DE3689680T2

DE3689680T2 - Mittels Steuerelektrode abschaltbarer Thyristor mit unabhängigen Zünd-/Lösch-Kontrolltransistoren.

Info

Publication number: DE3689680T2
Application number: DE3689680T
Authority: DE
Inventors: Akio Patent Division Nakagawa; Takashi Patent Divisio Shinohe
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1994-06-23
Anticipated expiration: 2006-10-01
Also published as: US4760431A; EP0219995A3; DE3689680D1; EP0219995A2; EP0219995B1; US4914496A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen mittels Steuerelektrode abschaltbaren Thyristor und insbesondere einen mittels Steuerelektrode abschaltbaren Thyristor mit unabhängigen Transistorelementen zur Steuerung des Zündens und Löschens des Thyristors.
Bisher ist es bekannt, zusätzlich zu einem Zündsteuertransistorelement ein Transistorelement vorzusehen, welches ausschließlich das Löschen der Hochleistungs-Abschaltthyristoren (gate turn-off thyristors - GTO-Thyristoren) steuert. So ist beispielsweise lt. V.A.K. Temple "MOS CONTROLLED THYRISTORS (MCT's)", IEEE IEDM Tech. Digest, Seiten 282-285 (1984), ein GTO-Thyristor mit einem n-Kanal-Einschaltsteuer-FET und einem p-Kanal-Abschaltsteuer-FET in der Fig. 4 dieser Veröffentlichung dargestellt. Bei diesem Thyristor wird der p-Kanal-FET bei Vorliegen einer an eine Steuerelektrode gelegten Steuerspannung in einen leitenden Zustand gebracht, und die Emitterschicht des n-Typs sowie die Basisschicht des p-Typs des GTO-Thyristors werden dazwischen elektrisch kurzgeschlossen, wodurch das Abschalten des Thyristors gesteuert wird.
Beim GTO-Thyristor ist es jedoch ausführungsbedingt schwierig, die Abschaltoperation wirksam zu steuern. Die Ursache hierfür ist, daß kaum ein Löschstrom aufgrund eines einer Basisschicht des p-Typs inhärenten lateralen Widerstandes in der Zone der p-Basisschicht (d. h. in der zentralen Zone des GTO-Thyristors), welche von einer Kanalzone relativ weit entfernt ist (Löschkanal) und in welcher der Löschstrom zunächst zu fließen beginnt, fließt, was dazu führt, daß das Abschalten in dieser Zone verzögert wird. Insbesondere fungiert bei diesem Beispiel der Oberflächenabschnitt der p-Basisschicht, welche leitend wird, wenn der GTO-Thyristor mittels der hochdotierten p-Zone (in der Emitterschicht des n-Typs ausgeformt) über den Löschkanal abgeschaltet wird, auch als ein Einschaltkanal. Mit anderen Worten, der Oberflächenabschnitt der niedrigdotierten p-Basisschicht wird unmittelbar als Einschaltkanal des Einschaltsteuer-FET. Es ist deshalb nicht zulässig, den spezifischen Widerstand des Einschaltkanals auf einen niedrigen Wert zu verändern. Wenn nämlich die Dotierungskonzentration des Oberflächenabschnitts der p-Basisschicht hoch genug ist, deren spezifischen Widerstand zu senken, steigt der Schwellspannungspegel des Einschaltkanals an, wodurch es unmöglich wird, das Einschalten des Thyristors wirksam zu steuern.
Des weiteren kann entsprechend dem herkömmlichen GTO-Thyristor mit den Einschalt- bzw. Zünd- und Abschalt- bzw. Löschsteuer-FET's dessen Stehspannung nicht wie erforderlich verbessert werden. Für den Thyristor ist es notwendig, den spezifischen Widerstand der Basisschicht des n-Typs auf einen relativ hohen Wert einzustellen (d. h. eine geringe Dotierungskonzentration), um die Stehspannung des Thyristors zu verbessern. Geht man jedoch so vor, dann ist ein Anstieg des spezifischen Widerstandes für den Löschstrom unvermeidlich, wodurch die Strombelastbarkeit zum Zündzeitpunkt verringert wird.
