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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf den Aufbau einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung,
die für
einen Leistungswandler verwendet wird.
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Stand der Technik
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Auf
dem Gebiet von elektronischen Vorrichtungen mit großer elektrischer
Leistung ist ein dämpfungsfreier
GCT-Thyristor (GST – Gate-Communtated
Turn-off, also ein Thyristor, bei dem der Abschaltvorgang durch
Spannungspulse am Gate gesteuert wird) mit einem höchsten Auslösestrom
von 4000 A und einer Abschaltespeicherzeit von nicht mehr als 3 μs als Ersatz
für einen
herkömmlichen
GTO-Tyristor (GTO – Gate
Turn-off, also Gate-Abschaltthyristor) ausgeführt, um
der Anforderung nach einer höheren Stehspannung
und einem höheren
Strom gerecht zu werden.
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Das
Funktionsprinzip des GCT-Thyristors und sein Aufbau sind beispielsweise
in den europäischen
Patentanmeldungen
EP0785627A2 und
EP0746021A2 , der
japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 8-330572 und in Mitsubishi Denki Giho Band 71, Nr.
12, S. 61-66 beschrieben.
Seine Charakteristika lassen sich wie folgt zusammenfassen: Und
zwar ist beim GCT-Thyristor die Form eines Gate-Anschlusses, der
mit einer Kreis-Gate-Elektrode in Kontakt kommt und aus einer Isolatorröhre herausgezogen
ist, von einer Anschlussform des herkömmlichen GTO-Thyristors zu
einer Ringform angeändert,
während
auch eine Verbindung zwischen dem GCT-Thyristor und einer Gate-Treiberschaltung von
einer Zuleitungsdrahtstruktur des GTO-Thyristors zu einer aus einem
Mehrschichtsubstrat bestehenden Struktur weiterentwickelt ist. Somit
wird die Induktivität
des Gate-Anschlusses
und eines Gate-Drahts auf ca. 1/100 der Induktivität des GTO-Thyristors
gesenkt, und es ist möglich,
einen Steuerstrom mit einer rückläufigen Richtung,
der in einer Abschaltzeit eingespeist wird, von der gesamten Umfangsfläche der
Gate-Elektrode her isotropisch zuzuführen, während gleichzeitig auch eine Verkürzung der
Abschaltspeicherzeit ermöglicht
wird. Was den Wafer-Aufbau des GCT-Thyristors betrifft, so sind
Tausende von Segmenten konzentrisch auf eine parallele Weise in
einer mehrstufigen Struktur angeordnet, und eine Gate-Elektrodenzone,
die eine Grenzfläche
mit der Gate Elektrodebildet, ist, ähnlich wie beim Wafer-Aufbau
des herkömmlichen GTO-Thyristors,
am äußersten
Umfangsabschnitt dieser Struktur angeordnet.
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3 ist
eine Längsschnittansicht,
die den Aufbau einer herkömmlichen
GCT-Vorrichtung 1P inklusive eines externen Gate-Treibers 2P zum
Regeln/Steuern der GCT-Vorrichtung 1P zeigt. Da die GCT-Vorrichtung 1P einen
seitlich symmetrischen Aufbau in Bezug auf eine Mittelachse CAP
hat, ist nur eine Seite von ihr in 3 gezeigt.
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Jedes
Bezugszeichen in 3 bezeichnet die folgenden Bauteile:
Und zwar handelt es sich bei Stapelelektroden 3P um Elektroden,
um die GCT-Vorrichtung 1P mit Druck zu beaufschlagen und einen
Strom abzuziehen. 4P ist ein Halbleitersubstrat (Wafer),
und eine Gate-Elektrode 4Pa aus Aluminium, die mit einer
Gate-Elektrodenzone in Kontakt kommt, ist in Form eines Rings am äußersten
Umfangsabschnitt ihrer ersten Hauptfläche ausgebildet, während mehrere
Kathodenelektroden 4Pb auf der ersten Hauptfläche des
Halbleitersubstrats 4P im Inneren der Gate-Elektrode 4Pa konzentrisch
ausgebildet sind. 5P und 6P sind eine Kathodenverzerrungsdämpfungsplatte
bzw. eine Kathodennachelektrode, die aufeinanderfolgend auf die
Kathodenelektroden 4Pb des Halbleitersubstrats 4P aufgesetzt
werden, eine nicht dargestellte Anodenelektrode ist vollständig auf
einer zweiten Hauptfläche
(Fläche,
die der ersten Hauptfläche
entgegengesetzt ist) ausgebildet, die der Rückseite des Halbleitersubstrats 4P entspricht,
und eine Anodenverzerrungsdämpfungsplatte 7P und
eine Anodennachelektrode 8P werden aufeinanderfolgend auf
diese Anodenelektrode aufgesetzt. 9P ist eine Kreis-Gate-Elektrode,
deren erste Fläche
(Unterseite) mit der Gate-Elektrode 4Pa des Halbleitersubstrats 4P in
Flächenkontakt
kommt, 10P ist ein ringförmiger Gate-Anschluss einer
Metallplatte (bei der es sich beispielsweise um eine Eisen-/42%-Nickellegierung
handelt), und ein innenumfangsseitiger Endabschnitt seines Innenumfangsflächenteils 10PI ist
verschiebbar auf einer zweiten Fläche (einer Oberseite, die der
zuvor erwähnten
ersten Fläche
entgegengesetzt ist) der Kreis-Gate-Elektrode 9P ausgebildet.
