum Randbereich der Halbleitervorrichtung 3 zu schicken.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel wird bei der Halbleitervorrichtung die bei dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigte Elektrodenkonstruktion in dem zentralen Bereich des Halbleitersubstrats 3 verwendet, und die in dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigte Elektrodenstruktur wird in dem Randbereich des Halbleiterelements 3 verwendet.
Die in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen gezeigten Elektrodenstrukturen können in verschiedenartigen Kombinationen als Elektrodenstruktur in dem zentralen Bereich und dem Randbereich des Halbleitersubstrats 3 verwendet werden.
Wenn ein Kommutierungssignal von Gateanschlüssen empfangen wird, würde ein von der Gateelektrode weit beabstandeter Bereich lokal Wärme erzeugen, so daß es unter dem Einfluß eines Hauptstroms zu einem Durchbruch kommt. Gemäß der Konstruktion des vorliegenden Ausführungsbeispiels kann ein Gatesignal (Kommutierungssignal) sowohl von dem zentralen Bereich als auch von dem Randbereich des Halbleitersubstrats zugeführt werden, und auf diese Weise läßt sich ein gleichmäßigerer Kommutierungsvorgang ausführen. Dadurch wird ein GCT-Element geschaffen, das in der Lage ist, einen hohen Strom zu verarbeiten sowie mit hoher Zuverlässigkeit zu arbeiten.
Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann eine nicht blanke (weiche) Plattierung auf die inneren Gateanschlüsse 13x, 13y, 13p, 13q, 14x, 14y, 14p und 14q der Gateleitungen aufgebracht sein. Auf diese Weise kann der Kontaktwiderstand zwischen den inneren Gateanschlüssen vermindert werden. Ferner sind die Leitungen, die mit entsprechenden inneren Gateanschlüssen verbunden sind, vorzugsweise mit gleicher Beabstandung voneinander in dem zentralen Bereich und dem Randbereich des Halbleitersubstrats 3 angeordnet.
Bei einer Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können mehrere externe Anschlüsse, die mit der Gateelektrode eines Halbleiterelements verbunden sind, vorgesehen werden, um dadurch die Verdrahtungsinduktivität zu reduzieren, einen Steuerstrom zu erhöhen und einen Schaltvorgang mit hoher Geschwindigkeit zu erzielen. Ferner besteht keine Notwendigkeit, eine komplexe Bearbeitung an dem isolierten Behältnis auszuführen, die Anzahl der Bestandteile läßt sich reduzieren, und dadurch läßt sich wiederum eine Reduzierung der Herstellungskosten erreichen. Bezugszeichenliste 1 Anodenanschlußelektrode
2 Kathodenanschlußelektrode
3 Halbleitersubstrat
4 Keramikzylinder
5 Pufferelemente
6 Gateelektrode
7 elastisches Element
12 Durchgangsöffnungen
12a, 12b Gaterohre
13a, 13b, 14a, 14b Gateleitungen
13x, 13y, 13p, 13q innere Gateanschlüsse
14x, 14y, 14p, 14q
16 Flansch
17 äußere Gateanschlüsse
18 Kathodenabdeckung
19 Biegungsbereich
21 flach ausgebildeter Bereich

Claims

1. Gatekommutierte Halbleitervorrichtung, die ein Halbleiterelement (3) mit einer Gateelektrode (6) aufweist, zu der ein Hauptstrom kommutiert wird, wenn das Halbleiterelement abschaltet, wobei das Halbleiterelement in einem isolierten Behältnis (4) untergebracht ist, gekennzeichnet durch:
mehrere äußere Anschlüsse (17), die mit der Gateelektrode (6) des Halbleiterelements (3) gekoppelt sind;
mehrere Durchgangsöffnungen (2), die in dem isolierten Behältnis (4) ausgebildet sind, und durch
mehrere Leitungen (13a, 13b, 14a, 14b), die sich durch die jeweiligen Durchgangsöffnungen (12) hindurch erstrecken und mit ihren jeweiligen äußeren Anschlüssen (17) verbunden sind, wobei jede Leitung ihren eigenen Anschluß (13x, 13y, 14x, 14y) zur elektrischen Verbindung mit der Gateelektrode (6) aufweist, und wobei die Leitungen mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sind.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (13x, 13y) der Leitung eine scheibenförmige Formgebung aufweist und die Anschlüsse der Leitungen zur Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleiterelements (3) stapelartig angeordnet sind.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (14x, 14y) der Leitung eine ringförmige Formgebung aufweist und die Anschlüsse der Leitungen zur Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleiterelements stapelartig angeordnet sind.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (13p, 13q) der Leitung eine sektorförmige Formgebung aufweist und die Anschlüsse der Leitungen zur Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet sind.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß (14p, 14q) der Leitung in etwa U-förmig ausgebildet ist und die Anschlüsse der Leitungen zur Verbindung mit der Gateelektrode des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet sind.