Aus "Patent Abstract of Japan", Bd. 9, Nr. 181 (E-331) (1904), 1885 und JP-A-6053078 ist bekannt, einen Abschaltthyristor bereitzustellen, welcher eine n-Basisschicht, eine p-Emitterschicht (Anodenschicht), eine Vielzahl von p-Basiszonen und n-Emitterschichten (Kathodenschicht) umfaßt. Die p- Emitterschicht und die p-Basiszonen sind auf gegenüberliegenden Seiten der n-Basisschicht ausgeformt. In jeder p-Basiszone ist eine n-Emitterschicht ausgeformt. Außerdem weist der GTO-Thyristor MOS-Transistoren zum Ein- und Abschalten des Thyristors auf, welche auf der Kathodenseite des Geräts ausgebildet sind. Jeder Zünd-MOSFET bildet zwischen einer n- Basisschicht und einer n-Emitterschicht einen Stromkanal über eine p-Basisschicht, wenn die Steuerelektrode auf eine positive Spannung gebracht wird. Wird die Lösch-Steuerelektrode auf eine negative Spannung gebracht, so tritt zwischen der p- Basis und dem n-Emitter ein Kurzschluß auf.
Wir bestätigen ferner, daß die EP-A-0017980 einen GTO-Thyristor mit einem MOSFET zum Zünden beschreibt. Der Zündkanal ist in einer schwach dotierten Zone neben einer p-Basiszone ausgebildet.
Andererseits ist ein Leistungsgerät mit MOS-gesteuerten Emitterkurzschlüssen von M. Stoisiek et al., Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Bd. 14, Nr. 2, S. 45-49 (1985) beschrieben. Für die Kanalzone eine Lösch-MOSFET ist eine niedrige Dotierungskonzentration vorgesehen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen und verbesserten Abschaltthyristor vorzusehen, welcher zum sehr schnellen Zünden und Löschen wirksam gesteuert werden kann, und welcher hervorragende grundlegende Eigenschaften besitzt, wie Steuerelektrodenempfindlichkeit und Strombelastbarkeit.
Zur Lösung der obigen Aufgabe stellt die Erfindung einen Abschaltthyristor gemäß Anspruch 1 dieser Beschreibung bereit.
Die Erfindung mit ihren Aufgaben und Vorteilen wird anhand der nachstehenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den bei liegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht der Hauptbestandteile eines mittels Steuerelektrode abschaltbaren (GTO) Thyristors mit Zünd-/Löschsteuer-MOSFET s desselben Kanaltyps entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht eines GTO-Thyristors entlang der Linie II-II in der Fig. 1 (nicht maßstäblich);
Fig. 3 eine Schnittansicht eines Halbleitergeräts mit einem Haupt-GTO-Thyristor und dem in der Fig. 1 dargestellten GTO-Thyristor als Hilfsthyristor zur Ansteuerung des Haupt-GTO-Thyristors (nicht maßstäblich);
Fig. 4 eine Draufsicht eines GTO-Thyristors mit Zünd/Löschsteuer-MOSFET's unterschiedlicher Kanaltypen entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 5 eine Schnittansicht des GTO-Thyristors entlang der Linie V-V in der Fig. 4 (nicht maßstäblich).
Nunmehr sei auf die Fig. 1 und 2 verwiesen, welche einen mittels Steuerelektrode abschaltbaren bzw. GTO-Thyristor 10 einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform darstellen. Die Fig. 2 zeigt schematisch den Schichtaufbau eines GTO- Thyristors entlang der U-förmigen Linie II-II in der Fig. 1. Die Darstellung der Fig. 2 verzichtet auf die Isolierschichten, so daß der wesentliche Abschnitt eines komplizierten Aufbaus des Geräts visuell besser verständlich wird.
Wie in der Fig. 2 dargestellt, hat der GTO-Thyristor 10 eine herkömmliche "pnpn-Schichtstruktur", welche aus einem Emitter des p-Typs 12, Basisschichten des n-Typs 14 und 16, einer Basis des p-Typs 18 (oder 18') und einem Emitter des n-Typs 20 aufgebaut ist. Die p-Basis des Thyristors 10 ist, wie in der Fig. 1 gezeigt, in zwei Schichten des p-Typs 18 und 18' (dazwischen ist die Oberflächezone einem linearen n-Basis angeordnet) unterteilt. Der n-Emitter 20 ist, wie aus der Fig. 1 zu ersehen ist, in eine Vielzahl von Schichtkomponenten mit rechtwinkliger, schlanker, ebener Form unterteilt. Eine leitende Schicht 22 ist auf dem Emitter 12 ausgeformt und dient als eine Anodenelektrode A (erste Hauptelektrode). Eine leitende Schicht 24 hat eine auf dem Emitter 20 ausgeformte Schichtkomponente und ist mit dem Emitter 20 unmittelbar leitend verbunden, so daß sie dadurch als eine Kathodenelektrode C (zweite Hauptelektrode) dient.
