DE3722425A1

DE3722425A1 - Gto-thyristor

Info

Publication number: DE3722425A1
Application number: DE19873722425
Authority: DE
Inventors: Toshihide Ujihara; Shuroku Sakurada; Tadashi Sakaue; Shuji Musha
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1986-07-08
Filing date: 1987-07-07
Publication date: 1988-01-21
Also published as: US5051806A; JPH061831B2; JPS6315464A; US4868625A; DE3722425C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Vollsteuergatterthyristor, d.h. einen sogenannten GTO-Thyristor und befaßt sich ins besondere mit einem Multiemitter-GTO-Thyristor, der zur Steuerung eines hohen Stromes geeignet ist.

Ein GTO-Thyristor ist eine Halbleiterschaltsteuereinrich tung, die aus einem Halbleitersubstrat mit einem PNPN-4- Schichtaufbau mit Zwischenübergängen, zwei Hauptelektro den, die in einem Ohmschen-Kontakt mit den äußeren Schich ten des Substrates stehen,und einer Gatterelektrode aufge baut ist, die in einem Ohmschen-Kontakt mit einer Innen schicht des Substrates steht, wobei auf den Empfang eines Steuersignals an der Gatterelektrode der Stromweg zwischen den Hauptelektroden vom gesperrten (durchgeschalteten) Zu stand in den durchgeschalteten (gesperrten) Zustand umge schaltet wird. Das technische Hauptproblem von GTO-Thyristo ren besteht darin, hohe Ströme mit hoher Geschwindigkeit mit einem Steuergatterstrom abzuschalten, der so klein wie möglich ist. Zur Lösung dieses Problems sind verschiedene Prinzipien vorgeschlagen worden.

Ein bekanntes Beispiel ist der sogenannte Multiemitter-GTO- Thyristor, der eine äußere N-leitende Schicht (Kathoden emitterschicht) aufweist, die aus einer Vielzahl von strei fenartigen Bereichen jeweils mit einer Breite von 0,2 bis 0,4 mm und einer Länge von einigen mm besteht, wie es in der US PS 45 00 903 und der US PS 45 42 398 dargestellt ist. Die Gatterelektrode eines derartigen GTO-Thyristors ist so ausgebildet, daß sie jeden streifenartigen Bereich mit einem konstanten Abstand davon umgibt. Bei einer der artigen Ausbildung ist es während des Abschaltvorganges möglich, Ladungsträger von der inneren P-Schicht (P-Basis- Schicht) neben jedem streifenartigen Bereich gleichmäßig über die gesamte Kathodenemitterschicht mit hoher Geschwin digkeit zu entfernen.

Ein weiteres Beispiel ist ein GTO-Thyristor mit einer Anoden- Emitter-Schicht, die einen sogenannten Kurzschlußemitterauf bau hat, bei dem die innere N-Schicht (N-Basis-Schicht) und die äußere P-Schicht (Anodenemitterschicht) mit der Anoden elektrode in Kontakt stehen, wie es in der US PS 32 39 728 dargestellt ist. Bei einer derartigen Ausbildung kann die Entfernung der Ladungsträger während des Abschaltvorganges nicht nur von der Gatterelektrodenseite sondern auch von der Anodenseite bewirkt werden, was die Geschwindigkeit des Ab schaltvorganges erhöht. Bezüglich des kurzgeschlossenen Auf baus der Anodenemitterschicht ist es aus der US PS 44 50 467 und der US-PS 45 00 903 gleichfalls bekannt, N⁺-Bereiche mit einer höheren Störstellenkonzentration als die der N-Basis- Schicht zwischen der N-Basis-Schicht und der Anodenelektrode auszubilden. Diese N⁺-Bereiche unterstützen eine noch schnel lere Entfernung der Ladungsträger von der N-Basis-Schicht.

Wie es in der US PS 45 00 903 dargestellt ist, verwendet ein typischer GTO-Thyristor sowohl den Kathodenemitterschicht aufbau aus einer Vielzahl von streifenartigen Bereichen als auch den Kurzschlußemitteraufbau der Anodenemitterschicht, um dadurch ein verbessertes Abschaltverhalten zu verwirklichen. Eine Schwierigkeit bei einem derartigen GTO-Tyhristor be steht darin, daß dann, wenn eine große Stromkapazität benö tigt wird, eine große Anzahl von streifenartigen Bereichen, die die Kathodenemitterschicht bilden, vorgesehen werden muß, die in Mehrfachringform angeordnet sind, wie es in der US PS 45 00 903 dargestellt ist, so daß die Abschaltzeiten un gleichmäßig werden können. Diese ungleichmäßigen Abschaltzei ten werden im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 der zuge hörigen Zeichnung erläutert.

