DE3000891A1

DE3000891A1 - Halbleiterbaustein mit gattersteuerung

Info

Publication number: DE3000891A1
Application number: DE19803000891
Authority: DE
Inventors: Satoshi Ishibashi; Tetsuro Sueoka
Original assignee: Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1979-01-12
Filing date: 1980-01-11
Publication date: 1980-07-24
Also published as: US4486768A; GB2039413B; DE3000891C2; GB2039413A; SE7910463L; JPS5595362A; SE445083B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiterbaustein mit Gattersteuerung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und zwar insbesondere auf einen GTO-Thyristor, der in der Lage ist, einen in einem Hauptstromkreis fließenden Strom ein- und auszuschalten.

Ein gattergesteuerter Halbleiterbaustein, wie beispielsweise ein GTO-Thyristor^ist ähnlich aufgebaut wie ein herkömmlicher, rückwärts sperrender Thyristor mit drei Anschlüssen, Dgr GTO-Thyristor wird jedoch von dem nicht leitenden Zustand in den leitenden Zustand durch Stromzufuhr zu einer Gatterelektrode geschaltet und dabei fließt der Hauptstrom durch den GTO-Thyristor. Um den Thyristor von dem nicht leitenden Zustand in den leitenden Zustand überzuführen, muß der Hauptstrom eine bestimmte Zeitspanne durch äußere Einrichtungen auf Null gebracht werden. Der GTQ-Thyristor kann dann in den nicht leitenden Zustand von dem leitenden Zustand zurückkehren, indem ein negativer Strom zugeführt wird, d.h. ein Strom, der in Sperrichtung fließt, um den Kathodenübergang in Sperrichtung vorzuspannen. Der Gatterstrom des GTO-Thyristors ist jedoch 10 bis 100 mal größer als der eines herkömmlichen Leistungsthyristors, wenn der GTO-Thyristor als Netzschalter verwendet wird. Demgemäß weist ein GTO-Thyristor einige Nachteile dadurch auf, daß ein Steuerkreis zur Steuerung des Gatterstromes eine große Belastbarkeit besitzen muß, und der Steuerkreis verwickelt und teuer ist, da ein hoher Gatterstrom erforderlich ist, um den GTO-Thyristor zu betätigen oder zu zünden.

Um die Gatterstromempfindlichkeit zu verbessern, ist ein Thyristor mit Verstärkungsfunktion vorgeschlagen worden. Die Verstärkungsfunktion wird jedoch nur wirksam, wenn der Thyristor gezündet wird. Andererseits kann der Gatterstrom, der der Gatterelektrode des GTO-Thyristors zuzufüh-

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ren ist, klein gehalten werden, wenn eine Verstärkungsfunktion auf den GTO-Thyristor ausgeübt wird, wie es bei dem herkömmlichen Leistungsthyristor der Fall ist. Es besteht jedoch ein beträchtlicher Nachteil dadurch, daß die Verstärkungsfunktion einen umgekehrten Einfluß ausübt und dadurch die Einschaltzeit des GTO-Thyristors lang ist. Demgemäß liegt ein großes Bedürfnis vor, die Gatterempfindlichkeit eines GTO-Thyristors zu verbessern, ohne seinen Ausschaltvorgang zu beeinträchtigen.

Ein typischer, herkömmlicher, gattergesteuerter Halbleiterbaustein in Form eines GTO-Thyristors ist nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 der Zeichnung erläutert.

Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen umrissen ist, liegt die Aufgabe zugrunde, einen Halbleiterbaustein mit Gattersteuerung anzugeben, der beim Gatterzünden eine Verstärkungsfunktion aufweist und der abgeschaltet werden kann, indem ein Signal in Sperrichtung einem Hilfs-Thyristorteil und gleichzeitig einem Haapt-Thyristorteil zugeführt wird.

Durch die Erfindung wird also ein GTO-Thyristor zur Verfügung gestellt, der eine hohe Geschwindigkeit hinsichtlieh des Stromanstiegs di/dt aufweist. Weiterhin ist bei einem erfindungsgemäßen GTO-Thyristor die Ausschaltzeit verkürzt. Schließlich werden alle diese Funktionen bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbaustein auf einfache Weise hervorgebracht.

Nachstehend sind der Stand der Technik sowie Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf einen gattergesteuerten

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Halbleiterbaustein nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II nach

Fig. 1;
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Fig. 3 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbausteines;

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV in Fig.3; 10

Fig_o 5 eine Draufsicht auf eine Variante des Halbleiterbausteines nach Fig. 3 und 4;

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI in Fig.5; 15

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbleiterbausteines;

Fig. 9 eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbausteines;

und

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie X-X in Fig. 9.

In Fig. 1 und 2 ist ein typischer, gattergesteuerter Halbleiterbaustein in Form eines GTO-Thyristors nach dem Stand der Technik gezeigt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Abmessungen in den Fig. vergrößert sind, um den prinzipiellen Aufbau zu verdeutlichen. Der GTO-Thyristor nach Fig. 1 und 2 ist ein Silicium-Blättchen aus einer P₁-Schicht 2, einer N₁-Schicht 3, einer P„-Schicht 4, einer Np-Schicht 5 und einer N,-Schicht 6. Jede Schicht

P₁ , N₁ und N„ ist nach einem herkömmlichen Verfahren her-11' 2

gestellt. Zunächst wird ein schwaches N-Siliciumblättchen hergestellt. Danach werden auf der einen Seite des Blätt-

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chens die P₁-Schicht 2 und auf der anderen Seite die P„-Schicht 4 durch Diffusion von Gallium aufgebracht. Anschließend v/erden mehrere N^-Kathodenschichten 5 und eine Ν-,-Schicht 6 durch Diffusion von Phosphor bis zu einer vorgegebenen Tiefe gebildet. Als nächstes wird eine Aluminiumschicht aufgedampft, die die Ohm'sche Elektrode bildet. Der Aufbau der N.,-Schichten 5 und der N--Schichten 6 kann auch die Form evolventiseher Kurven haben oder kammförmig o. dgl. sein.