Der Thyristor 10 verfügt über MOSFET's Q1 und Q2 zur unabhängigen Steuerung des Zündens/Löschens bzw. Ein-/Abschaltens des Thyristors. Die Zündsteuerungs-MOSFETS Q1 und Q1' sind jeweils in Halbleiterschichten des p-Typs 26a und 26b sowie zusätzlich in der Umfangszone der p-Basis 18 des Thyristors 10 ausgeformt. Die Schichten 26 sind flacher als die p-Basis 18, und ihr spezifischer Widerstand ist auf einen höheren Wert als der der Schicht 18 des Körpers des Thyristors 10 eingestellt. Die Schichten 26 werden nach dem Diffusionsschritt des Dotierungsstoffes in den Schicht 16 zur Bildung der Basis 18 ausgebildet, indem der Dotierungsstoff desselben Leitfähigkeitstyps mit unterschiedlicher Konzentration (geringere Dotierungskonzentration) in die Schicht 16 eindiffundiert wird. Die Schichten 26 können deshalb im wesentlichen als Teil der p-Basis des Thyristors 10 fungieren.
Hochdotierte Halbleiterschichten 28 und 30 des n-Typs sind räumlich in der Schicht 26a ausgeformt. Die Schicht 28 erstreckt sich linear entlang dem Umfangsrand der p-Basis (und damit parallel zu den kurzen Seiten des Emitters 20 der rechtwinkligen, schlanken Form). Die Schicht 30 erstreckt sich senkrecht zur Schicht 28, so daß sie parallel zu den langen Seiten des Emitters 20 verläuft. Eine leitende Schicht 32 ist auf der p-Basis 26a ausgeformt, so daß sie eine elektrische Verbindung der Schichten 28 und 30 herstellt und die zusätzliche p-Basisschicht 26 kurzschließt. Somit fungiert die Schicht 32 als eine Sourceelektrode (oder Verstärkungs-Steuerelektrode) des MOSFET Q1. Eine leitende Schicht 34 ist so über der Basis 16 ausgeformt, daß sie die Oberflächenzone der n-Basis 16 zwischen den p-Basen 18 und 18' abdeckt. Die Schicht 34 ist gegenüber den Schichten 16, 18, 26 und 28 durch eine Gate-Isolierschicht 36 isoliert. Somit wird der n-Kanal-MOSFET Q1 mit veränderlicher Leitfähigkeit verwirklicht, welcher die Schicht 28 des n&spplus;-Typs als Source, die leitende Schicht 34 als Zündsteuerelektrode (im folgenden mit "EIN-Elektrode" abgekürzt) und eine obere Oberflächenzone der Schicht 26a unmittelbar unter der Schicht 36 als eine Kanalzone CH1 umfaßt.
Halbleiterschichten 28' und 40 des n&spplus;-Typs sind auf ähnliche Weise in der Schicht 26b ausgeformt und durch eine Elektrodenschicht 32' mit der Schicht 26b kurzgeschlossen (siehe Fig. 2). Eine EIN-Elektrodenschicht 34' und eine Gate-Isolierschicht 26' sind ähnlich dem FET Q1 ausgeformt, um einen n-Kanal-MOSFET Q1' mit veränderlicher Leitfähigkeit zu verwirklichen (in der Fig. 2 ist die Schicht 28' identisch mit der Schicht 28, jedoch aus Gründen der Darstellungsvereinfachung durch ein "Hochkomma" gekennzeichnet. Gleiches gilt für die Schichten 32', 34' und 36'). Die EIN-Elektroden 34 und 34' der FET's Q1 und Q1' sind mit einem Gateanschluß G1 der Zündsteuerelektrode verbunden. Eine externe Steuerspannung zur Steuerung des Zündens des Thyristors 10 wird an den Anschluß G1 gelegt.
Eine Abschalt- bzw. Löschsteuerelektrodenschicht 50 (im folgenden als "ABSCHALT-Elektrode" abgekürzt) ist über der Schicht 18 so ausgeformt, daß sie sich entlang den langen Seiten des rechtwinkligen n-Emitters erstreckt und sich im wesentlichen selbst auf die Schichten 20 und 30 ausrichtet. Die ABSCHALT-Elektrodenschicht 50 bedeckt, wie am besten aus der Fig. 2 zu ersehen ist, die Oberflächenzonen der Schichten 26a und 18, welche zwischen dem n&spplus;-Emitter 20 und der n&spplus;- Schicht 30 angeordnet sind. Die ABSCHALT-Elektrodenschicht 50 ist mittels einer Gate-Isolierschicht 52 gegenüber den Schichten 18, 20, 26, 30 isoliert. Deshalb wird der n-Kanal- MOSFET Q2 verwirklicht, welcher die Schicht 18 des n&spplus;-Typs als Drain und die obere Oberflächenzone der p-Schichten 18 und 26a umfaßt, welche zwischen den Schichten 20 und 30 und unmittelbar unter der Schicht 52 als eine Kanalzone CH2 angeordnet sind. Der MOSFET Q2 fungiert als Abschalt- bzw. Löschsteuertransistor. (Es ist nicht immer erforderlich, das rechte Ende der Schicht 26, wie in der Fig. 2 gezeigt, so zu verlängern, daß es unter der Schicht 50 zu liegen kommt. Es ist ausreichend, wenn die Schicht 25 die Schicht 30 zumindest teilweise überlappt).
