DE3521079C2

DE3521079C2 -

Info

Publication number: DE3521079C2
Application number: DE3521079A
Authority: DE
Inventors: Takashi Kawasaki Jp Shinohe; Katsuhiko Takigami; Hiromichi Yokohama Jp Ohashi; Tsuneo Kamakura Kanagawa Jp Ogura; Masayuki Miura Kanagawa Jp Asaka
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-06-12
Filing date: 1985-06-12
Publication date: 1993-04-01
Also published as: US4791470A; DE3521079A1

Description

Die Erfindung betrifft eine rückwärts leitende Abschalt-Thyristoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einer rückwärts leitenden Abschalt-Thyristoranordnung sind ein Abschaltthyristor und eine Diode, die einen Strom entgegengesetzt zu einem Durchlaßstrom dieses Thyristors fließen läßt, nämlich ein Abschaltthyristor und eine in Sperrichtung von diesem leitende Diode, materialeinheitlich antiparallel miteinander verbunden. Eine derartige Anordnung ist z. B. in JP-OS 51-38985 und anderen Veröffentlichungen beschrieben. Ein typisches Beispiel des Aufbaus einer solchen Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt.

Ein Abschaltthyristorabschnitt (im folgenden auch GTO-Abschnitt genannt) a weist einen Vierschichtaufbau aus einer ersten p⁺-leitenden Emitterschicht 11, einer ersten n-leitenden Basisschicht 12, einer zweiten p-leitenden Basisschicht 13 und einer zweiten n⁺-leitenden Emitterschicht 14 auf. Die zweite Emitterschicht 14 ist in mehrere Teile unterteilt. Ein rückwärts leitender Diodenabschnitt b umfaßt eine Anodenschicht 13′ aus der mit der zweiten Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a gemeinsamen p-Schicht, eine der ersten Basisschicht 12 im GTO-Abschnitt a gemeinsame n-Schicht 12′ und eine n⁺-Kathodenschicht 15. Eine Anodenelektrode 18 dient gleichzeitig als Anodenelektrode des GTO-Abschnitts a und als Kathodenelektrode des Diodenabschnitts b und ist für die erste Emitterschicht 11 im GTO-Abschnitt a und für die n⁺-Kathodenschicht 15 im Diodenabschnitt b gemeinsam vorgesehen. Auf jedem Segmentteil der zweiten Emitterschicht 14 ist je eine Kathodenelektrode 16 vorgesehen. Eine Steuerelektrode 17 ist auf der zweiten Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a angeordnet. Auf der Anodenschicht 13′ im Diodenabschnitt b ist eine Anodenelektrode 19 vorgesehen. Letztere und die Kathodenelektrode 16 sind elektrisch verbunden, und die liegen am selben Potential. Zwischen dem GTO-Abschnitt a und dem Diodenabschnitt b befindet sich eine Trennzone c zur Verhinderung einer gegenseitigen Störung zwischen diesen beiden Abschnitten a und b. In der Trennzone c ist eine n⁺-leitende Schicht 20 ausgebildet, welche die zweite Basisschicht 13 und die Anordenschicht 13′ praktisch voneinander trennt. Praktisch gesehen, ist die n⁺-leitende Schicht 20 vorgesehen, um einen Kurzschluß sowohl der Steuerelektrode 17 als auch der Kathodenelektrode 16 im GTO-Abschnitt a über die Anodenschicht 13′ im Diodenabschnitt b zu verhindern, wenn eine negative Vorspannung an der Steuerelektrode 17 anliegt. Es ist auch möglich, anstelle der n⁺-leitenden Schicht 20 in der Trennzone c eine die zweite Basisschicht 13 und die Anodenschicht 13′ praktisch voneinander trennende Rille auszubilden. Die Kathodenelektrode 16, die Steuerelektrode 17 und die Anodenelektrode 18 sind zur Verbindung mit der Außenseite jeweils an einen Kathodenanschluß K, einen Gateanschluß G bzw. einen Anodenanschluß A angeschlossen.

Bei Anwendung der rückwärts leitenden Abschalt-Thyristoranordnung (im folgenden auch GTO-Anordnung genannt) in eine Wechselrichterschaltung kann es vorkommen, daß nach dem Anlegen einer negativen Spannung, bei welcher der Diodenabschnitt leitet und der GTO-Abschnitt sperrt, eine positive Spannung angelegt wird. Fig. 2 veranschaulicht die Verläufe einer an den GTO-Abschnitt angelegten Spannung V_A und eines durch die Diode fließenden Stroms I_D für einen beispielhaften derartigen Fall.

