-
TECHNISCHES
GEBIET
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Druckkontakt-Halbleitervorrichtung
zur Verwendung bei einer elektrischen Leistungswandlervorrichtung,
wie zum Beispiel einem GCT-Thyristor bzw. einem gatekommutierten
Abschaltthyristor. Im spezielleren betrifft die Erfindung eine Druckkontakt-Halbleitervorrichtung
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Eine derartige Halbleitervorrichtung ist aus der
US-A-5 777 351 bekannt, die eine frühere Entwicklung des Anmelders
offenbart.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Ein
GTO-Thyristor bzw. ein Gateabschaltthyristor wird bisher zwar häufig als
Vorrichtung zur Verwendung bei Leistungselektronik mit hoher Kapazität verwendet,
jedoch benötigt
er eine Spannungsbegrenzungsschaltung, wobei es schwierig ist, den
Anstieg beim Beschaltungsverlust zu unterdrücken, der aufgrund des Anstiegs
seiner Betriebsspannung auftritt. Ein GCT-Thyristor bzw. ein gatekommutierter Abschaltthyristor
(der im folgenden einfach als GCT bezeichnet wird), aus dem die
Spannungsbegrenzungsschaltung eliminiert ist, hat jedoch eine Leistungsfähigkeit
des maximalen Ausschaltstroms von 6000 A und eine Abschalt-Speicherzeit
von 3 μs
oder weniger realisiert und damit den weiteren Anstieg der Kapazität und der
Geschwindigkeit beschleunigt.
-
6 zeigt
eine Schnittdarstellung zur Erläuterung
der Konstruktion einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung des Standes
der Technik, die in der JP-A-8-330 572 zum Beispiel als ein System
beschrieben ist, das den GCT und eine Gateansteuereinrichtung zum
Steuern des GCT beinhaltet. In der Zeichnung bezeichnen das Bezugszeichen 1 den GCT
und das Bezugszeichen 2 ein Halbleitersubstrat.
-
Eine
Gateelektrode 2a aus Aluminium ist an dem Außenumfangsbereich
auf der Oberfläche
des Halbleitersubstrats 2 gebildet, eine Kathodenelektrode 2b ist
innenseitig von dieser gebildet, und eine Anodenelektrode 2c ist
auf der Rückseite
des Substrats gebildet. Die Bezugszeichen 3 und 4 bezeichnen eine
Kathodenverformungs-Pufferscheibe und eine externe Kathodenelektrode,
die auf der Seite der Kathodenelektrode 2b nacheinander
auf der Oberfläche des
Halbleitersubstrats 2 angebracht sind, die Bezugszeichen 5 und 6 bezeichnen
eine Anodenverformungs-Pufferscheibe und eine externe Anodenelektrode,
die auf der Seite der Anodenelektrode 2c nacheinander angebracht
sind.
-
Das
Bezugszeichen 7 bezeichnet eine Ringgateelektrode aus Molybdän, die an
der Gateelektrode 2a des Halbleitersubstrats 2 anliegt,
das Bezugszeichen 8 bezeichnet einen ringförmigen externen Gateanschluß aus Eisen
oder Nickellegierung, dessen Innenumfangsbereich an der Ringgateelektrode 7 anliegt
und dessen Außenumfangsbereich
von der Seite eines noch zu beschreibenden isolierenden Zylinders 14 nach
außen
ragt.
-
Der
Gateanschluß 8 besitzt
gekrümmte
Bereiche 8a innenseitig und außenseitig von dem isolierenden
Zylinder 14 sowie eine vorbestimmte Anzahl (zum Beispiel
24 bei dem GCT mit einer Rate von 6 kV/6 kA) von Befestigungsöffnungen 8c,
die in konzentrischen gleichen Teilen in einem Bereich 8b gebildet
sind, der mit einer plattenförmigen
Steuergateelektrode 18 verbunden ist, die noch beschrieben wird.
-
Das
Bezugszeichen 9 bezeichnet einen elastischen Körper, der
die Ringgateelektrode 7 zusammen mit der externen Gateelektrode 8 über einen ringförmigen Isolator 10 gegen
die Gateelektrode 2a drückt,
das Bezugszeichen 11 bezeichnet einen Isolator, das Bezugszeichen 12 bezeichnet
einen ersten Flansch, der an der externen Kathodenelektrode 4 befestigt
ist, das Bezugszeichen 13 bezeichnet einen zweiten Flansch,
der an der externen Anodenelektrode 6 befestigt ist, und
das Bezugszeichen 14 bezeichnet den isolierenden Zylinder,
der in einen oberen Bereich und einen unteren Bereich geteilt ist.
