DE3733100A1 - Gatter-abschalt-thyristor - Google Patents

Gatter-abschalt-thyristor

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gatter-Abschalt-Thyristor großer Leistung und genauer eine Verbesserung der Abschaltcharakteristik.
Ein herkömmlicher Gatter-Abschalt-Thyristor mit großer Leistung gebraucht eine Anodenkurzschlußstruktur, um einen Hochgeschwindigkeitsschaltvorgang bei niedrigen Durchlaßspannungen zu erzielen. In Fig. 4 kennzeichnet
Bezugsziffer 1eine N-Typ-Grundschicht, Bezugsziffer 2eine P-Typ-Grundschicht, Bezugsziffer 3eine N-Typ-Emitterschicht, Bezugsziffer 4eine P-Typ-Emitterschicht, Bezugsziffer 5eine Anoden-N⁺-Typ-Schicht, Bezugsziffer 6eine Anodenelektrode, Bezugsziffer 7eine Kathodenelektrode und Bezugsziffer 8eine Gatterelektrode.
Die P-Typ-Emitterschicht 4 und die Anoden-N⁺-Typ-Schicht bilden einen Anodenkurzschlußbereich, der durch die Anodenelektrode 6 kurzgeschlossen wird.
Da die verbleibenden Ladungsträger, die in der N-Typ-Grundschicht 1 gespeichert sind, über den Anodenkurzschlußbereich während einer Abschaltphase in einem Gatter-Abschalt-Thyristor mit Anodenkurzschlußstruktur freigegeben werden, erhält man einen Gatter-Abschalt-Thyristor, der eine relativ kurze Abschaltzeit besitzt, selbst wenn die Lebensdauer nicht durch die Diffusion von Au oder ähnlichem verkürzt wird. Demnach konnten die entgegengesetzten Bedingungen einer niedrigen Durchlaßspannung und einer kurzen Abschaltzeit in einem Gatter-Abschalt-Thyristor dieses Typs erfüllt werden.
Wenn jedoch die Sperrspannung des Gatter-Abschalt-Thyristors erhöht werden soll, ist es erforderlich, die Dicke der N-Typ-Grundschicht 1 zu vergrößern, um die Sperrspannung des Gatter-Abschalt-Thyristors anzuheben. Wenn die Dicke der N-Typ-Grundschicht 1 erhöht wird, benötigen die verbleibenden Ladungsträger des tieferliegenden Teils der N-Typ-Grundschicht 1, die von der Hauptoberfläche einer Anode getrennt sind, eine längere Zeit, um durch den Anodenkurzschlußbereich freigesetzt zu werden.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen Abschaltzeit und Hauptspannung V D , die angelegt werden muß, darstellt. Dieses Diagramm zeigt eine Abhängigkeit in der Form, daß, wenn die Hauptspannung V D , die angelegt werden muß, abfällt, die Abschaltzeit verlängert wird. Dies gibt wieder, daß es länger dauert, die verbleibenden Ladungsträger abzuführen, da eine Verlängerung der Verarmungsschicht abnimmt und eine effektive N-Typ-Grundschicht 1 verlängert wird, wenn die Hauptspannung V D , die angelegt werden muß, abfällt. In Fig. 5 zeigen die Kurven 9 und 10 die Abhängigkeit für den Fall, daß die entsprechenden Sperrspannungen 4500 Volt und 1800 Volt betragen. Ein GTO mit einer Sperrspannung von 4500 Volt wird sehr groß aufgrund der ungefähr doppelten oder noch größeren Breite seiner Grundschicht im Vergleich zu einem GTO, der eine Sperrspannung von 1800 Volt aufweist. Demnach verstärkt ein GTO, der eine Sperrspannung von 4500 Volt aufweist, die Abhängigkeit von der Hauptspannung V D , die angelegt werden muß, im Hinblick auf die Abschaltzeit im Vergleich zu einem GTO mit einer Sperrspannung von 1800 Volt. Mit dem Ziel, die Abschaltzeit eines derartigen GTOs zu verkürzen, ist es wirksam, die Lebensdauer der N-Typ-Grundschicht 1 zu verkürzen.