Wie durch die ausgezogenen Linien in dieser graphischen Darstellung veranschaulicht, fließt der Vorwärtsstrom I_D durch den Diodenabschnitt, während sich der GTO-Abschnitt im Sperrzustand befindet; nach einer Zeitspanne t1 wird die positive Spannung dem GTO-Abschnitt aufgeprägt. Falls die Abnahme des Stroms I_D des Diodenabschnitts, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 angedeutet, groß ist, wird der GTO-Abschnitt nach der Zeit t1 fehlerhaft gezündet, so daß seine Sperrfähigkeit nicht aufrechterhalten werden kann. Dies beruht darauf, daß die Überschußladungsträger im Diodenabschnitt als Triggerstrom für den GTO-Abschnitt wirken.

Während der Zeitspanne des Fließens des Diodenstroms I_D fließen nämlich positive Löcher von der Anodenschicht 13′ im Diodenabschnitt zur Kathodenschicht 15, während Elektronen von der Kathodenschicht 15 zur Anodenschicht 13′ fließen. Gemäß Fig. 2 wird zum Zeitpunkt t1 die Anoden-Kathodenspannung des GTO-Abschnitts entgegengesetzt zu derjenigen vor dem Zeitpunkt t1, und das Potential an der Anodenseite übersteigt dasjenige an der Kathodenseite. Zu diesem Zeitpunkt werden im Diodenabschnitt b vorhandene Überschußelektronen von der Kathodenschicht 15 in den Diodenabschnitt b abgeleitet, während die Überschuß-Löcher von der Anodenschicht 13′ abgeleitet werden. Die in den Bereich nahe der in der Trennzone c ausgebildeten n⁺-leitenden Schicht 20 und in den GTO-Abschnitt a überfließenden Überschußladungsträger werden jedoch nicht zum Diodenabschnitt b zurückgeleitet. Mit anderen Worten: die Überschußelektronen fließen durch die erste Emitterschicht 11 und treten aus der Anodenelektrode 18 aus, so daß die positiven Löcher in einer Zahl entsprechend derjenigen dieser Überschußelektronen eintreten können. Die Überschuß-Löcher passieren einerseits die zweite Basisschicht 13, die Steuerelektrode 17 nahe der Trennzone c und einen nicht dargestellten, zwischen Gate und Kathode geschalteten Widerstand R_GK, und sie werden dann zur Kathodenelektrode 16 abgeleitet. Im Normalfall ist der Widerstand R_GK zwischen Gate und Kathode an der Außenseite des Elements geschaltet, um die kritische Spannungssteilheit des GTO-Abschnitts zu verbessern und die Vorwärts- Sperrspannung zu erhöhen. Demzufolge werden der mit der Erholung der Spannung des GTO-Abschnitts verbundene Verschiebungsstrom und der Strom aufgrund des Abfließens der Überschuß-Löcher einander addiert, und der resultierende addierte oder Summenstrom fließt über den Widerstand R_GK. Wenn der Spannungsabfall aufgrund des Stromflusses über den Widerstand R_GK die Mindest-Steuerspannung entsprechend dem Eigen-Potential der Sperrschicht aus der zweiten Basisschicht 13 und der zweiten Emitterschicht 14 übersteigt, fließen die positiven Löcher von der zweiten Basisschicht 13 über die zweite Emitterschicht 14, und sie treten in die Kathodenelektrode 16 ein, so daß die Elektronen in einer Zahl entsprechend derjenigen dieser positiven Löcher von der zweiten Emitterschicht 14 in die zweite Basisschicht 13 eintreten können. Infolge der vorstehend beschriebenen Operation wird der Abschaltthyristor fehlerhaft oder irrtümlich gezündet.

Dieses Fehldurchschalten kann leicht auftreten, wenn die Abnahme dI_D/dt des Diodenstroms I_D groß wird. Dies beruht darauf, daß dann, wenn die Abnahme dI_D/dt des Diodenstroms I_D groß wird, die Restmenge der im Diodenabschnitt b und in der Trennzone c zurückbleibenden Überschußladungsträger zunimmt und insbesondere die Restmenge der positiven Löcher deren Mobilität geringer ist als diejenige der Elektronen, ansteigt.

Zur Vermeidung eines solchen Problems wird allgemein die Breite der Trennzone c groß gewählt, um zu verhindern, daß die Überschußladungsträger im Diodenabschnitt b einen Einfluß auf den GTO-Abschnitt a ausüben. Da jedoch die Trennzone c vollständig als Totraum bezüglich der Operationen und Funktionen von GTO-Abschnitt und Diodenabschnitt selbst wirkt, werden die effektiven Flächen von GTO-Abschnitt und Diodenabschnitt klein, wenn die Breite der Trennzone c groß eingestellt wird. Hierdurch werden infolgedessen Probleme dahingehend aufgeworfen, daß eine ausreichend große Strombelastbarkeit nicht gewährleistet werden kann, der Durchlaßspannungsbereich groß wird und dgl.