-
Der
Außenumfangsbereich
des externen Gateanschlusses 8 ragt von der Seite des isolierenden
Zylinders 14 nach außen
und ist an einem Trennungsbereich 14a durch Verlöten an dem
isolierenden Zylinder 14 befestigt. Jedes Ende 15,
das an dem isolierenden Zylinder 14 befestigt ist, ist
an dem ersten und dem zweiten Flansch 12 und 13 befestigt, so
daß der
GCT 1 dicht eingeschlossen ist.
-
Das
Bezugszeichen 16 bezeichnet eine Stapelelektrode für die Druckbeaufschlagung
des GCT 1 und für
die Entnahme von Strom sowie zum Abstrahlen von Wärme von
der externen Kathodenelektrode 4 und der externen Anodenelektrode 6 gleichzeitig, das
Bezugszeichen 17 bezeichnet eine plattenförmige Steuerelektrode,
die durch eine ringförmige
Metallplatte gebildet ist und konzentrisch zu dem externen Gateanschluß 8 angeordnet
ist.
-
Das
Bezugszeichen 18 bezeichnet eine plattenförmige Steuergateelektrode,
die durch eine ringförmige
Metallplatte gebildet ist und konzentrisch zu dem externen Gateanschluß 8 angeordnet
ist und deren Innenumfangsbereich mit dem Außenumfangsbereich des externen
Gateanschlusses 8 elektrisch verbunden ist, und das Bezugszeichen 19 bezeichnet
eine isolierende Hülse
zum Isolieren der plattenförmigen
Steuerelektrode 17 gegenüber der plattenförmigen Steuergateelektrode 18.
-
Die
isolierende Hülse 19 ist
mittels einer Befestigungseinrichtung 20 an der plattenförmigen Steuerelektrode 17 und
der plattenförmigen
Steuergateelektrode 18 angebracht. Die plattenförmige Steuerelektrode 17 und
die plattenförmige
Steuergateelektrode 18 sind beide mit einer Gateansteuereinrichtung 21 zum
Steuern des GCT 1 verbunden.
-
Das
Bezugszeichen 23 bezeichnet eine Halteplatte, wie zum Beispiel
eine Unterlegscheibe, die die Rolle einer Verformungskorrekturplatte
zum Aufrechterhalten des haftenden Zustands des Außenumfangsbereichs
des externen Gateanschlusses 8 an dem Innenumfangsbereich
der plattenförmigen Steuergateelektrode 18 hat,
indem der Verbindungsbereich 8b des Außenumfangsbereichs des externen Gateanschlusses 8 und
der Innenumfangsbereich der plattenförmigen Steuergateelektrode 18 mittels einer
Befestigungseinrichtung 24 pro Befestigungsöffnung 8b festgelegt
sind.
-
Die
Verbindungsbereiche 8b sind bei einem GCT mit einer Rate
von 6 kV/4 kA (mit einem Außendurchmesser
von ca. 147 mm) vorgesehen, wobei zum Beispiel 24 Verbindungsbereiche
bei einem GCT mit einer Rate von 6 kV/6 kA (mit einem Außendurchmesser
von ca. 200 mm) vorgesehen sind.
-
Im
folgenden wird die Arbeitsweise des GCT 1 erläutert. Der
GCT 1 kann durch Zünden
eines Hauptstroms eingeschaltet werden, der von der externen Anodenelektrode 6 zu
der externen Kathodenelektrode 4 fließt, und zwar durch isotropes
Zuführen von
Gatestrom von der gesamten Umfangsebene der Gateansteuereinrichtung 21 zu
dem externen Gateanschluß 8 des
GCT 1. Der GCT 1 kann auch abgeschaltet werden,
indem der Hauptstrom unmittelbar zum Erlöschen gebracht wird, indem
Gatestrom in der umgekehrten Richtung wie beim Einschalten zugeführt wird.
-
Ein übergangsweises
Absinken des Gatestroms zum Zeitpunkt des Abschaltens beträgt ca. 6000
A/μs, so
daß eine
Steigerung der Schaltgeschwindigkeit zusammen mit einem übergangsweisen
Anstieg von ca. 1000 A/μs
zum Zeitpunkt des Einschaltens ermöglicht wird.
-
Der
GCT 1 des Standes der Technik ist in der vorstehend beschriebenen
Weise ausgebildet gewesen und hat folgende Probleme aufgeworfen.