Wie es in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, umfaßt ein scheibenförmiges Halbleitersubstrat 1 eine Kathodenemitter schicht N _E aus einer Vielzahl von streifenartigen Berei chen 13 neben einer Hauptfläche 11, eine P-Basisschicht P _B neben der Kathodenemitterschicht N _E und der Hauptfläche 11, eine N-Basisschicht N _B neben der P-Basisschicht P _B, eine Anodenemitterschicht P _E neben der N-Basisschicht N _B und der anderen Hauptfläche 12 und eine N⁺-Schicht mit einer N-Stör stellenkonzentration, die größer als die der N-Basisschicht N _B ist, und die neben der N-Basisschicht N _B, der Anodenemitter schicht und der Hauptfläche 12 vorgesehen ist. Jeder strei fenartige Bereich 13 ist radial und konzentrisch im Halblei tersubstrat so ausgebildet, daß insgesamt eine Doppelring form gebildet ist. Die Anodenemitterschicht P _E besteht aus einer Vielzahl von streifenartigen Bereichen 14. Die strei fenartige Bereiche 14 sind so angeordnet, daß dann, wenn je der streifenartige Bereich 13 der Kathodenemitterschicht N _E auf die Hauptfläche 12 projiziert wird, der projizierte strei fenartige Bereich 13 zwei streifenartige Bereiche 14 mit zu einander in einer Linie ausgerichteter Längsrichtung überla gert. Die N⁺-Schicht mit hoher N-Störstellenkonzentration ist dicker als die Anodenemitterschicht P _E und nimmt den ge samten Bereich ein, an dem keine streifenartige Bereiche 14 an der Hauptfläche 12 vorhanden sind. Eine Kathodenelektro de 2 steht in einem Ohmschen Kontakt mit dem streifenartigen Bereich 13 an der Hauptfläche 11, während eine Anodenelektro de 3 in einem Ohmschen Kontakt mit dem gesamten Bereich der Hauptfläche 12 steht. Eine Gatterelektrode 4 steht im Ohm schen Kontakt mit der freiliegenden Oberfläche der P-Basis- Schicht P _B an der Hauptfläche 11 derart, daß sie den streifen artigen Bereich 13 mit einem konstanten Abstand davon umgibt. Die Ebene der Gatterelektrode 4, die auf der Hauptfläche 11 ausgebildet ist, liegt näher an der Hauptfläche 12 als die Ebene der Kathodenelektrode 2. Ein Gatteranschluß 5 bildet einen Steuersignaleingabebereich.

Die Abmessungen der GTO-Thyristoreinheiten jeweils mit einem streifenartigen Bereich 13 als äußerer Schicht sind unabhängig von der inneren oder äußeren Position in den beiden Ringen die gleichen. Unabhängig von der inneren Position (Fig. 2) und der äußeren Position (Fig. 3) der beiden Ringe sind insbesondere die Länge l, die Breite w und der Abstand d zwischen zwei streifenartigen Bereichen 14 gleich.

Bei einem GTO-Thyristor mit dem oben beschriebenen Aufbau unterscheiden sich die Abstände vom Steuersignaleingabebe reich 5 zu den streifenartigen Bereichen 13 an den inneren und äußeren Positionen der beiden Ringe um mehr als die Länge des streifenartiges Bereiches 13. Der Querwiderstand der Gatterelektrode 4 für eine GTO-Thyristoreinheit G 2 am äußeren Ring ist somit größer als der einer GTO-Thyristor einheit G 1 am inneren Ring. Die zwischen der Gatterelektro de 4 und der Kathodenelektrode 2 der GTO-Thyristoreinheit G 2 am äußeren Ring liegende Sperrvorspannung (Steuersignal spannung) fällt daher stärker als die entsprechende Spannung an der GTO-Thyristoreinheit G 1 am inneren Ring ab, was die Sperrzeit des zuerst genannten Thyristors G 2 während eines Sperr- oder Abschaltvorganges verlängert.