Da jedoch die Durchlaßspannung des GTO vergrößert wird, wenn die Lebensdauer der N-Typ-Grundschicht 1 verkürzt wird, ist es erforderlich, die Lebensdauer, ausgewogen zwischen der Abschaltzeit und der Durchlaßspannung, einzustellen. Da der Hochspannungs-GTO, wie z. B. der GTO, der eine Sperrspannung von 4500 Volt aufweist, die Dicke seiner N-Typ-Grundschicht 1 in Richtung einer erhöhten Durchlaßspannung vergrößert, ist eine genaue Einstellung erforderlich.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Hochspannungsbauelement zu schaffen, das in der Lage ist, die Abschaltzeit zu verkürzen und dennoch die Durchlaßspannung zu verringern.
Um diese und andere Aufgaben zu lösen, umfaßt ein GTO mit einer Anodenkurzschlußstruktur einen Ladungsträgereinfangbereich, ausgebildet in einer N-Typ-Grundschicht in der Nachbarschaft eines Hauptübergangs, der zwischen einer P-Typ-Grundschicht und einer N-Typ-Grundschicht ausgebildet ist. In der vorliegenden Erfindung wird der verbleibende Ladungsträger durch ein Einfangzentrum für Ladungsträger eliminiert, der in der N-Typ-Grundschicht in der Nachbarschaft des Hauptübergangs ausgebildet ist.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Gatter-Abschalt-Thyristors gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Durchlaßspannungsabhängigkeit der Abschaltzeit darstellt.
Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das die Hauptspannungsabhängigkeit, die angelegt werden muß, von der Abschaltzeit darstellt.
Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen herkömmlichen Gatter-Abschalt-Thyristor.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Hauptspannung, die angelegt werden muß, von der Abschaltzeit darstellt.
Eine Ausführungsform eines Gatter-Abschalt-Thyristors gemäß der vorliegenden Erfindung ist dargestellt in Fig. 1. In der Fig. 1 kennzeichnet die Bezugsziffer 21 eine N-Typ-Grundschicht, die Bezugsziffer 22 eine P-Typ-Grundschicht, für die Ausbildung eines Hauptübergangs zusammen mit der N-Typ-Grundschicht 21, Bezugsziffer 23 eine N-Typ-Emitterschicht, Bezugsziffer 24 eine P-Typ-Emitterschicht, Bezugsziffer 25 eine Anoden-N⁺-Typ-Schicht und die Bezugszeichen 26, 27 und 28 eine Anode, eine Kathode und eine Gatterelektrode, die aus einem Metall, wie z. B. Aluminium, hergestellt ist. Die P-Typ-Emitterschicht 24 und die Anoden-N⁺-Typ-Schicht 25 werden durch die Anodenelektrode 26 kurzgeschlossen. Ein abgegrenzter Bereich 29 in der N-Typ-Grundschicht 21 stellt den Ladungsträgereinfangbereich dar, der durch die Implantation von Protonen oder von Argon ausgebildet wird. Die N-Typ-Grundschicht 21, die zu der Durchlaßspannung beiträgt, wird durch die folgende Gleichung (1) wiedergegeben:
V T (NB) α e W/(2L) (1)
Hierbei entspricht W der Dicke der N-Typ-Grundschicht 21 und L der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der N-Typ-Grundschicht 21. Das Verhältnis zwischen der Diffusionslänge L und der Lebensdauer t wird wiedergegeben durch die folgende Gleichung:
wobei D eine Diffusionskonstante ist.