Darüber
hinaus drückt
ein elastischer Körper 11P wie
etwa eine Tellerfeder oder eine gewellte Feder die Kreis-Gate-Elektrode 9P durch
einen ringförmigen
Isolator 12P zusammen mit dem zuvor erwähnten Endabschnitt des Innenumfangsflächenteils 10PI des
kreisförmigen
Gate-Anschlusses 10P gegen die Gate-Elekrode 4Pa.
Aufgrund dieses Andrückens
werden die Gate-Elektrode 4Pa, die Kreis-Gate-Elektrode 9P und
der kreisförmige
Gate-Anschluss 10P elektrisch miteinander verbunden. 13P ist
eine Isolierschicht, um die Kreis-Gate-Elektrode 9P von
der entgegengesetzten Kathodenverzerrungsdämpfungsplatte 5P und
der Kathodennachelektrode 6P zu isolieren. Der kreisförmige Gate-Anschluss 10P ist
darüber
hinaus durch ein Zwischenteil oder feststehendes Teil 10PF und, zusätzlich zu
dem zuvor erwähnten
Innenumfangsflächenteil 10PI,
durch ein Außenumfangsflächenteil 10PO gebildet,
und ein gebogenes Teil 10Pd ist auf einem nicht in Flächenkontakt
mit der Kreis-Gate-Elektrode 9P stehenden Abschnitt im
Innenumfangsflächenteil 10PI vorgesehen,
während ein
gebogenes Teil 10Pa auch auf einem Zwischenabschnitt des
Außenumfangsflächenteils 10PO ausgebildet
ist.
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Andererseits
ist 14P eine aus Keramik bestehende Isolatorröhre, die
durch das Zwischenteil 10PA des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10P vertikal
unterteilt ist und ein Vorsprungsteil 14Pa hat. Das feststehende
Teil 10PA des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10P und
die Isolatorröhre 14P sind
durch Anlöten
luftdicht aneinander befestigt. In einem Teil des Außenumfangsflächenteils 10PO des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10P,
der von der Außenumfangsseitenfläche der
Isolatorröhre 14P nach
außen
gezogen ist, die etwas näher
an der Seite des Innenumfangsabschnitts ist als ihr Außenumfangsende,
sind mehrere Befestigungsöffnungen 10Pb in
vorbestimmten Abständen
zur Umfangsrichtung hin vorgesehen, um diesen kreisförmigen Gate-Anschluss 10P an
den Gate-Treiber 2P anzuschließen. Darüber hinaus sind ein Endteil 14Pb1 eines
ersten L-förmigen
Abschnitts, der so gebogen ist, dass er von einer Oberseite der
Isolatorröhre 14P nach
außen
vorsteht, und ein Endabschnitt eines ringförmigen ersten Flanschs 15P durch
Lichtbogenschweißen
luftdicht befestigt, und ein Endteil 14Pb2 eines zweiten
L-förmigen
Abschnitts, der von der Unterseite der Isolatorröhre 14P vorsteht,
und ein Endabschnitt eines zweiten Flanschs 16P sind auch
auf ähnliche
Weise luftdicht durch Lichtbogenschweißen befestigt. Andere Endabschnitte
des ersten und zweiten Flanschs 15P und 16P sind
an Teilen von gekerbten Einschnitten der Kathodennachelektrode 6P bzw.
der Anodennachelektrode 8P befestigt. Somit befindet sich
die GCT-Vorrichtung 12 in einer nach außen hin geschlossenen Struktur.
Dieses Innere ist mit Inertgas gefüllt.