In der DE-OS 27 33 060 ist eine Halbleiter-Schaltvorrichtung mit einem Abschaltthyristor beschrieben, bei der eine Halbleiterdiode so betätigbar ist, daß sie eine Gegenblockier- bzw. Sperrspannung unterdrückt oder die gesamte Anordnung in Gegenrichtung durchschaltet, so daß die zulässige Dicke einer zweiten Halbleiterschicht und auch einer Schicht mit niedrigem spezifischen Widerstand vergrößert werden kann.

Schließlich ist aus der DE-OS 31 09 892 ein rückwärts nicht sperrender Thyristor mit kurzer Freiwerdezeit bekannt, bei dem zwischen einer eine Steuerzone kontaktierenden Steuerelektrode und einer Kathodenemitterzone eine Hilfsthyristorzone mit einem Kontaktüberzug vorgesehen ist. Zum Beseitigen von Restladungen durch Anlegen einer negativen Steuerspannung an die Steuerelektrode ist zwischen dieser Steuerelektrode und dem Kontaktüberzug eine Diode angeordnet.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine rückwärts leitende Abschalt-Thyristoranordnung zu schaffen, bei welcher aufgrund einer wirksamen Nutzung der Trennzone die effektiven oder aktiven Flächen des Abschaltthyristorabschnittes und des rückwärts leitenden Diodenabschnittes groß sind und dabei eine vergleichsweise große Strombelastbarkeit und eine kleine Durchlaßspannung erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird bei einer rückwärts leitenden Abschalt-Thyristoranordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2 und 3.

Die Steuerelektrode, die bei bisherigen ähnlichen Anordnungen nicht in der Trennzone angeordnet ist, erstreckt sich also bis in die Trennzone, so daß vergleichsweise große Flächen von GTO-Abschnitt und Diodenabschnitt erhalten werden.

Um bei einem Abschaltthyristor eine gute Abschaltzeit in den jeweiligen Kathodenabschnitten, die in mehrere Teile unterteilt sind und parallel miteinander betätigt werden, zu erreichen und damit den Spitzen-Sperrstrom zu erhöhen (nämlich die maximale Größe des Anodenstroms, der abgeschaltet oder gesperrt werden kann), ist es im allgemeinen unvermeidlich, den Widerstand der Steuerelektrode zu verringern, um den Steuerstrom effektiv herauszuführen. Beim bisherigen Abschaltthyristor beträgt daher die Fläche des Kathodenabschnitts, die als Durchlaßbereich für den Anodenstrom dient, lediglich 25-35% der Gesamtfläche dieses Thyristors. Eine größere effektive Fläche wird nun erzielt, weil ein Teil des Steuerelektrodenabschnitts, der 60-70% der Fläche des Abschaltthyristors einnimmt, typischerweise die großen Abschnitte oder Bereiche, in denen die Steuer-Zuleitungen und das druckkontinuierliche Gate mit der Steuerelektrode in Kontakt gelangen, in der Trennzone der rückwärts leitenden GTO-Anordnung angeordnet sein können, so daß damit ein neuer Kathodenabschnitt in dem Bereich geschaffen werden kann, der bei der bisherigen GTO-Anordnung als Steuerelektrode benutzt wird. Mit einer solchen Ausgestaltung können die Erhöhung der Strombelastbarkeit des GTO-Abschnitts und die Verkleinerung der Durchlaßspannung in der rückwärts leitenden GTO-Anordnung realisiert werden.

Eine Berechnung für eine rückwärts leitende GTO-Anordnung mit einem Durchmesser von 60 mm bei einer Strombelastbarkeit in einer Größenordnung von 1000 A hat ergeben, daß die Kathodenfläche im Vergleich zu derjenigen bei der bisherigen Anordnung um 20% vergrößert werden kann. Bei gleicher Plättchengröße läßt sich mithin eine rückwärts leitende GTO-Anordnung einer Strombelastbarkeit in der Größenordnung von 1200 A herstellen.