Nach Fig. 1 ist eine kammförmige Vertiefung 12 bis zu einer vorgegebenen Tiefe mit der Oberfläche der P„-Schicht 4 ausgebildet, wobei sie den N„-Schichten 5 gegenüberliegt, die jeweils in Längsrichtung des Blättchens ausgerichtet und im Abstand voneinander angeordnet sind. Eine kammförmige Metallschicht 8 ist am Boden der Vertiefung 12 angeordnet, um eine zweite Gatterelektrodenanordnung G„ zu bilden. Eine Metallschicht 10 ist auf der Oberfläche der N-.-Schicht 6 vorgesehen, um die P-schicht 4 und die N,-Schicht 6 kurzzuschließen. Auf den N^-Schichten 5 ist eine Metallschicht 9 angeordnet und eine (in den Zeichnungen nicht dargestellte) Überbrückungselektrode ist an den Metallschichten 9 vorgesehen, um eine Kathode K zu bilden. Eine Metallschicht 7 ist auf der freien Oberfläche der P„-Schicht 4 vorhanden, um eine erste Gatterelektrode G₁ zu bilden, und eine Metallschicht 11 ist an der P₁-Schicht 2 angeordnet, um eine Anode A zu bilden.

Der GTO-Thyristor nach Fig. 1 und 2 besteht aus dem Haut-Tyristorteil M, der die P^-Schicht 2, die N₁-Schicht 3, die P~-Schicht 4 und die N„-Schicht 5 aufweist, sowie aus einem Hilfs-Thyristorteil S, das die P₁-Schicht 2, die N₁-Schicht 3, die P₂-Schicht 4 und die ^-Schicht 6 aufweist. Ferner ist eine Steuerstromquelle 13 zwischen

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der Kathode K und der zweiten Gatterelektrode G„ über einen Schalter 14 angeschlossen.

Wenn ein Gatterstrom zwischen der ersten Gatterelektrode G. und der Kathode K unter der Bedingung zugeführt wird, daß zwischen der Anode A und der Kathode K eine Durchlaßspannung angelegt ist, dann wird bei dem in Fig. 1 und 2 dargestellten, herkömmlichen Halbleiterbaustein der Hilfs-Thyristorteil S zunächst gezündet, wodurch der verstärkte Strom von der Metallschicht 10 zu den N„-Schichten 5 fließt. Durch den verstärkten Strom, der in den N„-Schichten 5 fließt, wird der Haupt-Thyristorteil M gezündet.

Der Schalter 14 ist geschlossen, um den Haupt-Thyristorteil M abzuschalten, wodurch der Sperrstrom von der Steuerstromquelle 13 über den Schalter 14, die Metallschichten 9, die N^-Schichten 5 und die Metallschicht der zweiten Gatterelektrode G_ fließt.

Durch den Strom der Steuerstromquelle 13 wird die Sperrspannung des N_-P_-Übergangs wieder aufgebaut und der Strom, der in dem Haupt-Thyristorteil M fließt, wird unterbrochen» In diesem Fall kann ein Übergang zwischen der Ν-,-Schicht 6 und der P„-Schicht 4 nicht in den nicht leitenden Zustand zurückgeführt werden, wenn der Hilfs-Thyristorteil S leitet, da die Spannung der Steuerstromquelle 13 nur an die Übergänge der N₂-Schichten 5 und der P^-Schicht 4 angelegt ist. Infolgedessen kann der Haupt-Thyristorteil M so lange nicht ausgeschaltet werden, so lange der Hilfs-Thyristorteil S leitet, und zwar wegen des Stromes, der den Übergang der IS^-Schichten 5 und der P„-Schicht 4 zugeführt wird. Unter diesen Bedingungen erfolgt eine Konzentration des Stromes in der Nachbarschaft des N₂-P₂~Übergangs, was zur Folge hat, daß die N₃~Schicht 6 thermisch zerstört wird.

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Bei dem in Fig. 1 und 2 gezeigten, bekannten Baustein ist es deshalb erforderlich, den Schalter 14 zu öffnen, um den Haupt-Thyristorteil M auszuschalten, nach dem der nicht leitende Zustand des Hilfs-Thyristorteils S vorliegt. Die Außerbetriebsetzung des Hilfs-Thyristorteils S ist möglich, wenn er so aufgebaut ist, daß der Spannungsabfall in dem Hilfs-Thyristorteil S größer ist als der des Haupt-Thyristorteils M. Es gibt mehrere Methoden, um dies zu erreichen. Eine davon besteht darin, die Lebensdauer des Hilfs-Thyristorteils S im Vergleich zu der des Haupt-Thyristorteils M kurz zu machen, indem die Konzentration der Golddiffusion in dem Hilfs-Thyristorteil S, verglichen mit der des Haupt-Thyristorteils M erhöht wird.