-
Die
Steigerung der Kapazität
des GCT hat unweigerlich zu einer Steigerung der Öffnung des Halbleitersubstrats 2 und
der Öffnung
des Bausteins geführt,
und ferner hat die Zunahme des maximalen Unterbrechungsstroms zu
einer Erhöhung
der Anzahl von Segmenten geführt,
die auf der Oberfläche des
Halbleitersubstrats 2 konzentrisch parallel verbunden sind.
Je größer der
Außendurchmesser
ist, desto stärker
steigt die Anzahl der Befestigungsöffnungen 8c zur Verbindung
mit der mit der Gateansteuervorrichtung 21 verbundenen
plattenförmigen Steuergateelektrode 18 an
dem Außenumfangsbereich
des externen Gateanschlusses 8 an, der seitlich von dem
isolierenden Zylinder 14 nach außen geführt ist.
-
Wenn
eine Anzahl der Gateansteuereinrichtungen 21 begrenzt ist,
kann eine Ausgangsinspektion des GCT 1 nur durch wiederholtes
Austauschen des GCT 1 erfolgen. Daher besteht ein Problem
dahingehend, daß viel
Arbeit und Zeit erforderlich ist, um die Befestigungseinrichtung 24 zum
Anbringen des Befestigungsbereichs 8b anzubringen bzw.
zu lösen.
Bei der Ausgangsinspektion eines GCT 1 mit einer Rate von
6 kV/6 kA (Einschalttest und Abschalttest mittels eines Impulstests
bei hoher oder niedriger Temperatur) ist zum Beispiel ein mindestens
dreimaliges Anbringen und Entfernen von 24 solchen Befestigungseinrichtungen 24 erforderlich.
Wenn die Kapazität
des GCT 1 ansteigt, sind noch viel mehr Arbeit und Zeit
für diese
Arbeitsvorgänge
erforderlich.
-
Obwohl
die Halteplatte 23 die Rolle einer Verformungskorrekturplatte
zum Aufrechterhalten der haftenden Verbindung des Außenumfangsbereichs
des externen Gateanschlusses 8 an dem Innenumfangsbereich
der plattenförmigen
Steuergateelektrode 18 hat, nimmt der Druck in der Nähe des Fixierbereichs
der Befestigungseinrichtung 24 tendenziell zu, wenn die
Dicke der Halteplatte 23 relativ dünn ist.
-
Der
Außenumfangsbereich
des externen Gateanschlusses 8 steht dabei an dem Verbindungsbereich 8b nur
in der Nähe
des Fixierbereichs der Befestigungseinrichtung 24 in der
Art eines punktuellen Kontakts mit dem Innenumfangsbereich der plattenförmigen Steuergateelektrode 18 in
Verbindung. Daher besteht ein Problem darin, daß die ursprüngliche Fähigkeit bei der Zuführung eines
gleichmäßigen Gatestroms
zu dem externen Gateanschluß 8,
d.h. das Merkmal des GCT 1, möglicherweise nicht voll zur Geltung
kommt und der GCT 1 dauerhaft zerstört werden könnte, wenn sich Strom lokal
konzentriert.
-
Während der
Anstieg der Schaltgeschwindigkeit des GCT 1 die Verwendung
von diesem bei Anwendungen zum Steuern von hohem Strom in dem Betriebsfrequenzbereich
von beispielsweise über
1 kHz vorangebracht hat, induziert eine Flußschwankung, die durch wiederholte
Phasenumkehr des Gatestroms hervorgerufen wird, einen induktiven Erwärmungseffekt
aufgrund der elektromagnetischen Induktion, so daß die Temperatur
des externen Gateanschlusses 8 ansteigt, wenn es sich bei
dem Material des externen Gateanschlusses 8 um ferromagnetisches
Material, wie zum Beispiel Eisen oder Nickel, handelt.
-
Da
eine direkte Kühlung
des externen Gateanschlusses 8 aufgrund der Formgebung
und der Anordnung der Teile unabhängig von dem Material des externen
Gateanschlusses schwierig ist, bringt die Steigerung der Kapazität aufgrund
des Anstiegs des maximalen Ausschaltstroms des GCT 1 unweigerlich
einen Temperaturanstieg aufgrund der Wärme der Gateelektrode 2a mit
sich.
-
Da
die am Ende des Halbleitersubstrats 2 vorgesehene Gateelektrode 2a nicht
vollständig
gekühlt
wird, und zwar im Gegensatz zu der Kathodenelektrode 2b und
der Anodenelektrode 2c, die wirksam gekühlt werden, besteht ein Problem
dahingehend, daß die
in der Ebene vorhandene Temperaturverteilung des Halbleitersubstrats 2 ungleichmäßig wird
und sich dadurch Änderungen
bei den Eigenschaften des GCT 1 ergeben.