Während eines Sperrvorgangs des GTO-Thyristors sperrt folg lich die GTO-Thyristoreinheit G 1 an der inneren Position der beiden Ringe zuerst, so daß sich die Stromleitung auf die GTO-Thyristoreinheit G 2 an der äußeren Position konzentriert, die noch durchgeschaltet ist, was zu einem thermischen Durch bruch der GTO-Thyristoreinheit G 2 führt.

Durch die Erfindung sollen die oben genannten Schwierigkeiten beseitigt werden und soll ein GTO-Thyristor geschaffen wer den, der GTO-Thyristoreinheiten mit gleichen Sperrzeiten auf weist und einen großen Strom abschalten kann.

Dazu umfaßt der erfindungsgemäße GTO-Thyristor eine Viel zahl von GTO-Thyristoreinheiten, wobei der Flächenbereich der Anodenemitterschicht einer GTO-Thyristoreinheit mit wachsendem Abstand vom Steuersignaleingabebereich immer kleiner ausgebildet ist. Unter einer GTO-Thyristoreinheit ist ein feiner GTO-Thyristor zu verstehen, der einen Mehr schichtaufbau aus einer streifenartigen Kathodenemitter schicht, einer P-Basisschicht, einer N-Basisschicht und einer Anodenemitterschicht sowie Kathoden-, Anoden- und Gat terelektroden umfaßt. Die Anodenemitterschicht hat einen Kurzschlußemitteraufbau.

Der erfindungsgemäße GTO-Thyristor zeichnet sich weiterhin dadurch aus, daß er eine Vielzahl von Thyristoreinheiten umfaßt, wobei die Größe des Kurzschlusses der Anodenemitter schicht der GTO-Thyristoreinheiten mit wachsendem Abstand vom Steuersignaleingabebereich größer wird. Das heißt mit anderen Worten, daß der Kontaktbereich zwischen der Anoden elektrode und der N-Basisschicht der GTO-Thyristoreinheiten mit wachsendem Abstand von dem Steuersignaleingabebereich größer wird. Vorzugsweise sollte der Kontaktbereich der N- Basisschicht mit der Anodenelektrode ein Bereich mit hoher Störstellenkonzentration sein.

Im folgenden wird anhand der zugehörigen Zeichnung ein be sonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung be schrieben. Es zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht einen herkömm lichen GTO-Thyristor,

Fig. 2 eine schematische Schnittansicht längs der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht längs der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungs beispiel des erfindungsgemäßen GTO-Thyristors,

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht längs der Linie V-V in Fig. 4 und

Fig. 6 eine schematische Schnittansicht längs der Linie VI-VI in Fig. 4.

Das in den Fig. 4 bis 6 dargestellte scheibenförmige Halbleitersubstrat umfaßt eine Kathodenemitterschicht N _E mit einer Vielzahl von streifenartigen Bereichen 13 neben einer Hauptfläche 11, eine P-Basisschicht P _B neben der Kathoden emitterschicht N _E und der Hauptfläche 11, eine Schicht P _B, die einen ersten PN-Übergang J ₁ mit der Kathodenemitter schicht N _E bildet und eine Störstellenkonzentration hat, die niedriger als die der Kathodenemitterschicht N _E ist, eine N-Basisschicht N _B neben der P-Basisschicht P _B, wobei die Schicht N _B einen zweiten PN-Übergang J ₂ mit der P-Basis schicht P _B bildet und eine Störstellenkonzentration hat, die niedriger als die der P-Basisschicht P _B ist, eine Anodenemit terschicht P _E mit einer Vielzahl von streifenartigen Berei chen 14 neben der N-Basisschicht N _B und der anderen Hauptflä che 12, wobei die Schicht P _E einen dritten PN-Übergang J ₃ mit der N-Basisschicht N _B bildet und eine Störstellenkonzentration hat, die niedriger als die der N-Basisschicht N _E ist, und eine N⁺-Schicht neben der N-Basisschicht N _B, der Anodenemitter schicht P _E und der Hauptfläche 12, wobei die N⁺-Schicht eine Störstellenkonzentration hat, die größer als die der N-Basis schicht N _B ist. Jeder streifenartige Bereich 13 ist radial und konzentrisch im Halbleitersubstrat so angeordnet, daß sich insgesamt eine Doppelringform ergibt. Die streifenartigen Bereiche 14 sind so angeordnet, daß dann, wenn jeder strei fenartige Bereich 13 auf die Hauptfläche 12 projiziert wird, die streifenartigen Bereiche 13 zwei streifenartige Bereiche 14 mit ihren zueinander in einer Linie ausgerichteten Längs richtungen überlagert. Die N⁺-Schicht mit hoher N-Störstel lenkonzentration ist dicker als die Anodenemitterschicht P _E und nimmt die gesamten Bereiche ein, an denen an der Hauptflä che 12 keine streifenartigen Bereiche 14 vorhanden sind.