Eine andere Methode, um den Spannungsabfall des Hilfs-Thyristorteils S zu erhöhen, besteht darin, den Widerstand in dem Bereich zwischen der Metallschicht 10 und der Metallschicht 9 gering zu machen, indem die freie Oberfläche der P -Schicht 4 angeätzt wird. Ein GTO-Thyristor wird häufig im Hauptkreis eines Inverters verwendet, vor allem wenn ein Motor als Verbraucher des Inverters mit dem GTO-Thyristor verwendet wird, und dabei muß der Gatterstrom der Gatterelektrode des GTO-Thyristors sowohl im leitenden wie im nicht leitenden Zustand kontinuierlich zugeführt werden. Insbesondere muß ein Gatterstrom, der die gleiche Impulsbreite wie der Arbeitsstrom hat, dem GTO-Thyristor zugeführt werden, um dessen leitenden Zustand zu erhalten. Wenn der GTO-Thyristor ausgeschaltet wird, muß deshalb der Steuerschalter 14 nach einem Zeitintervall eingeschaltet werden, das dem Zeitintervall entspricht, das erforderlich ist, um den Hilfs-Thyristorteil S abzuschalten, so daß der Hauptstrom des GTO-Thyristors unterbrochen wird.

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Es ist also eine komplizierte Funktionsweise notwendig, um die Schaltung zu betreiben, und deshalb ist ein GTO-Thyristor für einen Einsatz als Schaltelement bei hohen Frequenzen ungeeignet, da die Ausschaltzeit zu lang ist. 5

In Fig= 3 und 4 ist eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiterbausteins mit Gattersteuerung gezeigt. Wie bei dem Baustein nach dem Stand der Technik, der in den Fig- 1 und 2 dargestellt ist, weist ein rechteckiges Blättchen 1 eine Haupt-N-Schicht 3 auf, die vom schwachen N-Typ ist. Eine P.. -Schicht 2, die eine durch Diffusion erhaltene P-Zone ist, eine P„-Schicht 4 und mehrere N^-Schichten 5 bilden zusammen mit der HaUPt-N₁ Schicht 3 einen Haupt-Thyristorteil M. An der freien Oberfläche der P„-Schicht 4 ist ferner eine N_-Schicht 6 vorgesehen, um einen Hilfs-Thyristorteil S zu bilden.Bei dieser Ausführungsform sind mehrere N„-Schichten 5 in gleichem Abstand voneinander entlang des Blättchens 1 angeordnet .

Metallschichten 9 sind auf den N„-Schichten 5 angebracht, um eine Kathode K zu bilden. Eine kammförmige Vertiefung ist an der Oberfläche der P₂-Schicht 4 vorgesehen. Die Vertiefung 12 besteht aus dem Überbrückungsabschnitt 12a auf einer Seite der P„-Schicht 4 und mehreren Ansätzen 12b, die sich von dem Überbrückungsabschnitt 12a zu der anderen Seite der P„-Schicht 4 erstrecken, und zwar von den N^-Schichten 5 durchsetzt. Eine Metallschicht 7 ist an der der Kathode K gegenüberliegenden Seite der Oberfläche der P₂-Schicht 4 vorgesehen, um die Gatterelektrode G₁ zu bilden. Eine Metallschicht 8 ist am Boden der Vertiefung 12 angeordnet, um eine zweite Gatterelektrode G„ zu bilden. Die Metallschicht 8 ist aus einem Überbrükkungssegment 8a und mehreren Ansätzen 8b zusammengesetzt, die von dem Überbrückungssegment 8a sich um die N_-Schichten 5 herum erstrecken. Die N--Schicht 6 ist in der P ,,-Schicht

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4 vorgesehen, so daß sie zwischen der Kathode K und der ersten Gatterelektrode G₁ liegt und eine Metallelektrode 10 ist an der Oberfläche der N,-Schicht 6 vorgesehen.

Wie in Fig. 4 dargestellt ist, ist ein äußerer Widerstand 15 zwischen der ersten Gatterelektrode G. und der Elektrode 10 angeschlossen, so daß der Strom durch den Hilfs-Thyristorteil S durch die Ansätze 8b und das Überbrükkungssegment 8a der Metallschicht 8 und den Übergang der P„-Schicht 4 und der Κ' -Schicht 5 des Haupt-Thyristorteils M fließt. Eine Sperrdiode 16 ist zwischen der Kathode K und der Elektrode 10 angeschlossen, so daß ein Strom von der Kathode K der Elektrode 10 fließen kann, jedoch nicht in der umgekehrten Richtung. Eine Sperrspannung wird an den P„-N„-Übergang des Haupt-Thyristorteils M angelegt, desgleichen, und zwar zu selben Zeit, an den P^-N-j-Übergang des Hilfs-Thyristorteils S. Die Elektrode 10 ist nämlich an der freien Oberfläche der K,-Schicht 6 angeordnet, die den Hilfs-Thyristorteil S bildet, so daß sie nicht mit der P„-Schicht 4 kurzgeschlossen ist, und der äußere Widerstand 15 ist zwischen der Metallschicht 8, die auf der P„-Schicht 4 angebracht ist und der Elektrode 10 angeschlossen. Die Diode 16 ist zwischen der Kathode K und der Elektrode 10 angeordnet, um zu verhindern, daß ein Strom von der !!..-Schicht 6 au der Kathode K des Haupt-Thyristorteils M fließt. Eine Steuerelektrode ist durch die erste Gatterelektrode G- und die zweite Gatterelektrode G~ gebildet. Eine Hauptelektrode besteht aus der Anode A und der Kathode K. Eine Einrichtung zur Steuerung der Vorspannung umfaßt die Steuer.._stromquelIe 13, den Schalter 14, den Widerstand 15 und die Diode 16.