Wenn die Lebensdauer des Bereiches der Breite von W 1 im Bereich der N-Typ-Grundschicht 21
und die Lebenszeit der anderen Bereiche t ist, erhält man folgende Gleichung:
V T (NB) α e W 1/(2L 1) + W-W 1/(2L) (2)
Nimmt man an, daß die Lebensdauer von ¹/₃ des Bereiches der N-Typ-Grundschicht 21 z. B. mit Hilfe der Gleichungen (1) und (2) eingestellt wird, so entspricht die Lebensdauer von ¹/₃ des Bereiches ungefähr ¹/₃, um denselben Wert für V T (NB) zu erhalten, wie ½ des Elements, das nicht im Hinblick auf die Lebensdauer eingestellt wird, in der Lebensdauer einer gesamten N-Typ-Grundschicht. Mit anderen Worten, die Lebensdauer von den verbleibenden ²/₃ des Bereiches bleiben in ihrem Originalzustand und die Durchlaßspannung behält ihren vorteilhaften Wert. Demnach ist es wirksam, die Lebensdauer konzentrisch zu verkürzen, in dem notwendigen Bereich sowohl in der Ausführungsform als auch im Vergleich mit der einheitlichen Lebensdauer in der gesamten N-Typ-Grundschicht 21, wenn ein schweres Metall, wie z. B. Gold, zur Verbesserung der Abschaltcharakteristik diffundiert wird. Da die Lebensdauer des Teils in der Nähe des Anodenkurzschlußbereiches der N-Typ-Grundschicht 21 frühzeitig leitend ist, selbst wenn sie lang ist, ist es wirksam, die Lebensdauer in dem Bereich in der Nähe des Hauptübergangs der N-Typ-Grundschicht 21 zu verkürzen. Wenn Protonen mit einigen MeV implantiert werden, kann ein Ladungsträgereinfangbereich von 100 micron oder mehr ausgebildet werden. Der GTO dieser Ausführungsform kann eine Erhöhung der Durchlaßspannung in dieser Art unterdrücken und kann ebenso die Abschaltzeit durch die Ausbildung des Einfangbereiches 29 reduzieren.
Fig. 2 zeigt den Vergleich der Abhängigkeit der Durchlaßspannung und der Abschaltzeit im Hinblick auf diese Ausführungsform (Kurve 31) und im Hinblick auf ein herkömmliches Beispiel (Kurve 32). In dieser Ausführungsform ist die Korrelation weitgehend verbessert. Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Hauptspannung V D , die angelegt werden muß, bezogen auf die Abschaltzeit, wobei die Kurve 33 das Ausführungsbeispiel wiedergibt und die Kurve 34 ein konventionelles Beispiel kennzeichnet. In dem Ausführungsbeispiel ist die Abhängigkeit verringert. Dies geschieht, weil die Lebensdauer der N-Typ-Grundschicht 21, die tief von dem Anodenkurzschlußbereich abgetrennt ist, verkürzt wird, und selbst, wenn die Hauptspannung V D , die angelegt werden muß, niedrig ist und die Verlängerung der Verarmungsschicht klein ist, entspricht dies dem Fall, daß die Grundschicht im wesentlichen kurz ist.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung, wie oben beschrieben, wird ein Ladungsträgereinfangbereich in der N-Typ-Grundschicht in der Nähe des Hauptübergangs ausgebildet, der zwischen der P-Typ-Grundschicht und der N-Typ-Grundschicht gebildet wird. Demnach erhält man, da die verbleibenden Ladungsträger durch die Einfangschicht eliminiert werden können und eine Erhöhung der Durchlaßspannung unterdrückt werden kann, ein Bauelement, das eine niedrige Durchlaßspannung und dennoch eine kurze Abschaltzeit besitzt, selbst für Hochspannungsbauelemente.

Claims (3)

1. Gatter-Abschalt-Thyristor mit einer Anodenkurzschlußstruktur, der einen Ladungsträgereinfangbereich umfaßt, der in einer N-Typ-Grundschicht in der Nähe eines Hauptübergangs ausgebildet ist, der zwischen einer P-Typ-Grundschicht und einer N-Typ-Grundschicht ausgebildet ist.
2. Gatter-Abschalt-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgereinfangbereich ausgebildet wird durch die Implantation von Protonen oder Argon.
3. Gatter-Abschalt-Thyristor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladungsträgereinfangbereich in einer Dicke innerhalb einer Hälfte der N-Typ-Grundschicht und daß eine Hälfte des Bereiches ausgebildet ist auf der Hauptoberflächenseite, die keinen Anodenkurzschlußbereich besitzt.
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