Die Abmessungen der GTO-Thyristoreinheiten jeweils mit einem streifenartigen Bereich 13 als äußerer Schicht sind in Abhängigkeit von der inneren und äußeren Position in den beiden Ringen verschieden. Wenn w ₁ die Breite des streifenartigen Bereiches 14 und d ₁ den Abstand zwischen den streifenartigen Bereichen 14 jeweils einer GTO-Thyri storeinheit G 1 an einer inneren Position der beiden Ringe bezeichnet und wenn w₂ die Breite des streifenartigen Be reiches 14 und d ₂ den Abstand zwischen den streifenartigen Bereichen 14 jeweils einer GTO-Thyristoreinheit G 2 an einer äußeren Position bezeichnen, dann sind die Abmessungen durch die folgenden Gleichungen bestimmt:

w₁<w₂ (1)

d₁<d₂ (2)

w₁+d₁ = w₂+d₂ (3)

Das heißt, daß der freiliegende Bereich der Anodenemitter schicht P _E an der Hauptfläche 12 der GTO-Thyristoreinheit G 2 an der inneren Position kleiner als der der GTO-Thyristor einheit G 1 an der äußeren Position ist und daß der freilie gende Bereich der N⁺-Schicht mit hoher N-Störstellenkonzen tration entsprechend größer ist.

Eine Kathodenelektrode 2 steht in Ohmschem Kontakt mit je dem streifenartigen Bereich 13 an der Hauptfläche 11, eine Anodenelektrode 3 steht in Ohmschem Kontakt mit der gesamten Hauptfläche 12 und eine Steuer- oder Gatterelektrode 4 steht in Ohmschem Kontakt mit der freiliegenden P-Basisschicht P _B an der Hauptfläche 11, derart, daß sie den streifenartigen Bereich 13 mit einem konstanten Abstand davon umgibt. Die Ebene der Gatterelektrode 4 an der Hauptfläche 11 liegt näher an der Hauptfläche 12 als die der Kathodenelektrode 2.

Ein Steueranschluß 5, der elektrisch mit der Gatterelek trode im wesentlichen in der Mitte der Hauptfläche 11 ver bunden ist, dient als Steuersignaleingabebereich.

Bei einem GTO-Thyristor mit dem oben beschriebenen Aufbau sind die folgenden Beziehungen zwischen den GTO-Thyristor einheiten an einer vom Steuersignaleingabebereich 5 entfern ten Position und an einer nahe am Steuersignaleingabebe reich 5 liegenden Position erfüllt:

a) Aus der Ungleichung (1) ergibt sich, daß die Menge an Löchern, die nahe am zweiten Übergang J ₂ im gewöhnlichen durchgeschalteten Zustand gespeichert ist, klein ist.
b) Die Fähigkeit, Restladungsträger in der N-Basisschicht N _B während eines Sperrvorganges zu entfernen, ist groß, was sich aus der Ungleichung (2) ergibt.

Folglich kann eine Sperrverzögerung der GTO-Thyristorein heit G 2 am äußeren Ring bezüglich der GTO-Thyristoreinheit G 1 am inneren Ring dadurch ausgeschlossen werden, daß die Werte w ₁, d₁, w₂ und d₂, die die Ungleichungen (1) und (2) erfüllen, konform mit den jeweiligen Abständen vom Steuer anschluß 5 in geeigneter Weise gewählt werden. Alle GTO- Thyristoreinheiten im Halbleitersubstrat können daher im we sentlichen gleichzeitig sperren.