In einer ähnlichen Weise sind eine Gate-Isolierschicht 54 und eine ABSCHALT-Elektrodenschicht 56 auf der Basisschicht 18 des p-Typs übereinandergeschichtet angeordnet. Somit wird ein n-Kanal-MOSFET Q2' verwirklicht, welcher die Schicht 40 des n&spplus;-Typs als Drain und die obere Oberflächenzone der p-Schichten 18 und 26b umfaßt, welche zwischen den Schichten 20 und 40 und unmittelbar unter der Gate-Isolierschicht 54 als eine Kanalzone CH2' angeordnet sind. EIN-Elektroden 50 und 56 der FET's Q2 und Q2' sind mit einem Gateanschluß G2 der Zündsteuerelektrode verbunden, an den eine externe Steuerspannung zur Steuerung des Löschens des Thyristors 10 gelegt wird. Da wie oben beschrieben die Elektrodenschicht 32 mit den n&spplus;- Schichten 28 und 30 verbunden ist, ist die Source 28 der EIN- Elektrode von MOSFET Q1 elektrisch mit den p-Schichten 18 und 26a verbunden. In ähnlicher Weise sind Source 28' des MOSFET Q1' sowie die Schichten 18 und 26b elektrisch untereinander durch die Elektrodenschicht 32' verbunden. Die Schichten 32 oder 32' fungieren deshalb als eine verstärkende Steuerelektrode.
Der GTO-Thyristor des obenbeschriebenen Aufbaus wurde von den Erfindern experimentell durch einen Herstellungsprozeß gefertigt, welcher nachstehend beschrieben werden wird. Zunächst wurde ein Siliziumwafer des n-Typs zur Bildung der Schicht 16 hergestellt. Der spezifische Widerstand dieses Wafers betrug 120 bis 150 Ωcm, und seine Dicke war auf 350 pm eingestellt. Der Wafer 16 wurde einem Diffusionsprozeß mit Dotierungsstoffen den n- und p-Typs unterworfen, um so die hochdotierte Basis 14 des n-Typs mit einer Dicke von 30 pm und den hochdotierten Emitter 12 des p-Typs mit einer Dicke von 30 um in einem Oberflächenabschnitt des Wafers 16 auszubilden.
Anschließend wurde ein Dotierungsstoff des p-Typs in den gegenüberliegenden Oberflächenabschnitt des Wafers 16 eindiffundiert, um die p-Basisschicht 18 zu bilden. Danach erfolgte in einem Wärmeoxidierungsschritt die Ausbildung der Gate-Isolierschichten 36, 52 und 54 mit einer Dicke von 100 nm auf dem Wafer. Auf den Schichten 36, 52 und 54 wurden polykristalline Siliziumschichten aufgebracht, um die obengenannten Schichten 34, 50 und 56 zu bilden. Danach wurden mittels der als Teile von Masken dienenden Schichten 34, 50 und 56 der n-Emitter 20, die Subbasisschichten des p-Typs 26a und 26b und die Halbleiterschichten des n&spplus;-Typs 28, 30, 40 nacheinander auf den Oberflächenabschnitten des Wafers 16 ausgeformt. Nach Ausbildung einer Isolierschicht zur Abdeckung der Schichten 34, 50 und 56 wurden die als Anoden- und Kathodenelektroden dienenden Metallschichten 22 und 24 und die als verstärkende Steuerelektrode dienende Metallschicht 32 ausgeformt, um den GTO-Thryristor mit unabhängigen Zünd-/Löschsteuer-MOSFET's zu vervollständigen.
Nunmehr wird ein Betriebsmodus bezüglich der Zünd-/Löschsteuerung des GTO-Thyristors entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben. Soll der Thyristor 10 gezündet werden, so wird eine positive Spannung an den gemeinsamen EIN-Elektrodenanschluß G1 der MOSFET's Q1 und Q1' gelegt. Damit werden die MOSFET's Q1 und Q1' leitend gemacht, und Elektronen von den Sources 28 und 28' der MOSFET's Q1 und Q1' werden über die Zonen CH1 und CH1' in die n-Basisschicht 16 implantiert. Als Ergebnis wird der Sourcestrom des MOSFET Q1 über die Elektrodenschicht 32 an die p-Basis 18 und die Subbasis 26a geliefert. Gleichzeitig wird der Sourcestrom des MOSFET Q1' über die Schicht 32' an die p-Basis 18 und die Subbasis 26b geliefert. Der GTO-Thyristor 10 kann deshalb gezündet werden.