Da zudem die Steuerelektrode auf der Trennzone angeordnet ist, die eine ziemlich große Fläche benötigt, können die Kontaktflächen der Zuleitungen und dgl. für die Verbindung mit der Außenseite wesentlich größer ausgebildet werden als bei einer bisherigen GTO-Anordnung. Beim Einschließen der rückwärts leitenden GTO-Anordnung in ein Gehäuse steht mithin ein größerer Freiheitsgrad bei der Auslegung der kathodenseitigen Elektrode zur Verfügung, und der Zusammenbau wird erleichtert.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene schematische Schnittdarstellung eines Beispiels für den grundsätzlichen Aufbau einer rückwärts leitenden GTO-Anordnung nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Fehldurchschaltens der rückwärts leitenden GTO-Anordnung;

Fig. 3 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene schematische Schnittansicht des Aufbaus einer rückwärts leitenden Abschalt-Thyristoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 5 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine schematische Schnittansicht einer fünften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8 eine schematische Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht einer siebten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 10 eine Fig. 9 ähnelnde Darstellung einer achten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 11 eine Fig. 9 ähnelnde Darstellung einer neunten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12 eine schematische Schnittansicht einer zehnten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 eine Fig. 12 ähnelnde Darstellung einer elften Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14 eine schematische Aufsicht zur Darstellung der Anordnung von Elektroden bei einer zwölften Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 15 eine schematische Aufsicht zur Darstellung der Anordnung von Elektroden bei einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Nachstehend sind anhand der Fig. 3 bis 15 bevorzugte Ausführungsformen einer rückwärts leitenden Abschalt-Thyristoranordnung gemäß der Erfindung beschrieben, wobei in den Fig. 3 bis 15 den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet sind.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform ist die Steuerelektrode 17 in der Trennzone c angeordnet. Die Steuerelektrode 17 erstreckt sich vom GTO-Abschnitt a zur Trennzone c und ist in diesem Bereich mit einer Steuer-Zuleitung verbunden, die ihrerseits mit einem Steueranschluß (Klemme) G zur Verbindung mit der Außenseite verbunden ist. Die Trennzone c entspricht dem Bereich vom Ende des Diodenabschnitts b zu dem Abschnitt, in welchem die Steuerelektrode 17 im GTO-Abschnitt a mit der zweiten Basisschicht 13 in Kontakt steht. Die Steuerelektrode 17 ist im Bereich der Trennzone durch einen Isolierfilm 21 elektrisch von der zweiten Basisschicht 13 und der n⁺-leitenden Schicht 20 getrennt.

Fig. 4 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform, bei welcher die Erfindung auf einen rückwärts leitenden Abschaltthyristor mit Steuerelektrode für Flächenzündung (nämlich auf ein Gebilde, bei dem ein Hilfs-Thyristor nahe dem Steuerbereich bzw. Gate eines Haupt-Thyristors angeordnet ist und das Gate-Triggern des Haupt-Thyristors durch den Hilfs-Thyristor erfolgt) angewandt ist, wobei die Steuerelektrode in eine Steuerelektrode 17 für das Sperren und eine auf der Trennzone c angeordnete Steuerelektrode 22 für das Durchschalten unterteilt ist. Dabei ist der Isolierfilm 21 auf der zweiten Basisschicht 13 und der n⁺-Schicht 20 in der Trennzone c ausgebildet, während die Steuerelektrode 22 für das Durchschalten auf dem Isolierfilm 21 angeordnet ist. Ein Teil der Durchschaltsteuerelektrode 22 steht mit der zweiten Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a in Kontakt. Die mit einem ersten Steueranschluß G₁ für das Durchschalten verbundene Steuer-Zuleitung ist an die Steuerelektrode 22 angeschlossen. Eine zweite Emitterschicht 24 eines Hilfs-Abschaltthyristors ist im Bereich neben der Steuerelektrode 22 im GTO-Abschnitt a ausgebildet. Auf der zweiten Emitterschicht 24 ist eine Hilfs-Steuerelektrode 23 vorgesehen. Letztere steht sowohl mit der zweiten Basisschicht 13 als auch der zweiten Emitterschicht 24 des Hilfs-GTO in Kontakt, so daß sie diese beiden Schichten verbindet. Obgleich die Hilfs-Steuerelektrode 23 wünschenswerterweise, wie dargestellt, mit der Steuerelektrode 17 eines Haupt-GTO verbunden ist, sind Elektrode 23 und Steuerelektrode 17 nicht notwendigerweise direkt miteinander verbunden. Die Steuerelektrode 17 ist an einen zweiten Steueranschluß G₂ für das Sperren angeschlossen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Steuerelektrode 17 unmittelbar mit dem zweiten Sperr-Steueranschluß G₂ verbunden; die Anordnung kann jedoch auch so getroffen sein, daß die Steuerelektrode 17 mit dem zweiten Steuer-Anschluß G₁ über eine Diode verbunden ist, die monolithisch neben der Steuerelektrode 17 ausgebildet ist (ein Beispiel für eine monolithisch neben dem Steuerbereich bzw. Gate ausgebildete Diode ist in Fig. 6 veranschaulicht).

Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die Erfindung wiederum auf einen rückwärts leitenden Abschaltthyristor angewandt, bei dem die Steuerelektrode in eine Steuerelektrode für das Sperren und eine Steuerelektrode für das Durchschalten unterteilt ist und eine Ausbildung mit Steuerelektrode für Flächenzündung vorgesehen ist. Die Sperr-Steuerelektrode 17 ist auf der Trennzone c angeordnet. Die Steuerelektrode 17 ist so ausgebildet, daß sie jedes GTO-Element umschließt, das durch jedes Segment der zweiten Emitterschicht 14 definiert ist. Die Steuerelektrodenstruktur für Flächenzündung wird dadurch gebildet, daß die Hilfs-Steuerelektrode 23 und die zweite Emitterschicht 24 in einem vom Bereich der Steuerelektrode 17 verschiedenen Bereich im GTO-Abschnitt a ausgebildet ist.

Die vierte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 6 bezieht sich auf eine Anordnung, bei welcher die Erfindung auf einen rückwärts leitenden Abschaltthyristor mit Steuerelektrodeausbildung für Flächenzündung angewandt ist. Eine Kathodenelektrode 25 der monolithisch ausgebildeten Hilfsdiode ist auf der Trennzone c ausgebildet. Bei der GTO-Anordnung, bei welcher eine Steuerelektrodeausbildung für Flächenzündung angewandt wird, ist die Hilfsdiode im allgemeinen zwischen die Steuerelektrode 17 für das Sperren des Haupt-GTO und die Steuerelektrode 22 für das Durchschalten des Hilfs-GTO geschaltet, damit der Hilfs-GTO sicher abgeschaltet bzw. gesperrt werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist die Hilfsdiode monolithisch ausgebildet. In der Praxis ist eine als Kathodenschicht 26 der Hilfsdiode dienende n⁺-leitende Schicht in der zweiten Basisschicht 13 ausgebildet, und die Hilfsdiode wird durch die Kathodenschicht 26 und die zweite Basisschicht 13 geformt. Die mit der Kathodenschicht 26 verbundene Sperr-Elektrode 25 ist elektrisch mit der Durchschalt-Elektrode 22 und weiterhin mit dem Steueranschluß G für die Verbindung mit der Außenseite verbunden. Eine n⁺-leitende Schicht 27 zur Verhinderung einer parasitären Thyristoroperation ist an der Anodenseite im Hilfs-Diodenabschnitt ausgebildet; zur weiteren Verhinderung einer parasitären Transistoroperation ist weiterhin dieser Bereich selektiv und stark mit einem Lebensdauerunterdrücker-Fremdstoff dotiert. Damit bei einer rückwärts leitenden GTO-Anordnung Überschußladungsträger im Diodenabschnitt b aufgrund der Rekombination gelöscht werden können, bevor sie den GTO-Abschnitt a erreichen, kann lediglich die Trennzone c selektiv und stark mit dem Lebensdauerunterdrücker-Fremdstoff dotiert sein. Bei dieser Ausführungsform ist die Hilfsdiode monolithisch neben der Trennzone ausgebildet, woraus sich der Vorteil ergibt, daß die beiden oben genannten Dotierungsvorgänge gleichzeitig durchführbar sind.

Bei der in Fig. 7 dargestellten fünften Ausführungsform ist die Erfindung wiederum auf eine rückwärts leitende GTO-Anordnung mit Steuerelektrodenausbildung für Flächenzündung angewandt. Die Kathodenelektrode 25 der monolithisch erzeugten Hilfsdiode ist auf der Trennzone c materialeinheitlich mit der Steuerelektrode für das Durchschalten ausgebildet. Die im Hilfs-GTO erzeugte Elektrode 23 und die Kathodenelektrode 25 der monolithisch ausgebildeten Hilfsdiode sind durch eine in Fig. 7 dargestellte Doppellagenverdrahtung (oder durch Anordnung in einem Abstand in waagerechter Richtung) elektrisch getrennt. Die im Hilfs-GTO-Abschnitt ausgebildete Elektrode 23 ist zur Verstärkung der Wirkung des Hilfs-GTO elektrisch mit der Steuerelektrode 17 verbunden.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können der GTO-Abschnitt a und der Diodenabschnitt b in waagerechter Richtung in beliebiger Lage angeordnet sein. Weiterhin können für die Ausbildungen dieser Abschnitte a und b beliebige andere als die vorstehend dargestellten Strukturen angewandt werden, beispielsweise eine Anodenstruktur mit Emitterkurzschlüssen o. dgl., wobei die Bauteile und Elemente der Steuerelektrodenausbildung für Flächenzündung zweckmäßig modifiziert werden können. Wie erwähnt, kann andererseits die in der Trennzone c ausgebildete n⁺-leitende Schicht 20 durch eine Rille oder durch ein dielektrisches Material o. dgl. ersetzt werden. Außerdem können die zweite Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a und die Anodenschicht 13′ im Diodenabschnitt b durch z. B. selektive Diffusion o. dgl. vollständig voneinander getrennt sein. Obgleich weiterhin die mit dem Steuer-Anschluß zur Herausführung verbundene Steuer-Zuleitung an die auf der Trennzone c ausgebildete Elektrode angeschlossen ist, braucht die Steuer-Zuleitung nicht notwendigerweise an diesen Bereich angeschlossen zu sein, vielmehr kann sie nach verschiedenen anderen Verfahren angeschlossen sein, beispielsweise durch Druckkontaktierung sowie auch nach einem gewöhnlichen Verbindungsverfahren.