Ein Baustein der vorstehend beschriebenen Art wird im wesentlichen wie folgt hergestellt. 35

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Zunächst wird ein N-Siliciumblättchen das einen Widerstand von etwa 50 bis 60fl-cm aufweist, hergestellt. Die Schichten P₁, N₁ und P„ werden durch Diffusion von Gallium bei etwa 1250 C in einem geschlossenen Rohr hergestellt. In diesem Fall beträgt die Diffusionstiefe, also die Dicke der P ..-Schicht und der P -Schicht 50 Mikron und die Oberfläche der P₁- und der P„-Schicht ist etwa

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1 χ 10 Atome/cm . Oxydfilme werden auf beiden Seiten des Blättchens 1 aufgebracht und danach wird der auf die P_?-Schicht aufgebrachte Oxydfilm teiL.weise entfernt, um ein vorgegebenes Diffusionsmuster zu erhalten. Die

N„-Schichten und die N^-Schicht worden durch selektive Z ρ

Diffusion von Phosphor in Bereichen gebildet, in denen der Oxydfilm entfernt worden ist, so daß die Oberflächendichte etwa 1 χ 10 Atome/cm und die Diffusionstiefe 15 Mikron beträgt. Die Träger-Lebensdauer in der N„-Schicht wird an einen vorgegebenen Wert angepaßt, in dem eine Golddiffusion auf dieselbe von der P ..-Schicht Seite her durchgeführt wird. Anschließend wird ein Teil der P_-Schicht, die die N_?-Schichten umgibt, bis zu einer Tiefe von 20 bis 30 Mikron eingeätzt, um eine Metallschicht 8, die von der Metallschicht 9 im Abstand angeordnet ist, zu erhalten. Danach werden die ungenutzten Teile entfernt, nachdem Aluminium auf die gesamte Oberfläche auf der Kathodenseite aufgedampft worden ist, um die Elektroden 7, 8, 9 und zu bilden. Ein Körper zum Wärmeausgleich in Form einer Wolframplatte wird auf der P₁-Schicht unter Bildung einer Legierungsschicht mit dem Aluminium angebracht und die Stabilisierung der Oberfläche wird durch Abschrägen, Ätzen und Lackieren der Peripherie des Blättchens vorgenommen, um DurchbruchsSpannungen in Durchlaß- und Sperrichtung zu erhalten.

Der Anschluß des Widerstands 15 und der Diode 16 kann in dem äußeren Teil eines umschließenden Gehäuses erfolgen;

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auch ist es möglich, den Widerstand 15 und die Diode in eine Vertiefung einzubauen, die in einer Kupferstange vorgesehen ist, die mit der Metallschicht 9 der Kathode K in Kontakt steht. Weiterhin ist es möglich, die Metallschicht 8b in der Nähe von und/oder in der N^-Schicht 6 anzuordnen, um den Ausschaltvorgang des Hilfs-Thyristorteils S sicherzustellen.

Darüber hinaus ist darauf hinzuweisen, daß, auch wenn ein Seitengatteraufbau bei der beschriebenen Ausführungsform dargestellt ist, die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und Abänderungen im Bedarfsfall vorgenommen werden können.

Im Betrieb wird, wenn der Gatterstrom zwischen der ersten Gatterelektrode G zum Einschalten des Bausteins und der Kathode K zugeführt wird, und zwar unter der Bedingung, daß eine Durchlaßspannung zwischen der Anode A und der Kathode K angelegt ist, der Hilfs-Thyristorteil S betätigt oder gezündet, wodurch ein Strom in dem Hilfs-.

Thyristorteil S von der Anode A zur Elektrode 10 fließt. Der Strom des Hilfs-Thyristorteils S fließt in einer Stromschleife, die durch die Metallschicht 8, die P„-Schicht 4, die N„-Schicht 5 und die Kathode K gebildet ist. Die Strommenge, die in der N_,-Schicht 6 fließt, wird durch den äußeren Widerstand 15 bestimmt, sowie durch einen weiteren Widerstand, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist. In diesem Fall ist es möglich, ein Übergangsgebiet der N^-Schicht auszuwählen, so daß die Strom-

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•sO dichte etwas 2 bis 10 A/cm beträgt und den Widerstand des äußeren Widerstandes 15 so einzustellen, daß die Stromdichte des Stromes, der von der P„-Schicht 4 zu den

2 N„-Schichten 5 fließt, zwischen 1 und 5 A/cm beträgt.

Der Strom, der in den N„-Schichten 5 fließt, zündet oder

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betätigt alle Bereiche der der Metallschicht 8 der zweiten Gatterelektrode G„ benachbarten Oberfläche der N_- Schichten 5 und danach wird der Haupt-Thyristorteil M, der aus den Schichten P₁, N₁, P~ und N„ besteht, wegen des Stromes, der in der N.,-Schicht 6 zu der N„-Schichten 5 geflossen ist, leitend.