Ist andererseits der GTO-Thyristor 10 abzuschalten, so wird das Potential des gemeinsamen Anschlusses G1 der MOSFET's Q1 und Q1' zwangsweise auf Null gesetzt und eine positive Spannung an den gemeinsamen Anschluß G2 der MOSFET's Q2 und Q2' gelegt. Damit werden die FET's Q1 und Q1' in den nichtleitenden und die MOSFET's Q2 und Q2' in den leitenden Zustand versetzt. Der n-Emitter 20 des GTO-Thyristors 10 ist deshalb über die Zonen CH2 und CH2' der MOSFET's Q2 und Q2' mit den Drains 30 und 40 der MOSFET's Q2 und Q2' verbunden. Da die Drains 30 und 40 stets über die Elektrodenschicht 32 mit der Basis 18 und der Subbasis 26 verbunden sind, ist der n-Emitter 20 mit der p-Basis 18 und der Subbasis 26 kurzgeschlossen. Als Ergebnis kann der Thyristor 10 abgeschaltet werden.
Entsprechend dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel des Geräts werden die p-Basisschicht 18 des GTO-Thyristors 10 und die p-Subbasisschicht 26, einschließlich der Source des Zündsteuer-MOSFET Q1 und dem Drain des Löschsteuer-MOSFET Q2 in unabhängigen Herstellungsschritten ausgeformt, um verschiedene Dotierungskonzentrationen zu erhalten. Deshalb kann der spezifische Widerstand der p-Basis 18 des GTO-Thyristors 10 gesenkt werden, ohne den spezifischen Widerstand der dem Kanal CHI des MOSFET Q1 entsprechenden p-Schicht 26 zu vermindern. Mit anderen Worten, der spezifische Widerstand der p-Kanalzone des MOSFET Q1 kann im gewünschten Ausmaß hoch gehalten werden, während der spezifische Widerstand der p- Basisschicht 18 trotzdem hinreichend gesenkt werden kann, ohne darauf einen nachteiligen Einfluß auszuüben. Der Kanal CH2 des Löschsteuer-FET Q2 ist aus dem Oberflächenabschnitt der Basis 18 mit relativ hoher Dotierungskonzentration (geringer spezifischer Widerstand) gebildet. Deshalb kann die Zündleistung des Thyristors 10 auf einem zufriedenstellenden Niveau gehalten und die Löschgeschwindigkeit des Zündstroms des Thyristors 10 ohne Beeinträchtigung des dv/dt-Verhältnisses und der Grundeigenschaft der Strombelastbarkeit des Thyristors 10 beschleunigt werden. Folglich kann die Löschgeschwindigkeit ohne Beeinträchtigung der Zündleistung des Thyristors 10 und damit die Löschfunktion verbessert werden.
Da die ABSCHALT-Elektrodenkanalzonen CH2 und CH2' an den beiden langen Seiten des n-Emitters 20 mit rechtwinkliger, ebener Form vorgesehen ist, setzt das Löschen bzw. Abschalten des GTO-Thyristors 10 gleichzeitig an den beiden langen Seiten des n-Emitters 20 ein. Dies bedeutet, daß die wirksame Kanalbreite für den Löschstrom grob und somit ein Kurzschlußwiderstand Abschalten des Thyristors 10 extrem klein ist. Deshalb kann die Zeit, die für das vollständige Verschwinden des gesamten Löschstroms erforderlich ist, verkürzt werden, wodurch sich die Abschaltleistung des GTO-Thyristors 10 weiter verbessert.
Beim obenbeschriebenen Ausführungsbeispiel dient der Sourcestrom des MOSFET Q1 (oder Q1') als der Basisstrom beim Zünden des GTO-Thyristors 10. Damit kann die Steuerelektrodenempfindlichkeit des Thyristors 10 entsprechend denselben Prinzipien wie im Falle des Thyristors mit verstärkender Steuerelektrode verbessert werden.
Ein in der Fig. 3 dargestellter Hauptthyristor 60 wird als Reaktion auf die Zündoperation des Hilfsthyristors 10 zum Zünden angesteuert. Dies bedeutet im einzelnen, daß bei Zünden des Hilfsthyristors 10 in der obenbeschriebenen Weise der Kathodenstrom des Thyristors 10 als ein Basisstrom über kurzgeschlossene Elektrodenschichten 74a und 74b des Hauptthyristors 60 an eine Basisschicht des p-Typs 62 desselben geliefert wird. Der Hauptthyristor 60 wird dann durch die Versorgung mit dem Basisstrom gezündet. Wird andererseits der Hauptthyristor 60 zum Löschen angesteuert, wird eine positive Spannung gleichzeitig an den ABSCHALT-Elektrodenanschluß G2 des Hilfsthyristors 10 und ABSCHALT-Steuerelektroden 72a und 72b des Hauptthyristors 60 gelegt. Der Hilfsthyristor 10 wird somit auf die obenbeschriebene Weise abgeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird im Hauptthyristor 60 unter der Steuerelektrode 72 ein n-Kanal gebildet, um einen n-Emitter 64 des Thyristors 60 mit der p-Basis 62 kurzzuschließen, wodurch der Thyristor 60 abgeschaltet wird. Da der Basisstrom des Hauptthyristors 60 in zwei Stufen zum Zündzeitpunkt des Thyristors 60 verstärkt wird, kann somit entsprechend dem Gerät gemäß Fig. 3 die Empfindlichkeit der EIN-Steuerelektrode gegenüber dem Aufbau gemäß Fig. 1 weiter verbessert werden.