Die in Fig. 8 dargestellte sechste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Ausgestaltung, bei welcher in der Trennzone c eine Drainzone 42 vorgesehen ist, um die vom Diodenabschnitt b zur Kathodenelektrode 16 überfließenden positiven Überschuß-Löcher abzuleiten, ohne sie durch die Basisschicht im GTO-Abschnitt a fließen zu lassen. Bei dieser Ausführungsform ist ebenfalls die n⁺-leitende Schicht 20 in der Trennzone c durch eine Rille 40 ersetzt. Die in der Trennzone c vorgesehene Drainzone 42 ist durch selektives Eindiffundieren einer n⁺-leitenden Schicht 43 in die Bereiche zu beiden Seiten der Drainzone 42 ausgebildet. Eine Drainelektrode der Drainzone 42 ist mit der Anodenelektrode 19 im Diodenabschnitt b integriert, und das Potential der Drainzone 42 wird aufgrund der Anodenelektrode 19 auf der gleichen Größe wie das Potential der Anodenschicht 13′ gehalten. Da die Unterseite der n⁺-leitenden Schicht 43 eine pnpn-Struktur besitzt, ist zur Verhinderung des Latch-up-Effekts die der Anodenelektrode 19 zugewandte Fläche der n-leitenden Schicht 43 mit einer Isolierschicht 41 bedeckt.

Im folgenden ist ein Beispiel für die praktische Realisierung dieser Ausführungsform beschrieben. Die erste Emitterschicht 11 der GTO-Anordnung ist mit einer Oberflächen-Fremdatomkonzentration von 1,0×10¹⁸/cm³ bei einer Diffusionstiefe von 50 µm dotiert. Die erste Basisschicht 12 ist mit einer Fremdatomkonzentration von 6,5×10¹³/cm³ und einer Dicke von 250 µm ausgebildet. Die zweite Basisschicht 13 ist durch Diffusion mit einer Oberflächen-Fremdatomkonzentration von 1×10¹⁸/cm³ und einer Diffusionstiefe von 50 µm ausgebildet. Die zweite Emitterschicht 14 besitzt eine Fremdatomkonzentration von mehr als 10¹⁹/cm³ und eine Diffusionstiefe von 10 µm. Die Kathodenschicht 15 im Diodenabschnitt b besitzt eine Oberflächen-Fremdatomkonzentration von 2,0×10¹⁹/cm³ und eine Diffusionstiefe von 70 µm. Die Anodenschicht 13′ ist durch Diffusion gleichzeitig mit der zweiten Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a ausgebildet. Die n⁺-Schicht 43 zur Ausbildung der Drainzone 42 ist durch Diffusion gleichzeitig mit der zweiten Emitterschicht 14 im GTO-Abschnitt a ausgebildet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzen die Trennzone c eine Breite von 500 µm und die n⁺-Schicht 43 eine Breite d_s von 200 µm.

Die Fläche der Drainzone 42 liegt somit unter 20% der Fläche des Diodenabschnitts b. In diesem Fall besitzt der durch die Drainzone 42 fließende Strom eine kleine Größe von weniger als 1% des Diodenstroms, und die Drainzone 42 wirkt im wesentlichen nur zum Ableiten der Überschußladungsträger. Zur Gewährleistung einer eine Fehlzündung verhindernden Funktion, die bei diesem Beispiel nahezu derjenigen bei der Anordnung ohne Drainzone 42 äquivalent ist, muß die Trennzone c eine Breite von 1,2 mm besitzen. Die Breite der Trennzone c beträgt bei diesem Beispiel somit weniger als 1/2 derjenigen bei der Anordnung ohne Drainzone 42.