Wenn der Haupt-Thyristorteil M ausgeschaltet wird, wird an die zweite Gatterelektrode G„ die Sperrspannung angelegt, über die N -Schichten 5 und die P„-Schicht 4 von der Steuerstromquelle 13 durch Schließen des Steuerschalters 14, nachdem der S.trom unterbrochen worden ist, der von dem äußeren Teil zu der ersten Gatterelektrode G fließt. Der Hilfs-Thyristorteil S wird gleichzeitig mit ausgeschaltet, da eine Sperrspannung angelegt ist, mit Hilfe der Diode 16 durch eine Schleife, die durch die N-)-Schicht 6, die P -Schicht 4 und die zweite Gatterelektrode G„ gebildet ist.

Mit dem vorstehend beschriebenen GTO-Thyristor wurden' folgende experimentelle Daten erhalten. Jede Übergangsschicht und jede Elektrode wurde mit dem gleichen Verfahren hergestellt, wie der Baustein nach dem Stand der Technik. Die elektrische Durchschlagsfestigkeit betrug etwa 1200 Volt und der äußere Widerstand 15 etwa 20.Q-bei einem GTO-Thyristor mit einer Kapazität oder Belastbarkeit für den Gatterunterbrechungsstrom von Ampere. Es wurden eine 20-Volt-Stromquelle 13 und eine Diode 16 benutzt, deren Strombelastbarkeit etwa 3 Ampere betrug. Als Schalter 14 wurde ein Höchstgeschwindigkeitsschalttransistor eingesetzt. Unter diesen Bedingungen wurde der GTO-Thyristor durch Zufuhr eines Gatterstroms «von 1 bis 6 Mikrosekunde gezündet, wobei ein ausreichendes Gebiet der N„-Schichten gezündet wurde. Der Baustein war innerhalb einer Ausschaltzeit von etwa 5

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Mikrosekunden bei einem Arbeitsstrom von 500 Ampere ausgeschaltet, sogar wenn während der Ausschaltzeit der Schalter 14 zur gleichen Zeit eingeschaltet wurde, in welcher der Strom durch die erste Gatterelektrode G₁ ausgeschaltet wurde. In diesem Fall entspricht die Ausschaltzeit des GTO-Thyristors fast derjenigen, die vorliegt, wenn d:
gemacht wird·

liegt, wenn die N_.-Schicht vollständig nicht leitend

Bei dem Halbleiterbaustein mit Gattersteuerung nach den Fig. 3 und 4 kann der Gatterstrom auf etwa O,l bis 0,5 Ampere mit Hilfe des Hilfs-Thyristorteils S herabgesetzt werden und außerdem ist es nicht erforderlich, eine Verzögerungszeit zwischen dem Zündsignal und dem Ausschaltsignal verstreichen zu lassen« Infolgedessen kann ein Überschußstrom durch Zufuhr eines Ausschaltsignals unterbrochen v/erden, unmittelbar nachdem das Zündsignal auf den GTO-Thyristor einwirkt, bevor der Strom zu ihm fließt und deshalb kann der Aufbau des Steuerschaltkreises vereinfacht werden. Darüber hinaus benötigt der erfindungsgemäße Baustein keine strombegrenzende Drossel im Gegensatz zu den Bausteinen nach dem Stand der Technik, die eine solche Drossel benötigen, um den Stromanstieg innerhalb des Verzögerungszeitintervalls zwischen dem Zündsignal und dem Ausschaltsignal zu hemmen.

Die Fig. 5 und 6 zeigen eine Variante des GTO-Thyristors, der in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Wie aus Fig. 5 und 6 ersichtlich ist, ist ein Blättchen la scheibenförmig ausgebildet. Eine scheibenförmige Metallschicht 7a ist in der Mitte einer freien Oberfläche der P„-Schicht des Blättchens la angeordnet, um eine erste Gatterelektrode G, der Steuerelektrode zu bilden. Eine ringförmige Vertiefung 12c ist an der Außenkante der freien Oberfläche der P₂-Schicht 4 vorgesehen, um einen Überbrückungsab-

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schnitt zu bilden, und mehrere Radialschlitze 12d sind so angeordnet, daß sie mit der Vertiefung 12c in Verbindung stehen und sich von ihr zum mittleren Teil des Blättchens la erstrecken. Eine Metallschicht 8 ist an dem Boden der Vertiefung 12 angeordnet und besteht aus einem kreisförmigen Überbrückungssegment 8c, das auf dem Boden der Vertiefung 12c sitzt, sowie mehreren Ansätzen 8d, die von dem Überbrückungssegment 8c in Richtung des mittleren Teiles des Blättchens la ragen, um eine zweite Gatterelektrode G₃ zu bilden.

Weiterhin sind mehrere sektorförmige N„-Schichten 5a zwischen benachbarten, vorspringenden Ausnehmungen 12d vorhanden, die in einem bestimmten Abstand voneinander angeordnet sind. Mehrere sektorförmige Metallschichten 9a sind ebenfalls auf den N„-Schichten 5a angebracht, um eine Kathode K zu bilden. Eine ringförmige ISL·-Schicht 6a ist koaxial um die erste Gatterelektrode G₁ herum angeordnet, und zwar im Abstand zwischen der ersten Gatterelektrode G₁ und der Kathode K sowie einer ringförmigen Metallschicht als Hilfselektrode 10a, um einen Hilfs-Thyristorteil S zu bilden.

