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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf gatekommutierte Halbleitervorrichtungen
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 7, 13 oder 16. Demgemäß betrifft
die Erfindung gatekommutierte Halbleitervorrichtungen, die ein Halbleiterelement
mit einer Gateelektrode aufweisen, zu der ein Hauptstrom kommutiert
wird, wenn das Halbleiterelement abschaltet, wobei das Halbleiterelement
in einem isoliertem Behältnis
untergebracht ist.
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Eine
derartige Halbleitervorrichtung ist dem Prinzip nach bereits aus
der Druckschrift
US 6,166,402
A bekannt. In dieser Druckschrift ist eine Halbleitervorrichtung
angegeben, die ein Halbleitersubstrat sowie ein kreisförmiges isolierendes
Gehäuse
aufweist, in welchem das Halbleitersubstrat als Halbleiterelement
untergebracht ist. Das Halbleiterelement weist eine Gateelektrode
auf, die an der Vorderseite des Halbleiterelementes angebracht ist,
wobei die Gatelektrode mit einer Gateleitung verbunden ist.
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Aus
der Druckschrift
EP
1 115 151 A1 ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, bei
welcher sich ein Gateelektroden-Anschluss durch eine Durchgangsöffnung eines
isolierenden Behältnisses
erstreckt.
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Aus
der Druckschrift
JP
62076636 A (Abstract) ist eine Halbleitervorrichtung bekannt,
bei welcher eine Vielzahl von Anschlußdrähten mit einem Metallkörper verbunden
ist, welcher mit einer Gateelektrode verbunden ist.
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Aus
der Druckschrift
US
4,719,500 A ist eine Halbleitervorrichtung bekannt, welche
eine erste Hauptelektrode auf einer ersten Hauptoberfläche und eine
zweite Hauptelektrode auf einer zweiten Hauptoberfläche eines
Halbleitersubstrates aufweist, wobei die erste Hauptoberfläche eine
ringförmige Steuerelektrode
enthält.
Die herkömmliche
Halbleitervorrichtung weist ferner folgendes auf:
eine erste äußere Hauptelektrode
und eine zweite äußere Hauptelektrode,
die auf der ersten bzw. zweiten Hauptoberfläche vorgesehen sind, wobei
die erste und zweite äußere Hauptelektrode
mit der ersten Hauptelektrode bzw. der zweiten Hauptelektrode verbunden
sind;
eine externe Steuerelektrode, die für eine Verbindung mit der Steuerelektrode
auf dem Halbleitersubstrat ausgelegt ist; und
eine Steuerelektrode-Zugriffselektrode,
durch die die Steuerelektrode auf dem Substrat mit der externen Steuerelektrode
verbunden ist. Dabei ist vorgesehen, daß die Steuerelektrode-Zugriffselektrode
einen ringförmigen
elektrisch leitfähigen
Körper
mit einem Kontaktabschnitt auf seiner Unterfläche sowie eine Leitung enthält, die
für eine
Verbindung mit der externen Steuerelektrode an dem ringförmigen Körper angebracht
ist, wobei der ringförmige
Körper
in dem Bereich mit Ausnahme des Kontaktabschnitts mit einem isolierenden
Film abgedeckt ist, und wobei der ringförmige Körper in dem Kontaktabschnitt
in Kontakt mit der Steuerelektrode auf dem Halbleitersubstrat gehalten
wird.
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Aus
der Druckschrift
US
6,445,013 B1 ist eine weitere gatekommutierte Halbleitervorrichtung nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, 7, 13 oder 16 bekannt.
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Aus
der Druckschrift
DE
197 08 873 A1 ist eine Gateeinheit für einen hart angesteuerten
GTO (Gate Turn-Off Thyristor) bekannt. Bei der herkömmlichen
Gateeinheit ist zumindest ein Teil der für die Ansteuerung benötigten elektronischen
Bauelemente auf einer Leiterplatte angeordnet. Die Leiterplatte umschließt zur niederinduktiven
Kontaktierung den GTO in einer zwischen der Anodenseite und Kathodenseite
des GTO liegenden Ebene parallel zum Halbleitersubstrat des GTO
und ist mit dem Kathodenkontakt und dem Gateanschluß des GTO
direkt verbunden.
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Es
ist ein GCT-Thyristor (wobei GCT für Gate 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.
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In
den 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.
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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 Karamikzylinders 4 angeordnet. Die Kathodenabdeckung 18 dient
als Element zum Verbinden einer Kathodenanschlußbasis einer Gatetreibereinheit-Platte
mit einer Kathodenelektrode des GCT-Thyristors.
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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.
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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.
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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.
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Für die in 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.
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Eine
Konstruktion, wie sie in 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 11 gezeigt
ist, der eine Vielzahl von Gateanschlüssen aufweist, die in einem
radialen Muster um das Zentrum eines Halbleiterelements herum ausgebildet
sind.
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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.
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In 10 ist eine Anodenrippe 10 an
der Außenseite
der Anodenanschlußeletrode 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 zwischem dem Gate und der Kathode sichergestellt ist.
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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.
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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.
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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.
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Erreicht
wird dieses Ziel mit Halbleitervorrichtungen, wie sie in den unabhängigen Patentansprüchen 1,
7, 13 und 16 angegeben sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Leitung kann einen flachen Bereich aufweisen, und auf diese Weise
läßt sich
die Oberfläche vergrößern und
die Verdrahtungsinduktivität
einer Anschlußleitung
läßt sich
vermindern.