Ein GTO-Thyristor 80 eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels ist in den Fig. 4 und 5 dargestellt. MOSFET's Q3 und Q4 unterschiedlicher Kanaltypen (d. h. des n- und p- Kanaltyps) sind zur einer MOS-Steuerelektrode zur Steuerung des Zündens/Löschens des Thyristors 80 zusammengefaßt. In einer Schnittansicht der Fig. 5 bezeichnen identische Bezugszeichen wie für die erste Ausführungsform gemäß Fig. 2 identische Teile des zweiten Ausführungsbeispiels, so daß auf deren ausführliche Beschreibung verzichtet wird.
Basisschichten des p-Typs 82 und 82' (in der Fig. 5 ist nur die Schicht 82 zu sehen) welche in einer ähnlichen Weise wie die p-Basisschichten 18 und 18' gemäß Fig. 1 geteilt sind, und eine hochdotierte Emitterschicht des n-Typs 84 von rechtwinkliger, schlanker, ebener Form sind in der n-Basisschicht 16 ausgeformt. Schichten 86a und 86b des p-Typs werden in dem getrennt vom Diffusionsschritt zur Bildung der Schicht 82 an der kurzen Seite der Schicht 82 ausgeführten Diffusionsschritt so ausgebildet, daß sie eine andere (geringere) Dotierungsstoffkonzentration aufweisen. Die Schichten 86a und 86b fungieren als Teil der p-Basis. Eine Sourceschicht des n- Typs 88 wird in den p-Subbasisschichten 86a und 86b ausgebildet (die Schicht 88 in der Schicht 86b ist in der Fig. 5 mit einem "Hochkomma" markiert).
Eine Steuerelektrodenschicht (d. h. eine EIN-Steuerelektrode) 90 ist so ausgeformt, daß sie sich, wie in der Fig. 4 gezeigt, gerade erstreckt und den Oberflächenabschnitt (Kanazone CH3) der p-Subbasisschicht 86a zwischen der n-Source 88 und der n-Basis 16 bedeckt. Die EIN-Steuerelektrode 90 ist gegenüber dem Substrat 16 mittels einer Gate-Isolierschicht 92 isoliert. Eine gerade ebene, leitende Schicht 94 ist isolierend über der EIN-Steuerelektrode 90 ausgeformt. Die Schicht 94 ist ebenfalls auf dem Wafer 16 ausgeformt, um die p-Basis 86a und die n-Source 96 elektrisch zu verbinden, wodurch ein MOSFET Q3 mit veränderlicher Leitfähigkeit des n- Kanaltyps zur Steuerung des Zündens des Thyristors 80 verwirklicht wird. Ein weiterer zündungssteuernder n-Kanal- MOSFET Q3' mit veränderlicher Leitfähigkeit hat einen ähnlichen Aufbau wie der MOSFET Q3. Die MOSFET's Q3 und Q3' bilden einen verstärkenden Steuerelektrodenabschnitt im Zündzeitpunkt des Thyristors 80 ähnlich wie beim vorigen Ausführungsbeispiel.
Halbleiterschichten des p-Typs 100a und 100b, welche als Sourcezonen dienen, sind in beiden Seitenzonen der langen Seiten des n-Emitters 84 des GTO-Thyristors 80 ausgeformt. Eine hochdotierte Halbleiterschicht 102 des n-Typs ist so ausgeformt, daß sie mit den Sourceschichten 100a und 100b in der zentralen Zone des n-Emitters 84 in Kontakt steht. Eine leitende Schicht 104 ist so ausgebildet, daß sie mit den Schichten 100a und 100b in direktem Kontakt steht, wobei die Schicht 102 als eine Kathodenelektrode C des Thyristors 80 dient. In der Fig. 4 ist die Kathode C so so geformt, daß sie ABSCHALT-Steuerelektroden 110 und 112 bedeckt, wobei jedoch der größte Teil aus Gründen der Darstellungsvereinfachung weggelassen ist.