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Darüber hinaus
ist 17P eine plattenförmige Steuerelektrode,
die durch eine ringförmige
Metallplatte gebildet ist, die konzentrisch mit dem kreisförmigen Gate-Anschluss 10P angeordnet
ist und durch die Stapelelektrode 3P in Druckkontakt mit
der Kathodennachelektrode 6P gebracht wird. Eine plattenförmige Steuer-Gate-Elektrode 18P,
die durch eine ringförmige
Metallplatte gebildet ist, ist ähnlich
wie die plattenförmige
Steuerelektrode 17P konzentrisch mit dem kreisförmigen Gate-Anschluss 10P angeordnet
und in ihrem innenumfangsseitigen Endabschnitt elektrisch mit dem
außenumfangsseitigen
Endabschnitt des Außenumfangsflächenteils 10PO des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10P verbunden. Beide
Elektroden 17P und 18P sind so ausgelegt, dass
sie durch ein Isoliersubstrat 30P ein Mehrschichtsubstrat
bilden. Der Anschluss der beiden Elektroden 17P und 18P an
die GCT-Vorrichtung 1P erfolgt durch die folgenden Teile 19P und 20P:
Und zwar ist 19P eine Isolierhülse, um den kreisförmigen Gate-Anschluss 10P und
die plattenförmige
Steuer-Gate-Elektrode 18P von der plattenförmigen Steuerelektrode 17P zu
isolieren, 20P ist ein Verbindungsteil, das aus einem Steckbolzen,
einer Mutter u. dgl. besteht, um den kreisförmigen Gate-Anschluss 10P und
die plattenförmige
Steuer-Gate-Elektrode 18P zwischen
der plattenförmigen Steuerelektrode 17P und
der plattenförmigen
Steuer-Gate-Elektrode 18P durch die Isolierhülse 19P elektrisch
miteinander zu verbinden, und die Mutter im Verbindungsteil 20P erstreckt
sich durch eine Befestigungsöffnung,
die in der plattenförmigen
Steuer-Gate-Elektrode 18P in Übereinstimmung mit der Befestigungsöffnung 10Pb vorgesehen
ist. Die plattenförmige
Steuerelektrode 17P und die plattenförmige Steuer-Gate-Elektrode 18P sind
jeweils direkt an den Gate-Treiber 2P angeschlossen.
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Obwohl
aufgrund der Entwicklung des vorstehend erwähnten GCT-Thyristors eine größere Kapazität und eine
höhere
Geschwindigkeit einer Halbleitervorrichtung für Leistungselektronik erzielbar wurden,
werden eine viel höhere
Kapazität
und eine viel höhere
Geschwindigkeit des GCT-Thyristors gefordert. Bei der praktischen
Umsetzung dieser Anforderung treten jedoch neue Probleme aus, die
nachstehend aufgezeigt sind.
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Und
zwar muss die Anzahl von GCT-Segmenten, die parallel miteinander
angeschlossen sind, erhöht
werden, um eine weitere Verbesserung beim Auslösestrom zu erzielen. Um diese
Anforderung zu erfüllen,
ist es (i) notwendig, eine Vergrößerung des Durchmessers des
Halbleitersubstrats 4P vorzunehmen, und (ii) ist es notwendig,
einen gleichmäßigen Funktionsablauf
jedes Segments im Halbleitersubstrat 4P auch dann aufrechtzuerhalten,
wenn solch eine weitere Vergrößerung des
Durchmessers vorgenommen wird. Deshalb muss als Reaktion auf die vorgenommene
Vergrößerung des
Durchmessers des Halbleitersubstrats 4P ein Aufbau zum
gleichmäßigen Zuführen eines
Steuerstroms in einer Einschaltzeit zu einer ganzen Gate-Elektrodenzone,
die am äußersten
Umfangsabschnitt des Halbleitersubstrats 4P ausgebildet
ist, implementiert und gleichzeitig ein Rückwärtssteuerstrom in einer Abschaltezeit gleichmäßig aus
der ganzen Gate-Elektrodenzone abgezogen werden. Ein GCT-Element
stellt seine Auslösefähigkeit
insbesondere dadurch sicher, dass es den Steuerstrom unverzüglich mit
einem Gradienten von mehreren 1000 A/μs auf einen Wert umstellt, der
im Wesentlichen gleich dem Auslösestrom
ist, und somit ist der Punkt der, wie gleichmäßig der Gate-Elektrodenzone
ein Signal geliefert werden soll, um das Halbleitersubstrat gleichmäßig funktionieren zu
lassen.
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Bei
der in 3 gezeigten GCT-Vorrichtung 1P nach dem
herkömmlichen
Aufbau führen
jedoch ein Befestigungsaufbau eines GCT-Elements (der einem Abschnitt
entspricht, der hier das Mehrschichtsubstrat 17P und 18P aus
der GCT-Vorrichtung 1P ausschließt) und der externe Gate-Treiber 2P durch das
Mehrschichtsubstrat 17P und 18P und eine Streuung
des Einbauzustands von diesen häufig
zu solch einer Situation, dass dem kreisförmigen Gate-Anschluss 10P des
GCT-Elements kein gleichmäßiger Steuerstrom
zugeführt
wird.