Die Fig. 7 und 8 zeigen einen GTO-Thyristor, bei dem die Erfindung gleichfalls verwirklicht ist. Dieser GTO-Thyristor weist eine Vielzahl von Vertiefungen 17 auf, die an der Oberfläche der N₂-Schichten neben der Ν-,-Schicht 6a vorgesehen sind, eine Vielzahl von Bereichen 18 mit Störstellen hoher Dichte, die in den N„-Schichten 5 in den Vertiefungen 17 vorgesehen sind, eine Vielzahl von Metallschichten 19, die in den Bereichen 18 mit den Störstellen hoher Dichte angeordnet sind, sowie Leitungen 20, die die Bereiche 18 mit den Störstellen hoher Dichte mit den N-Schichten 10a verbinden.
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Im einzelnen besteht ein rechteckiges Blättchen 1 aus einer P₁-Schicht 2, einer N--Schicht 3, einer P„-Schicht 4 und mehreren rechtwinkligen N„-Schichten 5, die an der Oberfläche der P₂-Schicht 4 vorgesehen sind, und zwar in einem vorbestimmten Abstand voneinander entlang der Längsrichtung des Blättchens 1. Eine kammförmige Vertiefung 12 ist an der Oberfläche der P.,-Schicht 4 vorgesehen. Die Vertiefung 12 besteht aus einem Überbrückungsabschnitt 12a, der auf einer Seite der Oberfläche der N_-Schicht 5 angeordnet ist und sich in Längsrichtung erstreckt und mehreren Ansätzen 12b, die von dem Überbrückungsabschnitt 12 entlang der N_?-Schicht 5 zur anderen Seite der P~- Schicht 4 ragen. In der Vertiefung 12 ist eine Metallschicht 8 angeordnet, die aus dem Uberbrückungssegment 8a, die in dem Überbrückungsabschnitt 12a angeordnet ist, und mehreren Ansätzen 8b besteht, die sich von dem Überbrückungssegment 8a zu der N₃-ScMcht 6a erstrecken. Eine Metallschicht 7a ist auf der anderen Seite der Oberfläche der P„-Schicht 4 angeordnet, um eine erste Gatterelektrode G₁ zu bilden.

Eine N^-Schicht 6a ist an der Oberfläche der P„-Schicht 4 neben der ersten Gatterelektrode G.. entlang der Länge des Blättchens 1 vorgesehen, und eine Metallschicht 10a ist an der N₃-ScMcht 6a angeordnet, um den Hilfs-Thyristorteil S zu bilden. Mehrere Vertiefungen 17 sind in den Oberflächen der N~-Schichten 5 zwischen den N„-Schichten der Kathode K und der N_.-Schicht 6a ausgebildet. Mehrere Bereiche 18 mit Störstellen hoher Dichte sind am Buden der Vertiefungen 17 vorgesehen. An den Bereichen 18 sind mehrere Aluminiumelektroden 19 angeordnet, die jeweils durch eine Leitung 20 mit der Elektrode 10a verbunden sind.

Bei dem GTO-Thyristor, der vorstehend beschrieben ist, ist ein Teil der Kathoden-N_-Schicht neben der N^-Schicht 6a in einer vorbestimmten Form und bis zu einer vorbestimmten Tiefe durch Ätzen entfernt worden, um die Vertiefungen 17

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zu bilden. Die Bereiche 18 mit Störstellen hoher Dichte werden gebildet, indem Phosphor in die Bodenoberfläche der Vertiefungen 17 diffundieren gelassen wird, um einen ohm'sehen Kontakt zu ergeben. Die Aluminiumelektroden 19 werden mit den Metallschichten 7a, 9a, 10a und 8b zeitweilig verbunden und danach wird jede Elektrode 19 mit der Elektrode 10a durch die Leitung 20 verbunden.

Bei dem Baustein nach Fig. 7 und 8 wird der Hilfs-Thyristorteil S gezündet oder betätigt, indem ein Zündgatterstrom der ersten Gatterelektrode G- unter der Bedingung zugeführt wird, daß eine Durchlaßspannung zwischen der Anode A und der Kathode K angelegt ist. Wenn der Hilfs-Thyristorteil S gezündet ist, fließt ein Strom von den Elektroden 19 zu der Metallschicht 9a über die Bereiche 18 mit geringem Widerstand, den Abschnitt der N„-Schicht 5 mit geringem Widerstand, die Bereiche 21 mit großem Widerstand und die N„-Schichten 5. Der Bereich 21 mit großem Widerstand wird durch Ätzen der Oberfläche der N„-Schichten 5 gebildet. Infolgedessen ergibt der Strom von der N,-Schicht 6a an den Kathoden-Emitter-Schichten eine Spannung in Durchlaßrichtung, welche Schichten die Übergänge der N^-Schichten 5 und der P_?-Schicht 4 sind, aufgrund des Spannungsabfalls in den Bereichen 21 mit dem geringen Widerstand. Der Spannungsabfall in den Kathoden-Emitter-Schichten hat die Injektion von Elektroden e zur Folge, wodurch der Haupt-Thyristorteil M mit den N„-Schichten 5 gezündet wird, so daß die Widerstandsbereiche 21 und die Endabschnitte 22 der Metallschichten 9a als Initialzündbereiche zuerst gezündet werden.