Eine Gate-Isolierschicht 106 ist so ausgeformt, daß sie den Oberflächenabschnitt (Kanalzone CH4) des n-Emitters 84 zwischen der einen p-Source 100a und der p-Basis 82 bedeckt. Eine Gate-Isolierschicht 108 ist so ausgeformt, daß sie den Oberflächenabschnitt (Kanalzone CH4') des n-Emitters 84 zwischen der anderen p-Source 100b und der p-Basis 82 bedeckt. Die leitenden Schichten 110 und 112 sind auf den Isolierschichten 106 und 108 ausgeformt, um dadurch p-Kanal-MOSFET's Q4 und Q4' mit veränderlicher Leitfähigkeit zur Steuerung des Abschaltens bzw. Löschens des Thyristors 80 zu verwirklichen. Wie aus der Fig. 4 offensichtlich ist, erstrecken sich die leitenden Schichten 110 und 112 entlang der langen Seiten des n-Emitters 84 und sind miteinander an einer in der Fig. 5 nicht dargestellten Position gekoppelt, um als ABSCHALT- Steuerelektroden des Thyristors 80 zu fungieren. Die MOSFET's Q3 und Q3' bilden verstärkende Steuerelektrodenabschnitte im Abschaltzeitpunkt des Thyristors 80 ähnlich wie beim vorigen Ausführungsbeispiel. Die Steuerelektroden (d. h. die ABSCHALT- Elektroden) 110 und 112 der MOSFET's Q3 und Q3' sind gemeinsam mit den EIN-Elektroden 90 und 90' der MOSFET's Q3 und Q3' und nur mit einem Zünd-/Löschsteueranschluß G gekoppelt. Da die p-Sourceschichten 100a und 100b der MOSFET's Q4 und Q4' durch die Kathodenelektrode 104 des Thyristors 80 mit der als Teil des n-Emitters 84 fungierenden n-Schicht 102 verbunden sind, werden die Sourceschichten 100a und 100b des p-Typs stets auf dem gleichen Potential wie der Emitter 84 des Thyristors 80 gehalten.
Entsprechend dem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel liegt bei Zünden des GTO-Thyristors 80 eine positive Spannung am Steuerelektrodenanschluß G. Zu diesem Zeitpunkt sind die EIN-Elektroden 90 und 90' erregt, und die n-Kanal- MOSFET's Q3 und Q3' werden in den leitenden Zustand versetzt. Als Ergebnis wird der Sourcestrom der MOSFET's Q3 und Q3' an die p-Basis 82 des Thyristors 80 geliefert, um dadurch den Thyristor 80 zu zünden. Die Zündoperation des Thyristors 80 ist ähnlich wie diejenige bei der ersten Ausführungsform gemäß Fig. 1. Wird dagegen der Thyristor 80 abgeschaltet, so wird der Steuerelektrodenanschluß G mit einer negativen Spannung beaufschlagt. Damit werden die ABSCHALT-Elektroden 110 und 112 erregt und die p-Kanal-MOSFET's Q4 und Q4' in den leitenden Zustand gebracht. Als Ergebnis wird der n-Emitter 84 des Thyristors 80 mit der Basis 82 kurzgeschlossen, um den Thyristor 80 abzuschalten.
Entsprechend dem Gerät dieses Ausführungsbeispiels wird ein FET mit einem anderen Kanaltyp als der zur Steuerung des Zündens verwendete FET Q3 (oder Q3') als Löschensteuer-FET Q4 (oder Q4') herangezogen; das Zünden oder Löschen des Thyristors 80 kann durch Anlegen einer Spannung an nur einen Anschlag gesteuert werden. Damit kann die Ausführung mit Spannungsbeaufschlagung zur Steuerung des Zündens/Löschens des Thyristors 80 vereinfacht werden.
Bei der Ausführung mit einem einzigen Steuerelektrodenanschlag stehen die p-Kanalzonen CH4 und CH4', in welchen der Löschstrom des Thyristors 80 zu fliegen beginnt, im Gegensatz zum obengenannten herkömmlichen Gerät nicht in Kontakt mit den Kanalzonen CH3 und CH3' der MOSFET's Q3 und Q3' der EIN- Elektrode. Deshalb kann verhindert werden, daß der Löschstrom gleichzeitig durch die n-Kanalzonen CH3 und CH3' der FET's Q3 und Q3' der EIN-Elektrode fliegt. Da außerdem die Subbasisschicht 86 des p-Typs, welche die Source 88 des Zündsteuerungs-FET Q3 (oder Q3') enthält, in einem vom Herstellungsschritt der Basisschicht 82 des p-Typs des Hauptkörpers des Thyristors 10 getrennten Herstellungsschritt ausgeformt wird, kann der spezifische Widerstand der p-Basis 82 des Thyristors 80 im gewünschten Maß gesenkt werden, ohne den spezifischen Widerstand der p-Zonen 86 der FET's Q3 und Q3' zu verringern. Der spezifische Widerstand nimmt außerdem im überlappten Abschnitt der Basis 82 und der Schichten 86a und 86b ab. Dies trägt zu einer Verbesserung der Abschaltleistung, indem die Löschgeschwindigkeit des Löschstroms des Thyristors 80 in der Schicht 82 beschleunigt wird.
In der obigen Ausführungsform dient der Sourcestrom des MOSFET Q3 (oder Q3') mit veränderlicher Leitfähigkeit im Zündzeitpunkt als der Basisstrom des GTO-Thyristors 80, so daß sie Steuerelektrodenempfindlichkeit des Thyristors 80 in ähnlicher Weise wie bei vorigen Ausführungsbeispiel verbessert werden kann.