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4 ist
eine Draufsicht der GCT-Vorrichtung 1P, die dieses Problem
typisch zeigt, und diese 4 zeigt das Mehrschichtsubstrat 17P, 18P und 30P von 3 als
Mehrschichtsubstrat 21 auf eine integrierte Weise. Das
heißt,
Details einer Längsschnittansicht,
die auf eine Schnittlinie I-II in 4 bezogen
sind, entsprechen 3, und 4 zeigt lediglich
den Einbauzustand des Mehrschichtsubstrats 21 und des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10P auf
eine typische Weise. Wie in dieser 4 gezeigt sind,
sind Stromwege IP1 zu einem Teil von Befestigungsteilen 22 des
Mehrschichtsubstrats 21 und des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10P,
die sich auf der Seite des Gate-Treibers 2P befinden, von
ihrem Verdrahtungswiderstand her geringer als Stromwege 1P2 zur
Seite des Befestigungsteils 22, das sich auf der zum Gate-Treiber 2P entgegengesetzten
Seite befindet. Daraus ergibt sich deshalb, dass sich der Großteil des
Steuerstroms auf die Befestigungs teile 22 auf der Seite
des Gate-Treibers 2P konzentriert. Eine solche Verdrahtungsstruktur
macht die Zufuhr des Steuerstroms zum kreisförmigen Gate-Anschluss 10P und
ein Abziehen des Rückwärtssteuerstroms
aus dem kreisförmigen
Gate-Anschluss 10P durch das Mehrschichtsubstrat 21 ungleichmäßig. Daraus
ergibt sich, dass, falls dem kreisförmigen Gate-Anschluss 10P kein
gleichmäßiger Steuerstrom zugeführt wird,
ein gleichmäßiger Funktionsablauf
jedes Segments im Halbleitersubstrat 4P beeinträchtigt ist
und die zuvor erwähnte
Anforderung nicht erfüllt werden
kann. Solch ein Problem tritt nicht nur in der Einschaltzeit, sondern
auch in der Abschaltezeit auf.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist in Anspruch 1 definiert und wurde vorgeschlagen,
um die vorstehend erwähnten
Probleme zu lösen,
und sie zielt darauf ab, eine Druckkontakt-Halbleitervorrichtung bereitzustellen,
die gleichmäßige Funktionsabläufe von Bauteilen
trotz einer Vergrößerung des
Durchmessers eines Halbleitersubstrats durch Bereitstellen eines
gleichmäßigen Steuerstroms
erzielen kann, der einem Gate-Anschlussteil zugeführt werden
kann, das aus einem Mehrschichtsubstrat, einem kreisförmigen Gate-Anschluss,
einer Kreis-Gate-Elektrode und einer Gate-Elektrode gebildet ist.
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Nach
der Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung ist der Widerstand,
der von der Funktion her als Widerstandselement wirkt, auf dem Weg angeordnet,
der die Gate-Elektrode
vom Mehrschichtsubstrat durch den kreisförmigen Gate-Anschluss und die
Kreis-Gate-Elektrode her erreicht, wodurch ein Spannungsabfall im
Widerstand größer wird,
der sich in einem Teil befindet, an dem sich der Steuerstrom konzentriert,
und der Steuerstrom kaum in dem Teil fließt, wenn kein gleichmäßiger Steuerstrom
zugeführt
wird, und der Steuerstrom in der Folge zu einem anderen Teil abgezweigt
wird, wo die Menge des Steuerstroms gering ist. Deshalb ermöglicht es
die vorliegende Erfindung, dem Halbleitersubstrat einen im Wesentlichen
gleichmäßigen Steuerstrom
zuzuleiten, und kann das Auftreten eines nicht gleichmäßigen Funktionsablaufs
verhindern. Entsprechend kann die vorliegende Erfindung auch das
Abziehen eines Rückwärtssteuerstroms
gleichmäßig auslegen.
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Aufgaben,
Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung, welche
die vorstehend erwähnten
sowie auch andere mit einschließen,
werden nun im Einzelnen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Längsschnittansicht,
die ein Beispiel des Aufbaus einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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2 ist
ein Diagramm, das Ergebnisse eines Versuchs zeigt, der zur Auswahl
des spezifischen Widerstands eines kreisförmige Gate-Anschlusses nach
der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde.
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3 ist
eine Längsschnittansicht,
die ein Beispiel des Aufbaus einer herkömmlichen Druckkontakt-Halbleitervorrichtung
zeigt.
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4 ist
eine Draufsicht, um schematisch Probleme bei der herkömmlichen
Druckkontakt-Halbleitervorrichtung zu zeigen.
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Beste Arten und Weisen zur Umsetzung der
Erfindung
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(Ausführungsform
1)
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1 ist
eine Längsschnittansicht,
die den Aufbau einer GCT-Vorrichtung 1 zeigt, die ein Beispiel
einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung nach dieser Ausführungsform
einschließlich
eines externen Gate-Treibers 2 zeigt. Da jedoch die GCT-Vorrichtung 1 in
Bezug auf eine Mittelachse CA einen seitlich symmetrischen Aufbau
hat, ist nur der Aufbau von einer Seite von ihr in 1 gezeigt.
Der in 1 gezeigte Aufbau entspricht einer Längsschnittansicht,
die auf eine in 4 gezeigte Schnittlinie I-II bezogen
ist.
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Jedes
Bezugszeichen in 1 bezeichnet jeweils das folgende
Bauteil: Und zwar ist 2 der Gate-Treiber zum Regeln/Steuern
der GCT-Vorrichtung 1, und 3 ist eine Stapelelektrode,
welche die GCT-Vorrichtung 1 mit Druck beaufschlagt sowie
einen Strom abzieht. 4 ist ein Halbleitersubstrat (Wafer)
mit einem pnpn-Aufbau, auf dem Tausende von Segmenten konzentrisch
parallel angeordnet sind, und eine Gate-Elektrode 4a aus
Aluminium, die am äußersten
Umfangsabschnitt dieses Substrats elektrisch mit einer Gate-Elektrodenzone
in Kontakt kommt, ist am äußersten
Umfangsabschnitt ihrer ersten Hauptfläche oder der Fläche in Form
eines Rings ausgebildet, während
mehrere Kathodenelektroden 4b auf der ersten Hauptfläche des
Halbleitersubstrats 4 konzentrisch ausgebildet sind, die
sich einwärts
jenseits der Gate-Elektrode 4a befindet.