Wenn bei der sechsten Ausführungsform die Trennzone mit einem Lebensdauerunterdrücker-Fremdstoff dotiert ist, kann die Anordnung auch bei einem größeren dI_D/dt-Wert sicher arbeiten.

Die in Fig. 9 gezeigte siebte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, bei welcher eine Diode 29 zum Überbrücken der vom Diodenabschnitt b überfließenden positiven Überschuß-Löcher vorgesehen ist. In der Trennzone c ist eine Elektrode 28 vorgesehen, an welche eine mit der Anode der Diode 29 verbundene Zuleitung angeschlossen ist. Die Elektrode 28 ist getrennt von der Steuerelektrode 17 vorgesehen, die in niederohmigem Kontakt mit der zweiten Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a steht.

Bei dieser Ausführungsform ist die an die Diode 29 angeschlossene Zuleitung aus der Trennzone c herausgeführt, so daß, die effektiven oder aktiven Flächen von GTO-Abschnitt a und Diodenabschnitt b vergrößert sein können.

Bei der in Fig. 10 dargestellten achten Ausführungsform der Erfindung ist eine Diode für Überbrückung, die eine ähnliche Aufgabe wie die Diode 29 bei der Ausführungsform nach Fig. 9 erfüllt, monolithisch ausgebildet. Um nämlich die positiven Überschuß-Löcher wirksam bzw. effektiv herauszuführen, ist in der Trennzone c eine Elektrode 30 ausgebildet, die eine Schottky-Diode zwischen der zweiten Basisschicht 13 und der Elektrode 30 bildet. Die Elektrode 30 ist außerdem von der Steuerelektrode 17 getrennt. Die Elektrode 30 und die Kathodenelektrode 16 können nach einem Verbindungsverfahren oder mittels einer Al-Elektrode miteinander verbunden sein.

Da bei dieser Ausführungsform der Durchlaßspannungsabfall der Schottky-Diode nur durch eine Potential-Sperre an der Grenzfläche von Halbleiter und Metall bestimmt wird, kann der Durchlaßspannungsabfall der Schottky-Diode so verringert werden, daß er wesentlich kleiner ist als derjenige der pn-Sperrschichtdiode. Auf diese Weise können somit Überschuß-Löcher effektiv abgeleitet werden.

Bei der in Fig. 11 dargestellten neunten Ausführungsform der Erfindung ist wiedeum, ähnlich wie bei der achten Ausführungsform, die Diode für Überbrückung monolithisch ausgebildet; in diesem Fall ist jedoch die Überbrückungsdiode durch Diffusion einer n⁺-Schicht 50 ausgebildet.

An der Anodenseite des Überbrückungsdiodenabschnitts ist eine n⁺-Schicht 51 zur Verhinderung der parasitären Thyristoroperation vorgesehen. Weiterhin kann eine mögliche parasitäre Transistoroperation auch dadurch verhindert werden, daß der Überbrückungsdiodenabschnitt selektiv und stark mit dem Lebensdauerunterdrücker-Fremdstoff dotiert wird.

Die in Fig. 12 dargestellte zehnte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Ausgestaltung, bei welcher ein zwischen Steuerelektrode 17 und Anodenelektrode 19 in der Trennzone c eingefügter MOSFET materialeinheitlich ausgebildet ist. Dazu ist in der Trennzone c eine p^--leitende Schicht 31 ausgebildet, während als Source und Drain wirkende n-leitende Schichten 32 bzw. 33 in der p^--leitenden Schicht 31 erzeugt sind. Eine Steuerelektrode 35 ist auf einer Isolierschicht 34 zwischen den n-leitenden Schichten 32 und 33 ausgebildet. Die Steuerelektrode 17 ist mit der n-leitenden Schicht 32 verbunden, während die Anodenelektrode 19 im Diodenabschnitt b mit der n-leitenden Schicht 33 verbunden ist. Die Anodenelektrode 19 ist mit der Kathodenelektrode 16 verbunden. Diese zusammengeschalteten Anoden- und Kathodenelektroden 19 bzw. 16 sind an den Kathodenanschluß K angeschlossen. Die Gate-Elektrode 35 des MOSFETs ist mit dem Gate-Anschluß G_F verbunden.

Mit dieser Ausführungsform kann eine rückwärts leitende GTO-Anordnung realisiert werden, die zum Sperren durch den MOSFET angesteuert werden kann, wobei die Ausbildung des MOSFETs kaum eine Flächenvergrößerung bedingt.