-
In
Anbetracht dieser Situation ist die vorliegende Erfindung zum Lösen der
vorstehend geschilderten Probleme erfolgt, und eine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung,
bei der sich die Arbeiten zum Anbringen/Entfernen des GCT an/von der
Gateansteuervorrichtung vereinfachen lassen.
-
Ein
weiteres Ziel besteht in der Schaffung einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung,
bei der sich verhindern läßt, daß der Außenumfangsbereich
des externen Gateanschlusses mit dem Innenumfangsbereich der plattenförmigen Steuergateelektrode
an dem Verbindungsbereich in Form eines punktuellen Kontakts in
Berührung
tritt.
-
Noch
ein weiteres Ziel besteht in der Schaffung einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung,
bei der verhindert werden kann, daß die in der Ebene vorhandene
Temperaturverteilung des Halbleitersubstrats des GCT ungleichmäßig wird.
-
OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
-
Gemäß der Erfindung
wird ein Druckkontakt-Halbleiterelement angegeben, mit einem Halbleitersubstrat,
wobei eine Gateelektrode und eine Kathodenelektrode auf seiner Oberfläche gebildet
sind und eine Anodenelektrode auf seiner Rückseite gebildet ist, mit einem
isolierenden Zylinder, der das Halbleitersubstrat enthält, mit
einer ringförmigen
Gateelektrode, die an der Gateelektrode anliegt, und mit einem äußeren Gateanschluß, dessen
Außenumfangsbereich
von der Seite des isolierenden Zylinders nach außen ragt und an dem isolierenden
Zylinder befestigt ist und dessen Innenumfangsbereich an der ringförmigen Gateelektrode
anliegt.
-
Ferner
ist auch eine Steuergateelektrode vorhanden, die mit einer externen
Steuerung verbunden werden kann, die mit dem externen Gateanschluß elektrisch
verbunden ist. Weiterhin ist ein Abstützelement vorhanden, das konzentrisch
mit dem externen Gateanschluß angeordnet
ist und einen elastischen Körper
aufweist, der gegen einen Verbindungsbereich drückt, an dem der externe Gateanschluß mit der
plattenförmigen
Steuergateelektrode elektrisch verbunden ist. Eine Stapelelektrode
drückt das
Druckkontakt-Halbleiterelement zusammen und stützt das Abstützelement
ab.
-
Da
das Abstützelement
den externen Gateanschluß gegen
die plattenförmige
Steuergateelektrode drückt,
wenn das Abstützelement
konzentrisch mit dem externen Gateanschluß angeordnet ist und einen
elastischen Körper
aufweist, der gegen den Verbindungsbereich drückt, an dem der externe Gateanschluß mit der
plattenförmigen
Steuergateelektrode elektrisch verbunden ist, und da die Stapelelektrode
das Druckkontakt-Halbleiterelement zusammendrückt und das Abstützelement
abstützt, können Befestigungsöffnungen
und Befestigungseinrichtungen zum Festlegen des externen Gateanschlusses
an der plattenförmigen
Steuergateelektrode eliminiert werden. Damit wird es möglich, die
Arbeiten zum Anbringen oder Entfernen des GCT an/von der plattenförmigen Steuergateelektrode
zu vereinfachen.
-
Gemäß der Erfindung
kann der elastische Körper
ringförmig
ausgebildet sein. Der Verbindungsbereich des Außenumfangsbereichs des externen Gateanschlusses
und des Innenumfangsbereichs der plattenförmigen Steuergateelektrode
können gleichmäßig mit
Druck beaufschlagt werden, wenn der elastische Körper ringförmig ausgebildet ist. Dadurch
wird es möglich,
zu verhindern, daß der
Kontakt an dem Verbindungsbereich zu einem punktuellen Kontakt wird,
und ferner wird die Möglichkeit
ausgeschlossen, daß es
zu einer permanenten Zerstörung
des GCT bei lokaler Konzentration des Stroms kommt.
-
Gemäß der Erfindung
kann ein Wärmeabgabemechanismus
in dem Abstützelement
vorgesehen sein. Da die Wärme
des Gateelektrodenbereichs über
die ringförmige
Gateelektrode und die externe Gateelektrode abgeführt werden
kann, wenn der Wärmeabgabemechanismus
in dem Abstützelement vorgesehen
ist, kann der Effekt unterdrückt
werden, daß die
in der Ebene vorhandene Temperaturverteilung des Halbleitersubstrats
des GCT ungleichmäßig wird.