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5 und 6 sind
eine Kathodenverzerrungsdämpfungsplatte
bzw. eine Kathodennachelektrode, die aufeinanderfolgend auf die
Kathodenelektroden 4b des Halbleitersubstrats 4 aufgesetzt
sind, eine nicht dargestellte Anodenelektrode ist vollständig auf einer
zweiten Hauptfläche
(einer der ersten Hauptfläche
entgegengesetzten Fläche)
ausgebildet, die der Rückseite
des Halbleitersubstrats 4 entspricht, und eine Anodenverzerrungsdämpfungsplatte 7 und
eine Anodennachelektrode 8 sind aufeinanderfolgend auf diese
Anodenelektrode aufgesetzt.
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9 ist
eine Kreis-Gate-Elektrode, deren erste Fläche (Unterseite) mit der Gate-Elektrode 4a des Halbleitersubstrats 4 in
Flächenkontakt
kommt, während 10 ein
ringförmiger,
aus einer Metallplatte gebildeter Gate-Anschluss ist, und ein innerer
umfangsseitiger Endabschnitt seines Innenumfangsflächenteils 10I verschiebbar
auf einer zweiten Fläche
(Oberseite, die der zuvor erwähnten
ersten Fläche
entgegengesetzt ist) der Kreis-Gate-Elektrode 9 angeordnet
ist. Darüber
hinaus drückt
ein elastischer Körper 11 wie
etwa eine Tellerfeder oder eine gewellte Feder die Kreis-Gate-Elektrode 9 durch
einen ringförmigen Isolator 12 zusammen
mit dem zuvor erwähnten
Endabschnitt des Innenumfangsflächentells 10I des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10 gegen
die Gate-Elekrode 4a. Aufgrund dieses Andrückens werden
die Gate-Elektrode 4a, die Kreis-Gate-Elektrode 9 und
der kreisförmige
Gate-Anschluss 10 elektrisch miteinander verbunden. Darüber hinaus
ist 13 eine Isolierschicht, um die Kreis-Gate-Elektrode 9 von
der entgegengesetzten Kathodenverzerrungsdämpfungsplatte 5 und
der Kathodennachelektrode 6 zu isolieren. Der kreisförmige Gate-Anschluss 10 ist
darüber
hinaus durch ein Zwischenteil oder feststehendes Teil 10F und,
zusätzlich
zu dem zuvor erwähnten Innenumfangsflächenteil 10I,
durch ein Außenumfangsflächenteil 10O gebildet,
und ein gebogenes Teil 10d ist auf einem nicht in Flächenkontakt
mit der Kreis-Gate-Elektrode 9 stehenden Abschnitt im Innenumfangs flächenteil 10I vorgesehen,
während
ein gebogenes Teil 10a auch auf einem Zwischenabschnitt
des Außenumfangsflächenteils 10O ausgebildet
ist.
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Andererseits
ist 14 eine aus Keramik (z. B. Aluminiumoxid) bestehende
Isolatorröhre,
die durch das Zwischenteil 10F des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10 vertikal
unterteilt ist, ein Vorsprungsteil 14a auf ihrem außenumfangsseitigen
Flächeabschnitt
besitzt und die Hauptteile 4, 5, 7, 9, 10, 11 und 12 in
der Röhre
einschließt.
Das feststehende Teil 10F des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10 und
die Isolatorröhre 14 sind
durch Anlöten
luftdicht aneinander befestigt. In einem Teil des Außenumfangsflächenteils 10O des
kreisförmigen
Gate-Anschlusses 10, der vom außenumfangsseitigen Flächenabschnitt der
Isolatorröhre 14 nach
außen
gezogen ist, die etwas näher
an der Seite des Innenumfangsabschnitts ist als ihr Außenumfangsende,
sind mehrere Befestigungsöffnungen 10b in
vorbestimmten Abständen zur
Umfangsrichtung hin vorgesehen, um diesen kreisförmigen Gate-Anschluss 10 an
den Gate-Treiber 2 anzuschließen. 2, die eine
Draufsichtsansicht des kreisförmigen
Gate-Anschlusses 10 ist, zeigt diesen Punkt. Darüber hinaus
sind ein Endteil 14b1 eines ersten L-förmigen Abschnitts, der so gebogen
ist, dass er von einer Oberseite der Isolatorröhre 14 nach außen vorsteht,
und ein Endabschnitt eines ringförmigen
ersten Flanschs 15 durch Lichtbogenschweißen luftdicht
befestigt, und ein Endteil 14b2 eines zweiten L-förmigen Abschnitts,
der von der Unterseite der Isolatorröhre 14 vorsteht, und
ein Endabschnitt eines zweiten Flanschs 16 sind auch auf ähnliche
Weise luftdicht durch Lichtbogenschweißen befestigt. Andere Endabschnitte
des ersten und zweiten Flanschs 15 und 16 sind
an Teilen von gekerbten Einschnitten der Kathodennachelektrode 6 bzw.
der Anodennachelektrode 8 befestigt. Somit befindet sich
die GCT-Vorrichtung 1 in
einer nach außen
hin geschlossenen Struktur. Dieses Innere ist mit Inertgas gefüllt.