6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß einige der Anschlüsse (13x, 13y) der Leitungen scheibenförmig ausgebildet sind und die anderen Anschlüsse (14x, 14y) derselben ringförmig ausgebildet sind,
daß die Anschlüsse (13x, 13y) mit Scheibenform in der Nähe eines zentralen Bereichs der Gateelektrode (6) des Halbleiterelements stapelartig angeordnet und mit der Gateelektrode (6) verbunden sind und die Anschlüsse (14x, 14y) mit Ringform in einem Randbereich der Gateelektrode (6) des Halbleiterelements stapelartig angeordnet und mit der Gateelektrode (6) verbunden sind, und
daß die Leitungen (14a, 14b) der Anschlüsse (14x, 14y) mit Ringform sowie die Leitungen (13a, 13b) der Anschlüsse (13x, 13y) mit Scheibenform jeweils mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sind.

7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß einige der Anschlüsse (13p, 13q) der Leitungen sektorförmig ausgebildet sind und die anderen Anschlüsse (13x, 13y) derselben ringförmig ausgebildet sind,
daß die Anschlüsse (13p, 13q) mit Sektorform in der Nähe eines zentralen Bereichs der Gateelektrode (6) des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet sind und mit der Gateelektrode verbunden sind und die Anschlüsse (14x, 14y) mit Ringform in einem Randbereich der Gateelektrode (6) des Halbleiterelements stapelartig angeordnet und mit der Gateelektrode (6) verbunden sind,
daß die Leitungen (13a, 13b) der nebeneinander angeordneten Anschlüsse (13p, 13q) mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sind, und daß die Leitungen (14a, 14b) der gestapelten Anschlüsse (14x, 14y) mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sind.

8. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß einige der Anschlüsse (13x, 13y) der Leitungen scheibenförmig ausgebildet sind und die anderen Anschlüsse (14p, 14q) derselben in etwa U-förmig ausgebildet sind,
daß die Anschlüsse (13x, 13y) mit Scheibenform in der Nähe eines zentralen Bereichs der Gateelektrode (6) des Halbleiterelements stapelartig angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sind und die in etwa U-förmigen Anschlüsse (14p, 14q) in einem Randbereich der Gateelektrode (6) des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sind, und
daß die Leitungen (14a, 14b) der nebeneinander angeordneten Anschlüsse (14p, 14q) mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sind und die Leitungen (13a, 13b) der gestapelten Anschlüsse (13x, 13y) mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sind.

9. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß einige der Anschlüsse (13p, 13q) der Leitungen sektorförmig ausgebildet sind und die anderen Anschlüsse (14p, 14q) derselben in etwa U-förmig ausgebildet sind,
daß die Anschlüsse (13p, 13q) mit Sektorform in der Nähe eines zentralen Bereichs der Gateelektrode (6) des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sind und die in etwa U-förmigen Anschlüsse (14p, 14q) in einem Randbereich der Gateelektrode (6) des Halbleiterelements nebeneinander angeordnet und mit der Gateelektrode verbunden sind, und
daß die Leitungen (13a, 13b, 14a, 14b) der nebeneinander angeordneten Anschlüsse (13p, 13q, 14p, 14q) mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet sind.

10. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein flexibler Bereich (19) in einem Verbindungsbereich zwischen der Leitung und dem Anschluß vorgesehen ist.

11. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung einen flach ausgebildeten Bereich (21) aufweist.

12. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht blanke Plattierung auf den Anschluß der Leitung aufgebracht ist.