Claims

1. Abschaltthyristor (10, 80) mit:

einem Halbleitersubstrat (16) eines ersten Leitfähigkeitstyps, welches als eine erste Basisschicht dient, mit einer einer Oberflächenzone, einer ersten Emitterschicht (12) und einer zweiten Basisschicht (18, 82) jeweils eines zweiten Leitfähigkeitstyps und auf gegenüberliegenden Oberflächen des Substrats (16) ausgeformt;

mit einer zweiten in der zweiten Basisschicht ausgeformten Emitterschicht (20, 84) des ersten Leitfähigkeitstyps;

einer zusätzlichen Halbleiterschicht (26, 86) des zweiten Leitfähigkeitstyps, von welcher eine Oberflächenzone in Kontakt mit der ersten Basisschicht (16) steht und sich in die zweite Basisschicht (18, 82) erstreckt und welche sich von der zweiten Basisschicht hinsichtlich der Dotierungskonzentration unterscheidet, wodurch die zweite Basisschicht (18, 82, 126) einen geringeren spezifischen Widerstand hat als die zusätzliche Schicht;

einem ersten Feldeffekttransistor (Q1, Q3) zum Zünden bzw. Einschalten des Thyristors, welcher eine in der zusätzlichen Schicht ausgeformte Sourceschicht (28, 88) zur Begrenzung einer Oberflächenzone der zusätzlichen Schicht zwischen der Sourceschicht und der ersten Basisschicht als eine Kanalzone (CHI, CH3) des ersten Transistors und eine erste, oberhalb dem Substrat isoliert so angeordnete Gate- bzw. Steuerelektrodenschicht (34, 90) besitzt, daß sie die Oberflächenzone der ersten Basisschicht und die Kanalzone der ersten Transistors zumindest teilweise abdeckt;

einem zweiten Feldeffekttransistor (Q2, Q4) zum gegenseitigen Kurzschließen der zweiten Basisschicht mit der zweiten Emitterschicht, um dadurch den Thyristor (10, 80) abzuschalten;

wobei der zweite Transistor eine Kanalzone (CH2) besitzt, deren Hauptteil eine Oberflächenzone der zweiten Basisschicht bildet, sowie eine Sourceschicht (20, 100) und eine zweite die Kanalzone des zweiten Transistors überlagernde isolierte Steuerelektrode (50, 56; 110, 112;

wobei die zweite Emitterschicht (20, 84) zumindest teilweise eine im wesentlichen rechtwinklige, schlanke, ebene Form aufweist, die durch lange und kurze Seiten begrenzt ist, und die Kanalzone des ersten Transistors (Q1, Q3) sich im wesentlichen parallel zu den kurzen und die Kanalzone des zweiten Transistors (Q2, Q4) sich im wesentlichen parallel zu den langen Seiten der zweiten Emitterschicht erstreckt;

und dieser Thyristor des weiteren eine leitende Schicht (32, 94) umfaßt, welche auf der zweiten Basisschicht ausgeformt ist und als eine Sourceelektrode dient, wobei die leitende Schicht die Sourceschicht des ersten Transistors (Q1, Q3) und die Drainschicht des zweiten Transistors (Q2, Q4) veranlaßt, eine gemeinsame elektrische Verbindung mit der zweiten Basisschicht zu bilden, während sie gegenüber der zweiten Emitterschicht (20, 84) elektrisch getrennt sind.

2. Thyristor gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren eine zweite dotierte Halbleiterschicht (102) des ersten Leitfähigkeitstyps umfaßt, welche in der zweiten Emitterschicht (84) ausgeformt und als ein Teil der zweiten Emitterschicht (84) dient.

3. Thyristor (10 in der Fig. 2) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Transistor hinsichtlich des Kanalleitfähigkeitstyps identisch sind und der zweite Transistor (Q2) eine Source (20) und ein Drain (30), welche eine Oberflächenzone (CH2) der zweiten Basisschicht (18) zwischen dem Drain und der zweiten Emitterschicht (20) als die Kanalzone des zweiten Transistors begrenzen, sowie eine Halbleiterschicht (30) des ersten Leitfähigkeitstyps in einer überlappenden Zone der zweiten Basisschicht (18) und die zusätzliche Schicht (26) zwischen der zweiten Emitterschicht (20) und der Source (28) des ersten Transistors (Q1) aufweist, wobei die Halbleiterschicht (30) als Drain des zweiten Transistors (Q2) dient.

4. Thyristor (80 in der Fig. 5), dadurch gekennzeichnet, daß sich der erste und zweite Transistor hinsichtlich des Kanalleitfähigkeitstyps voneinander unterscheiden, der zweite Transistor (Q2) eine Source (100a) und ein Drain (82) aufweist, welche eine Oberflächenzone (CH4) der zweiten dazwischen angeordneten Emitterschicht (84) begrenzen, und der Thyristor des weiteren folgendes umfaßt:

eine erste dotierte Halbleiterschicht (100a, 100b) des zweiten Leitfähigkeitstyps in der zweiten Emitterschicht (84), um als Source (100) des zweiten Transistors (Q4) zu fungieren; und

eine zweite leitende Schicht (104) auf der zweiten Emitterschicht (84) zur Verbindung der Source (100) mit der zweiten Emitterschicht (84), um als eine Kathodenelektrode des Thyristors zu fungieren.

5. Thyristor (80) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Steuerelektrode (90; 110, 112) elektrisch miteinander verbunden sind, um gleichzeitig eine Spannung zur Steuerung des Zünden und Löschens bzw. des Ein- und Abschaltens des Thyristors zu empfangen.