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Darüber hinaus
ist 17 eine plattenförmige Steuerelektrode,
die durch eine ringförmige
Metallplatte gebildet und konzentrisch mit dem kreisförmigen Gate-Anschluss 10 angeordnet
ist und durch die Stapelelektrode 3 in Druckkontakt mit
der Kathodennachelektrode 6 gebracht wird. Eine plattenförmige Steuer-Gate-Elektrode 18,
die durch eine ringförmige Metallplatte
gebildet ist, ist ähnlich
wie die plattenförmige
Steuerelektrode 17 konzentrisch mit dem kreisförmigen Gate-Anschluss 10 angeordnet
und in ihrem innenumfangsseitigen Endabschnitt elektrisch mit dem
außenumfangsseitigen
Endabschnitt des Außenumfangsflächenteils 10O des
kreisförmigen Gate-Anschlusses 10 verbunden.
Beide Elektroden 17 und 18 schließen das
Isoliersubstrat 30 sandwichartig zwischen sich ein. Der
Anschluss der beiden Elektroden 17 und 18 und
der GCT-Vorrichtung 1 erfolgt durch die folgenden Teile 19 und 20:
Und zwar ist 19 eine Isolierhülse, um den kreisförmigen Gate-Anschluss 10 und
die plattenförmige
Steuer-Gate-Elektrode 18 von der plattenförmigen Steuerelektrode 17 zu
isolieren, 20 ist ein Verbindungsteil, das aus einem Steckbolzen,
einer Mutter u. dgl. besteht, um den kreisförmigen Gate-Anschluss 10 und die
plattenförmige
Steuer-Gate-Elektrode 18 zwischen der plattenförmigen Steuerelektrode 17 und der
plattenförmigen
Steuer-Gate-Elektrode 18 durch die Isolierhülse 19 elektrisch
miteinander zu verbinden, und die Mutter im Verbindungsteil 20 erstreckt sich
durch eine Befestigungsöffnung,
die in der plattenförmigen
Steuer-Gate-Elektrode 18 in Übereinstimmung mit der Befestigungsöffnung 10b vorgesehen
ist. Die plattenförmige
Steuerelektrode 17 und die plattenförmige Steuer-Gate-Elektrode 18 sind
jeweils direkt an den Gate-Treiber 2 angeschlossen. Somit
bilden die beiden Elektroden 17 und 18 und das
Isoliersubstrat 30 eine Mehrschichtstruktur. Insbesondere
handelt es sich bei der plattenförmigen Steuerelektrode 18 um
ein solches Mehrschichtsubstrat, von dem eine Seite mit dem außenumfangsseitigen
Endabschnitt des kreisförmigen
Gate-Anschlusses 10 in Kontakt kommt, während seine andere Seite bis
zum externen Gate-Treiber (dem externen Verknüpfungsglied) 2 verlängert ist.
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In
dem vorstehend erwähnten
Aufbau bilden die Gate-Elektrode 4a, die Kreis-Gate-Elektrode 9, der
kreisförmige
Gate-Anschluss 10 und das Mehrschichtsubstrat 18 einen
Stromweg, um in einer Einschaltzeit einen Steuerstrom ausgehend
vom Gate-Treiber 2 zur Gate-Elektrodenzone des Halbleitersubstrats
zuzuführen,
während
in einer Abschaltezeit ein Rückwärtssteuerstrom
aus der Gate-Elektrodenzone abgezogen und dieser Strom in den Gate-Treiber 2 eingespeist
wird, und die vorstehend erwähnten
Teile 4a, 9, 10 und 18, die
diesen Weg bilden, werden hier allgemein als "Gate-Anschlussteil" bezeichnet.
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Ein
Punkt, in dem sich diese GCT-Vorrichtung 1 von der herkömmlichen
GCT-Vorrichtung unterscheidet, ist, dass das vorstehend erwähnte Gate-Anschlussteil
so ausgelegt ist, dass der Steuerstrom der Gate-Elektrodenzone des
Halbleitersubstrats 4 gleichmäßig zugeführt werden kann, und der Rückwärtssteuerstrom
gleichmäßig aus
der Gate-Elektro denzone abgezogen werden kann. Das heißt, das
Gate-Anschlussteil ist dazu ausgelegt, als Widerstand zu fungieren,
dessen spezifischer Widerstand gleich 0,1 mΩ·cm oder darüber beträgt. Mit
anderen Worten umfasst das Gate-Anschlussteil ein Widerstandselement
mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 0,1 mΩ·cm. Hier
ist ein ringförmiger
Gate-Anschluss 113 mit einem ringförmigen Körper aus einem Metallmaterial
(einer Legierung) mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 0,1
mΩ·cm als
ein Beispiel zur Ausführung
eines solchen Gate-Anschlussteils hergestellt.