Bei dem obigen Ausführungsbeispiel war die erfindungsgemäße Ausbildung bei einem GTO-Thyristor verwirklicht, der aus der Vielzahl von GTO-Thyristoreinheiten aufgebaut ist, die so angeordnet sind, daß sie die Form eines Doppelringes bilden, und bei dem der Steuersignaleingabebereich in der Mitte des Halbleitersubstrates vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Ausbildung ist darauf nicht beschränkt, es sind vielmehr ver schiedene Abwandlungsformen möglich. Beispielsweise können die GTO-Thyristoreinheiten so angeordnet sein, daß sie eine Drei fach- oder Mehrfachringform bilden, wobei der Steuersignal eingabebereich in der Mitte, am Umfang, sowohl in der Mitte als auch am Umfang oder an einem Zwischenbereich des Halb leitersubstrates vorgesehen sein kann. Auch bei einer der artigen Anordnung können dieselben Wirkungen wie bei dem in den Fig. 4 bis 6 dargestellten GTO-Thyristor erzielt werden, wenn die Ungleichungen (1) und (2) für jede GTO- Thyristoreinheit angewandt werden. Es versteht sich weiter hin, daß die erfindungsgemäße Ausbildung auch bei einem GTO-Thyristor angewandt werden kann, bei dem zwar die GTO- Thyristoreinheiten nicht in Form eines Ringes angeordnet sind, bei dem diese jedoch unter Verwendung eines einzigen Steuersignaleingabebereiches angesteuert werden.

Aus dem obigen ist ersichtlich, daß die GTO-Thyristoreinhei ten eines GTO-Thyristors auf einem einzigen Plättchen bei einem Sperrvorgang gleichzeitig sperren können, so daß sich ein GTO-Thyristor ergibt, der wirksam einen großen Strom abschalten kann.

Claims

1. GTO-Thyristor mit einem Halbleitersubstrat (1), das zwei gegenüberliegende Hauptflächen (11, 12) aufweist, wo bei das Halbleitersubstrat zwischen den beiden Hauptflächen eine erste Emitterschicht (N _E) eines ersten Leitfähigkeits typs neben einer der beiden Hauptflächen, eine erste Basis schicht (P _B) eines zweiten Leitfähigkeitstyps neben der ei nen Hauptfläche und der ersten Emitterschicht, eine zweite Basisschicht (N _B) vom ersten Leitfähigkeitstyp neben der er sten Basisschicht und der anderen Hauptfläche und eine zwei te Emitterschicht (P _E) vom zweiten Leitfähigkeitstyp neben der zweiten Basisschicht und der anderen Hauptfläche umfaßt, die erste Emitterschicht eine Vielzahl von streifenartigen Bereichen (13) aufweist, die alle auf der ersten Basisschicht voneinander getrennt sind, die zweite Emitterschicht eine Vielzahl von streifenartigen Bereichen (14) aufweist, die alle auf der zweiten Basisschicht voneinander getrennt sind, und die streifenartigen Bereiche der ersten und der zweiten Emitterschicht so angeordnet sind, daß beide Bereiche mit ihren Längsrichtungen in einer Linie ausgerichtet übereinan der liegen, wenn beide Bereiche auf die andere Hauptfläche projiziert werden, mit einer ersten Hauptelektrode (2), die in einem Ohmschen Kontakt mit der ersten Emitterschicht an der einen Hauptfläche des Halbleitersubstrats steht, mit einer zweiten Hauptelektrode (3), die in einem Ohmschen Kon takt mit der zweiten Emitter- und der zweiten Basisschicht auf der anderen Hauptfläche des Halbleitersubstrates steht, mit einer Gatter- oder Steuerelektrode (4), die in einem Ohmschen Kontakt mit der ersten Basisschicht an der einen Hauptfläche des Halbleitersubstrates steht, so daß sie je den streifenartigen Bereich der ersten Emitterschicht mit einem konstanten Abstand dazu umgibt, und mit einem Steuer anschluß (5), der mit der Steuer- oder Gatterelektrode an einer gewünschten Stelle an der Gatterelektrode elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der an der anderen Hauptfläche freiliegende Flächenbereich des streifenartigen Bereiches einer zweiten Emitterschicht, die vom Steueranschluß entfernt angeordnet ist, kleiner als der entsprechende Bereich einer zweiten Emitterschicht ist, die nahe am Steueranschluß angeordnet ist.

2. GTO-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der streifenartige Bereich einer zwei ten Emitterschicht, die vom Steueranschluß entfernt angeord net ist, eine Breite senkrecht zur Längsrichtung hat, die kleiner als die eines streifenartigen Bereiches ist, der nahe am Steueranschluß angeordnet ist.