Wenn der Haupt-Thyristorteil M des GTO-Thyristors ausgeschaltet wird, wird der Vorspannungssteuerschalter 14 geschlossen. Durch Schließen des Schalters 14 wird an die N„-P„-Übergänge eine Sperrspannung durch die Vor-

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Spannungssteuerquelle 13 angelegt, um den Haupt-Thyristorteil M auszuschalten und in diesem Fall x^erden die N-.-P„-Übergänge durch den Spannungsabfall aufgrund der Bereiche 21 mit hohem Widerstand ebenfalls in Sperrichtung vorgespannt. Durch das Anlegen einer Sperrspannung an die N^- P^-Übergänge wird der Hilfs-Thyristorteil S nicht leitend.

Obgleich die Bereiche 21 mit hohem Widerstand bei dem GTO-Thyristor nach Fig. 7 und 8 dadurch gebildet sind, daß Vertiefungen 17 in den N„-Schichten 5 neben der N^-Schicht 6 vorgesehen sind, ist ersichtlich, daß erfindungsgemäß die Bereiche 21 mit hohem Widerstand auch an den Abschnitten der N„-Schichten vorgesehen sein können, die auf der gegenüberliegenden Seite der Metallschichten 9a angeordnet sind.

Fig. 9 und 10 veranschaulichen einen weiteren erfindungsgemäßen Halbleiterbaustein mit Gattersteuerung. Bei dem in Fig. 9 und 10 gezeigten GTO-Thyristor besteht ein Blättchen la ebenfalls aus einer P₁-Schicht 2, einer N₁-Schicht 3, einer P₂-Schicht 4 und mehreren N„-Schichten 5a, die an einer freien Oberfläche der P„-Schicht 4 vorgesehen sind. Eine Vertiefung 12 ist an der Oberfläche der P„-Schicht 4 vorgesehen. Die Vertiefung 12 besteht aus einem kreisförmigen Überbrückungsabschnitt 12a, der an der Peripherie der P„-Schicht 4 vorgesehen ist, und aus mehreren Vorsprüngen oder Ansätzen 12b, die sich radial zu dem mittleren Abschnitt der P„-Schicht 4 erstrecken. Die N~- Schichten 5a sind sektorförmig auf der P„-Schicht 4 entlang der Vertiefung 12 ausgebildet.

Bei dem GTO-Thyristor gemäß Fig. 9 und 10 sind die Diffus ionsfcereiche 18 (vgl. Fig. 7 und 8) für den ohm'sehen Kontakt mit der Aluminiumelektrode 19 sowie die Leitung 20 überflüssig. Infolgedessen ist eine Vertiefung 23 in

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einem Abschnitt der N„-Schicht 5a durch Ätzen gebildet, um den gewünschten Widerstandsbereich 21 zu bilden. Ein Isoliermaterial in Form eines Oxydfilmes 26 ist auf den Oberflächen der N₃-Schicht 6a, den Teilbereichen 24 der Np-Schichten 5a und einem Abschnitt der P„-Schicht 4 angebracht, der zwischen den N₂-Schichten 5a und der N,-Schicht 6a liegt. Eine ringförmige Elektrode 27 ist auf der Oberfläche der N,-Schicht 6a im Bereich 24 angeordnet, um die N^-Schicht 6a und die N„-Schichten 5a elektrisch zu verbinden. Es ist ersichtlich, daß der Betrieb und die Vorteile des GTO-Thyristors nach Fig. 9 und 10 dem Betrieb und den Vorteilen des Bausteines nach Fig. 3 und 4 weitgehend entsprechen.

Wie im Zusammenhang mit den vorstehenden, verschiedenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Halbleiterbausteines mit Gattersteuerung erläutert worden ist, kann der Hilfs-Thyristorteil unverzögert gesteuert werden, wenn der Gatterstrom unterbrochen wird, indem der Halbleiterbaustein mit der Gattersteuerung ausgeschaltet wird. Demgemäß ist ersichtlich, daß die folgenden Vorteile erzielt werden:

(1) Die Einschaltempfindlichkeit des Bausteins ist gegenüber der der bekannten Bausteine außerordentlich verbessert .

(2) Der erfindungsgemäße GTO-Thyristor ist nicht teuer

und vielseitig anwendbar bei hohen Frequenzen und einem hohen Einschaltstrom, da die Einschaltzeit und die Ausschaltzeit gegenüber einem herkömmlichen GTO-Thyristor verkürzt sind.

(3) Es kann ein wirtschaftlicher GTO-Thyristor mit guten Kenndaten erhalten werden, da der Stromanstieg (di/dt) groß ist.

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(4) Da es nicht notwendig ist, das Übergangsgebiet zu verkleinern, wird ein Baustein mit hoher Leistungsfähigkeit erhalten, ohne die Strombelastbarkeit zu mindern.