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Ein
Funktionsprinzip bei der Halbleitervorrichtung der vorliegenden
Erfindung beruht auf dem folgenden Punkt: Und zwar, wenn ein Widerstand, der
von der Funktion her als Widerstandselement wirkt, ausdrücklich in
den Weg eingesetzt wird, der die Gate-Elektrode 4a vom
Mehrschichtsubstrat 18 durch den kreisförmigen Gate-Anschluss 10 her
erreicht, wird ein Spannungsabfall, der im Widerstand entsteht,
der sich in einem Teil (zum Beispiel dem Befestigungsteil 22 auf
der Seite des Stromwegs IP1 in 4) befindet,
an dem sich der Steuerstrom konzentriert, größer als ein Spannungsabfall
in einem anderen Teil, und der Steuerstrom fließt kaum in diesem Konzentrationsteil,
und dies führt
in der Folge dazu, dass der Steuerstrom zu einem anderen Teil abgezweigt
wird, wo die Menge des Steuerstroms gering ist. Indem dieser Punkt
genutzt wird, Ist es möglich,
dem Halbleitersubstrat einen im Wesentlichen gleichmäßigen Steuerstrom
zuzuleiten und nicht gleichmäßige Funktionsabläufe von
GCT-Bauteilen auch dann zu verhindern, wenn eine Streuung durch
den Einbauzustand des externen Verknüpfungsglied oder ein Strukturformproblem
des externen Verknüpfungsglieds
verursacht wird. Dieser Punkt trifft auch entsprechend zu, was das
Abziehen des Rückwärtssteuerstroms
betrifft.
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Von
einem solchen Standpunkt aus verwendet der Erfinder den kreisförmigen Gate-Anschluss 10 ausdrücklich als
einen Widerstand, der von der Funktion her als Widerstandselement
wirkt. Durch einen Versuch wurde geprüft, in welchem Ausmaß der spezifische
Widerstand des kreisförmigen
Gate-Anschlusses 10 zu regeln/steuern ist, damit der Anschluss 10 wirkungsvoll
als Widerstand fungieren kann, um eine Konzentration des Steuerstroms
zu verhindern. 2 zeigt die Ergebnisse.
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Der
Punkt, auf den sich der in 2 gezeigte Versuch
richtet, beruht auf Folgendem: Und zwar wird der Auslösewiderstand
(der regel-/steuerbare Strom) verbessert, wenn die Funktionsabläufe der Bauteile
gleichmäßig ausgelegt
werden. In diesem Versuch wurde deshalb das Material für den kreisförmigen Gate-Anschluss 10 verändert, um
seinen spezifischen Widerstand zu verändern, wodurch ein Einfluss
des spezifischen Widerstands des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10 auf
den Auslösewiderstand
(den regel-/steuerbaren Strom) untersucht wurde. Dabei wurden die
Bedingungen eines Messschaltungssystem und des externen Verknüpfungsglieds
festgelegt, um nur den Einfluss des spezifischen Widerstands des
kreisförmigen
Gate-Anschlusses 10 auf den Auslösewiderstand zu ermitteln. 2 zeigt
Ergebnisse, die erhalten wurden, indem eine relative Auswertung
unter der Annahme durchgeführt
wurde, dass der Auslösewiderstand 1 beträgt, wenn
der spezifische Widerstand des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10 0,166
mΩ·cm beträgt.
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Wie
aus 2 ersichtlich ist, wird klar, dass der kreisförmige Gate-Anschluss 10 ausreichend
als Widerstand fungiert und eine Verbesserung des regel-/steuerbaren
Stroms erzielt wird, wenn der spezifische Widerstand des kreisförmigen Gate-Anschlusses
auf mindestens 0,1 mΩ·cm eingestellt
wird. Das heißt,
es ist vorstellbar, dass, wenn ein leitfähiges Material, dessen spezifischer
Widerstand gleich 0,1 mΩ·cm oder
mehr beträgt,
als Material für
den Anschluss 10 verwendet wird, sich der Widerstandswert im
Gate-Anschlussteil, bei dem es sich um den Zufuhrweg für den Steuerstrom
handelt, nicht durch den Verdrahtungswiderstand im Stromwegteil
(oder dem Befestigungsteil) entscheidet, der den kreisförmigen Gate-Anschluss 10 vom
Mehrschichtsubstrat 18 her durch das Befestigungsteil 22 (4)
erreicht, sondern durch den Widerstandswert des kreisförmigen Gate-Anschlusses 10 bestimmt
wird, und in der Folge der Steuerstrom gleichmäßig vom Mehrschichtsubstrat 18 her
in den kreisförmigen
Gate-Anschluss 10 fließt.
Es wird davon ausgegangen, dass dies auch beim Abziehen des Rückwärtssteuerstroms
zutrifft.