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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.
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Die
Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden
anhand der zeichnerischen Darstellung mehrerer Ausführungsbeispiele noch
näher erläutert. In
den Zeichnungen zeigen:
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1A eine
Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung (GCT-Element) gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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1B eine
Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung in 1;
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2A, 2B und 2C Ansichten
zur Erläuterung
von Gateleitungen und Anschlüssen oder
Elektroden der Halbleitervorrichtung;
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3A eine
Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung (GCT-Element) gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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3B eine
Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung in 3A;
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4A, 4B und 4C Ansichten
zur Erläuterung
von Gateleitungen und Anschlüssen oder
Elektroden der Halbleitervorrichtung;
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5 eine
Ansicht zur Erläuterung
einer Gateleitung, die einen Biegungsbereich gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel
aufweist;
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6 eine
Ansicht zur Erläuterung
einer Gateleitung, die einen flach ausgebildeten Bereich gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
aufweist;
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7A eine
Schnittdarstellung einer Halbleitervorrichtung (GCT-Element) gemäß einem
fünften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7B eine
Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung in 7A;
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8A eine
Schnittdarstellung einer herkömmlichen
Halbleitervorrichtung (GCT-Element);
-
8B eine
Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung in 8A;
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9 eine
Ansicht zur Erläuterung
einer herkömmlichen
Gateleitung sowie einer Elektrode der herkömmlichen Halbleitervorrichtung;
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10A eine Schnittdarstellung einer herkömmlichen
Halbleitervorrichtung (GCT-Element);
-
10B eine Draufsicht auf die herkömmliche
Halbleitervorrichtung in 10A;
und
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11 eine
Ansicht zur Erläuterung
einer herkömmlichen
Gateelektrode.
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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.
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Erstes Ausführungsbeispiel
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Die 1A und 1B zeigen
eine Halbleitervorrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung. 1A zeigt dabei eine Schnittdarstellung
der Halbleitervorrichtung, und 1B zeigt
eine Draufsicht auf die Halbleitervorrichtung. Die Halbleitervorrichtung
dieses Ausführungsbeispiels
weist zwei Gateanschlüsse
(externe Anschlüsse) 17 auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
in 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.
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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 sol len, N scheibenförmige
Elektroden aufeinandergestapelt sind. Dabei werden die Gateleitungen
vorzugsweise mit gleicher Beabstandung angeordnet.
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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.
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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.
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Bei
einer Halbleitervorrichtung gemäß dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel
sind die inneren Gateanschlüsse 13x und 13y der
Gateleitungen 13a und 13b an jeweiligen, den Gateanschlüssen entsprechenden
Leitungen vorgesehen. Bei einem Herstellungsvorgang zum Herstellen
der Halbleitervorrichtung können
somit die Leitungen individuell in dem Behältnis untergebracht werden.
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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.
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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 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.
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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 2A realisiert
werden kann.
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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 2A gezeigt ist, in N Stücke erhält, von
denen jedes die gleiche Formgebung aufweist, wie dies in den 2B und 2C gezeigt
ist (wobei letztere Formgebung als ”deltaförmig” bzw. ”sektorförmig” bezeichnet wird). Die Gateleitungen sind
vorzugsweise mit gleicher Beabstandung voneinander angeordnet.
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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.
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Zweites Ausführungsbeispiel
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Die 3A und 3B zeigen
eine Konstruktion einer Halbleitervorrichtung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Dabei zeigt 3A eine
Schnittdarstellung der Halbleitervorrichtung, und 3B zeigt
eine Draufsicht auf diese. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Konstruktion
zum Herausführen
der Gateverdrahtung von dem Randbereich des Halbleitersubstrats 3 vorhanden.
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Wie
in 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.
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Die
inneren Gateanschlüsse 14x und 14y der
Gateleitungen 14a und 14b sind jeweils ringförmig ausgebildet,
wie dies in 4A gezeigt ist. Die übrigen Teile
der Konstruktion sind mit den entsprechenden Teilen des ersten Ausführungsbeispiels identisch.
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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.
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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.
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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 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.
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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 4B und 4C gezeigt
ist, wobei man diese Formgebung durch gleichmäßiges Teilen eines Anschlußrings,
wie er in 4A gezeigt ist, in N Stücke mit
jeweils gleicher Formgebung erhält.
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Drittes Ausführungsbeispiel
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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 Temperatur anstiegs aufgrund eines durch den Gatebereich fließenden Stroms
erzeugt werden, so daß sich
ein Halbleiterelement mit hoher Zuverlässigkeit erzielen läßt.
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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 5 gezeigt Konstruktion ist in
einem derartigen Fall besonders wirksam.
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Viertes Ausführungsbeispiel
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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.
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Fünftes Ausführungsbeispiel
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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.
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Bei
dem in 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.
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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.
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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 (Kom??mutierungssignal) 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.
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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.
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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.
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- 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; 14x, 14y, 14p, 14q
- innere
Gateanschlüsse
- 16
- Flansch
- 17
- äußere Gateanschlüsse
- 18
- Kathodenabdeckung
- 19
- Biegungsbereich
- 21
- flach
ausgebildeter Bereich