Eine elfte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 13 bezieht sich auf eine Anordnung, bei welcher ein mit dem GTO-Abschnitt verbundener MOSFET für Emitter öffnen integriert ist. Der Aufbau des MOSFETs ist ähnlich wie bei dem gemäß der zehnten Ausführungsform. Weiter vorgesehen ist eine zwischen die Elektroden 17 und 19 geschaltete Zener-Diode 36 zur Unterdrückung der Spannung zwischen Source und Drain des MOSFETs. Die Kathodenelektrode 16 ist nicht mit dem Kathodenanschluß K verbunden, sondern steht mit der n-leitenden Schicht 33 des MOSFETs in Kontakt. Die Kathodenelektrode 16 ist von den p-leitenden Schichten 13, 31 und der n-leitenden Schicht 12 durch die Isolierschicht 21 elektrisch getrennt. Der Kathodenanschluß K ist mit der Elektrode 19 verbunden. Bei dieser Ausführungsform kann der MOSFET ebenfalls ohne Vergrößerung der Fläche integriert werden.

Fig. 14 veranschaulicht eine zwölfte Ausführungsform der Erfindung, die sich auf eine Anordnung bezieht, bei welcher ein Emittermuster zur weiteren Vergrößerung der Effektivfläche der GTO-Anordnung ausgelegt ist. Während beim bisherigen Abschaltthyristor das radiale Emittermuster (vgl. Fig. 15) angewandt wird, ist bei dieser Ausführungsform der kreisförmige GTO-Abschnitt in mehrere sektorartige Bereiche, wie die Kathodenelektrode 16 gemäß Fig. 14, unterteilt, wobei in jedem sektorartigen Bereich ein paralleler bandartiger Emitter ausgebildet ist.

Mit diesem Muster wird die Effektivfläche der GTO-Anordnung im Vergleich zum radialen Muster um etwa 10% vergrößert, so daß die deutliche Vergrößerung der Effektivfläche mit Hilfe der doppelten Wirkung zusätzlich zur Vergrößerung der Effektivfläche aufgrund der Anwendung der Trennzone c erreicht wird.

Bei der in Fig. 15 dargestellten dreizehnten Ausführungsform der Erfindung ist der um den GTO-Abschnitt herum ausgebildete Diodenabschnitt in mehrere Teile unterteilt, wobei eine Verbindung von den Bereichen dieser unterteilten Diodenabschnitte zu den Steuer-Anschlüssen G hergestellt ist.

Die Erfindung ermöglicht die wirksame Nutzung des Abschnitts auf der Trennzone bei der rückwärts leitenden GTO-Anordnung; demzufolge kann in diesem Bereich noch eine andere Elektrode vorgesehen sein, oder es kann ein anderes Bauelement unter Heranziehung dieses Bereichs integriert sein.

Claims

1. Rückwärts leitende Abschalt-Thyristoranordnung mit:

- einem Halbleiterkörper,
- einem Abschaltthyristorabschnitt (a), der im Halbleiterkörper ausgeführt ist und der eine p-leitende Basiszone (13) und eine die p-leitende Basiszone (13) kontaktierende Steuerelektrode (17; 22) aufweist,
- einem rückwärts leitenden Diodenabschnitt (b), der im Halbleiterkörper und nahe bei dem Abschaltthyristorabschnitt (a) ausgeführt ist, der eine mit der p-leitenden Basiszone (13) des Abschaltthyristorabschnitts (a) verbundene p-leitende Anodenschicht (13′) aufweist und der eine antiparallel zum Abschaltthyristorabschnitt (a) liegenden Diode bildet,
- einem Trennabschnitt (c), der in dem zwischen dem Abschaltthyristorabschnitt (a) und dem Diodenabschnitt (b) liegenden Bereich im Halbleiterkörper ausgeführt ist, wobei im Trennabschnitt (c) eine durch eine Rille (40) oder eine n-leitende Zone (20) gebildete Trenneinrichtung vorgesehen ist, um die p-leitende Basiszone (13) des Abschaltthyristorabschnittes (a) von der p-leitenden Anodenschicht (13′) des rückwärts leitenden Diodenabschnittes (b) zu trennen, und
- einem Isolierfilm (21), der auf einer der Anodenseite des rückwärts leitenden Diodenabschnittes (b) entsprechenden Hauptfläche des Trennabschnittes (c) vorgesehen ist und sich über die Trenneinrichtung (20) erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Steuerelektrode (17; 22) sich bis über den Isolierfilm (21) erstreckt.

2. Thyristoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschaltthyristorabschnitt (a) eine zusätzliche Steuerelektrode für Flächenzündung aufweist und die Steuerelektrode eine Steuerelektrode für Durchschaltsteuerung ist.

3. Thyristoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschaltthyristorabschnitt (a) eine zusätzliche Steuerelektrode für Flächenzündung aufweist und die Steuerelektrode eine Steuerelektrode für Abschaltsteuerung ist.