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Als
Material, dessen spezifischer Widerstand mindestens 0,1 mΩ·cm beträgt, kann
eine Ni-Cr-Fe-Legierung (spezifischer Widerstand z. B. 0,1030 mΩ·cm), eine
Ni-Cr-Legierung (spezifischer Widerstand z. B. 0,1300 mΩ·cm), eine
Fe-Cr-Al-Legierung (spezifischer Widerstand z. B. 0,1660 mΩ·cm) o.
dgl. beispielhaft angeführt
werden.
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(Modifizierungen)
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- (a) Obwohl der kreisförmige Gate-Anschluss 10 selbst
als Widerstand in der in Ausführungsform 1 gezeigten
Druckkontakt-Halbleitervorrichtung aufgebaut wurde, wird auch eine
gleichwertige Wirkung erzielt, wenn an seiner Stelle ausdrücklich die
Gate-Elektrode 4a oder die Kreis-Gate-Elektrode 9 als
Widerstand aufgebaut wird. In diesem Falle ist es vorzuziehen, den
spezifischen Widerstand der Gate-Elektrode 4a oder
der Kreis-Gate-Elektrode 9, ähnlich wie beim kreisförmigen Gate-Anschluss 10,
auf mindestens 0,1 mΩ·cm einzustellen.
Darüber
hinaus können
die Gate-Elektrode 4a und/oder die Kreis-Gate-Elektrode 9 auch
ganz als Widerstand mit dem vorstehend erwähnten spezifischen Widerstand
mit dem kreisförmigen
Gate-Anschluss 10 aufgebaut werden. Das heißt, bei
der Druckkontakt-Halbleitervorrichtung der vorliegenden Erfindung
werden/wird der kreisförmige
Gate-Anschluss, die Kreis-Gate-Elektrode und/oder die Gate-Elektrode
als Widerstand mit einem spezifischen Widerstand von mindestens
0,1 mΩ·cm aufgebaut.
- (b) Darüber
hinaus kann ein kreisförmiger
Widerstand zwischen die Gate-Elektrode 4 und die Kreis-Gate-Elektrode 9 eingesetzt
werden, oder es kann ein kreisförmiger
Widerstand zwischen den kreisförmigen
Gate-Anschluss 10 und die Kreis-Gate-Elektrode 9 eingesetzt werden,
und auch in diesen Fällen
wird eine gleichwertige Wirkung erzielt. Auch in diesen Fällen ist
es vorzuziehen, den spezifischen Widerstand des kreisförmigen Widerstands,
der eingesetzt werden soll, auf 0,1 mΩ·cm oder darüber einzustellen.
- (c) Darüber
hinaus wird auch eine gleichwertige Wirkung erzielt, wenn der kreisförmige Gate-Anschluss 10,
die Kreis-Gate-Elektrode 9 und/oder die Gate-Elektrode 4a mit
einem Isolierfilm überzogen
wird/werden. Auch in diesen Fällen
ist es vorzuziehen, den spezifischen Widerstand des Widerstandsfilms
auf 0,1 mΩ·cm oder
darüber einzustellen.
- (d) Darüber
hinaus wird auch eine gleichwertige Wirkung erzielt, wenn ein Widerstand
zwischen dem äußeren umfangsseitigen
Endabschluss des kreisförmigen
Gate-Anschlusses 10 und
dem Mehrschichtsubstrat 18 angeordnet wird. In diesem Fall
ist es vorzuziehen, dass der Widerstand, der eingesetzt werden soll,
ein kreisförmiger
Widerstand mit einem spezifischen Widerstand von mindestens 0,1
mΩ·cm ist
Insbesondere lässt sich
der Gedanke, der hinter dieser Modifizierung (d) steckt, nicht nur
auf den GCT-Thyristor von 1, sondern
auch auf einen GTO-Thyristor
mit einem zuleitungsdrahtförmigen
Gate-Anschluss anwenden.
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Obwohl
eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung im Detail offenbart und beschrieben wurde,
stellt die vorstehende Beschreibung einen anwendbaren Aspekt der
vorliegenden Erfindung dar, und diese ist nicht darauf beschränkt. Das
heißt,
es ist möglich,
zahlreiche Korrekturen und Modifizierungen für den beschriebenen Aspekt
innerhalb eines Bereichs in Betracht zu ziehen, der vom Umfang der vorliegenden
Erfindung nicht abweicht.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die
Druckkontakt-Halbleitervorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
wird in verschiedenen angewandten Vorrichtungen eingesetzt. In Bezug
auf einen GCT-Thyristor, der eine Form der vorliegenden Erfindung
ist, lässt
sie sich beispielsweise als ein Strombauteil mit hoher Leistung
in einer auf Strom angewandten Vorrichtung, wie etwa einem Blindstromgenerator
(Static-Var-Generator), einer Rücken-an-Rücken-Vorrichtung,
einem Frequenzwandler o. dgl. verwenden. Darüber hinaus ist es auch möglich, den
GCT-Thyristor auf
einen groß ausgelegten
industriellen Wechselrichter wie etwa einer Eisen- und Stahlwalze anzuwenden.