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Claims

Uwe M* Haft * .. Psit Maximilianstrasse D-8000 München Tel.: (089)294818 Kabushiki Kaisha Meidensha Telex: 523514 1-17, Ohsaki 2-chome, Telegr.: NOVAPAT Shinagawa-ku Tokio, Japan Halbleiterbaustein mit Gattersteuerung Patentansprüche:

1. Halbleiterbaustein mit Gattersteuerung mit einer Hauptelektrode, die aus einer Kathode besteht, die in einer Endschicht eines Blättchens aus halbleitenden Material, das wenigstens vier Halbleiterschichten aufweist, gebildet ist, sowie aus einer Anode, die in der anderen Endschicht des Blättchens gebildet ist, mit einem Haupt-Thyristorteil, das wenigstens eine Steuerelektrode aufweist, die in der Nähe der Kathode der Hauptelektrode vorgesehen ist, mit einem Hilfs-Thyristorteil sowie mit einer Einrichtung zur Steuerung der Vorspannung zum zwangsläufigen Ein- und Ausschalten des Hilfs-Thyristorteils, dadurch gekennzeichnet, daß das Hilfs-Thyristorteil (S) eine zusätzliche Schicht aufweist, die an dieser einen Endschicht (4) des Blättchens (1) und

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neben der Kathode (K) vorgesehen ist, welche zusätzliche Schicht gegenüber dieser einen Endschicht (4) des Blättchens (1) eine unterschiedliche Polarität aufweist.
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2. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Vorspannungssteuerung eine Sperrspannungseinrichtung umfaßt, um einen Abschnitt, der zwischen der Kathode (K) und dem Hilfs-Thyristorteil (S) liegt, in Sperrichtung vorzuspannen, wenn der Haupt-Thyristorteil (M) und der Hilfs-Thyristorteil (S) ausgeschaltet werden.

3. Halbleiterbaustein nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Einrichtung zur Vorspannungssteuerung eine Durchlaßspannungseinrichtung aufweist, um einen Abschnitt, der zwischen der zusätzlichen Schicht des Hilfs-Thyristorteils (S) und einer Kathode-Emitter-Schicht der Kathode (K) liegt, über die Steuerelektrode in Durchlaßrichtung vorzuspannen, wenn der Haupt-Thyristorteil (M) eingeschaltet wird.

4. Halbleiterbaustein nach Anspruch 2, dadurch g e k e η η-zei c h η e t, daß die Sperrspannungseinrichtung eine äußere Diode (16) umfaßt, die zwischen der Kathode (K) und der zusätzlichen Schicht des Hilfs-Thyristorteils (S) angeschlossen ist, so daß ein Strom von der Kathode (K) zu der zusätzlichen Schicht fließt.

5. Halbleiterbaustein nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß die Durchlaßspannungseinrichtung einen äußeren Widerstand (15) umfaßt, der zwischen der zusätzlichen Schicht des Hilfs-Thyristorteils (S) und der Steuerelektrode angeschlossen ist.

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6. Halbleiterbaustein nach Anspruch 3, dadurch g e k e η nze i chnet, daß die Durchlaßspannungseinrichtung eine Vertiefung (17, 23) aufweist, die bis zu einer vorgegebenen Tiefe in der Kathodenschicht (5) des Blättchens (1) vorgesehen ist, sowie einen Widerstandsbereich (21), der durch den unteren Teil der Vertiefung (17, 23) der Kathodenschicht (5) gebildet ist.

7. Halbleiterbaustein nach Anspruch 2, dadurch g e k e η nzeichnet, daß die Sperrspannungseinrichtung einen Widerstandsbereich (21) in in dem unteren Teil einer in der Kathodenschicht vorgesehenen Vertiefung (17, 23)[ eine Schicht mit niedrigem Widerstand, die in dieser Widerstandsschicht (21) vorgesehen ist sowie eine zusätzliche Schicht des Hilfs-Thyristorteils (S) umfaßt.

8. Halbleiterbaustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchlaßspannungseinrichtung einen Widerstandsbereich (21) oder einen Abschnitt in dem Boden einer in der Kathodenschicht (5) vorgesehenen Vertiefung (17, 23) angeordnet ist, eine in diesem Widerstandsbereich (21) vorgesehene Schicht mit geringem Widerstand sowie Mittel umfaßt, um die Schicht mit geringem Widerstand mit der zusätzlichen Schicht des Hilfs-Thyristorteils (S) kurzzuschließen.

9. Halbleiterbaustein nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Kurzschließen eine Leitung (20) ist.

10. Halbleiterbaustein nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Schicht mit geringem Widerstand ein Bereich (18) mit Störstellen hoher Dichte ist, die durch Eindiffundierenlassen von Phosphor in die Kathodenschicht (5) des Blättchens (1) hervorgebracht werden.

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11. Halbleiterbaustein nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η-zeichnet, daß das Mittel zum Kurzschließen eine Elektrode (27), die auf der Oberfläche der zusätzlichen Schicht und auf der Kathodenschicht (5a) angeordnet ist, und eine Isolierschicht (26), die auf der Kathoden-Emitter-Schicht zwischen der Kathodenschicht (5a) und der zusätzlichen Schicht des Hilfs-Thyristorteils (S) angebracht ist, umfaßt.

12. Halbleiterbaustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode mehrere separate Gatterelektroden an der Oberfläche des Blättchens (1) umfaßt.

13. Halbleiterbaustein nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die separaten Gatterelektroden aus einer ersten Elektrode (G-),die der Kathode (K) gegenüberliegt, und aus einer zweiten Gatterelektrode (G„), die auf der anderen Seite bezüglich der ersten Gatterelektrode (G..) liegt, besteht.

14. Halbleiterbaustein nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gatterelektrode (G.) eine Metallschicht (7, 7a) auf der Oberfläche des Blättchens (D ist.

15. Halbleiterbaustein nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Gatterelektrode (G-) aus einer Metallschicht (8) auf der Oberfläche des Blättchens (1) besteht und einen Überbrückungsabschnitt (8a) sowie mehrere von dem Überbrückungsabschnitt (8a) abstehende Ansätze (8b) umfaßt.

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