-
Darüber hinaus
kann gemäß der Erfindung der
Wärmeabgabemechanismus
ein Mechanismus vom Typ mit Wasserkühlung sein. Wenn es sich bei dem
Wärmeabgabemechanismus
um einen Typ mit Wasserkühlung
handelt, kann die Wärme
des Gateelektrodenbereichs über
die ringförmige
Gateelektrode und die externe Gateelektrode in effizienter Weise abgegeben
werden. Dadurch läßt sich
der Effekt unterdrücken,
daß die
in der Ebene vorhandene Temperaturverteilung des GCT ungleichmäßig wird.
-
Weiterhin
wird gemäß der Erfindung
ein Druckkontakt-Halbleiterelement geschaffen, das folgendes aufweist:
ein scheibenförmiges
Halbleitersubstrat, wobei eine Gateelektrode an dem Außenumfangsbereich
der Oberfläche
von diesem ausgebildet ist, eine Kathodenelektrode innenseitig von
der Gateelektrode ausgebildet ist und eine Anodenelektrode auf der
Rückseite
von diesem ausgebildet ist; eine externe Kathodenelektrode, die
derart angeordnet ist, daß sie
gegen die Kathodenelektrode drücken kann;
eine externe Anodenelektrode, die derart angeordnet ist, daß sie gegen
die Anodenelektrode drücken
kann; einen isolierenden Zylinder, der das Halbleitersubstrat enthält; eine
ringförmige
Gateelektrode, die an der Gateelektrode anliegt; und einen externen
Gateanschluß,
der aus einer ringförmigen
Platte gebildet ist und von der Seite des isolierenden Zylinders
nach außen
ragt und an dem isolierenden Zylinder befestigt ist und dessen Innenumfangsbereich
an der ringförmigen
Gateelektrode anliegt.
-
Ferner
sind vorhanden eine plattenförmige Steuerelektrode,
die konzentrisch zu dem externen Gateanschluß angeordnet ist und mit der
externen Kathodenelektrode elektrisch verbunden ist, sowie eine
plattenförmige
Steuergateelektrode, die konzentrisch zu dem externen Gateanschluß angeordnet
ist und mit dem externen Gateanschluß an dem Innenumfangsbereich
von diesem sowie mit einer Gateansteuereinrichtung zum Steuern eines
Gatestroms elektrisch verbunden ist, an der die plattenförmige Steuerelektrode
und die plattenförmige
Steuergateelektrode über
einen ersten Isolator angebracht sind, um eine Verbindung mit der
plattenförmigen
Steuerelektrode und der plattenförmigen
Steuergateelektrode herzustellen.
-
Außerdem ist
eine Stapelelektrodenanordnung vorhanden, die gebildet ist aus einer
ersten Stapelelektrode zum Zusammendrücken des Druckkontakt-Halbleiterelements
von der externen Kathodenelektrode her sowie aus einer zweiten Stapelelektrode,
die das Druckkontakt-Halbleiterelement von der externen Anodenelektrode
her zusammendrückt
und die sich unterhalb eines Verbindungsbereichs erstreckt, an dem
der externe Gateanschluß mit
der plattenförmigen
Steuergateelektrode elektrisch verbunden ist.
-
Weiterhin
ist ein Abstützelement
vorhanden, das konzentrisch zu dem externen Gateanschluß zwischen
dem Verbindungsbereich, an dem der externe Gateanschluß mit der
plattenförmigen
Steuergateelektrode elektrisch verbunden ist, der gegen den Verbindungsbereich
drückt,
sowie einen zweiten Isolator aufweist, um die zweite Stapelelektrode
und den externen Gateanschluß elektrisch
zu isolieren.
-
Da
das Abstützelement
den externen Gateanschluß gegen
die plattenförmige
Steuergateelektrode drückt,
wenn das Abstützelement
in einer konzentrischen Anordnung zu dem externen Gateanschluß zwischen
dem Verbindungsbereich, an dem der externe Gateanschluß mit der
plattenförmigen Steuergateelektrode
elektrisch verbunden ist, und der zweiten Stapelelektrode angeordnet
ist und das Abstützelement
den ringförmigen
elastischen Körper, der
gegen den Verbindungsbereich drückt,
sowie den zweiten Isolator zum elektrischen Isolieren der zweiten
Stapelelektrode aufweist, die sich unterhalb des Verbindungsbereichs
und des externen Gateanschlusses erstreckt, können die Befestigungsöffnungen
und Befestigungseinrichtungen zum Festlegen des externen Gateanschlusses
an der plattenförmigen
Steuergateelektrode eliminiert werden.
-
Dadurch
lassen sich die Arbeiten zum Anbringen/Entfernen des GCT an/von
der plattenförmigen
Steuergateelektrode vereinfachen. Da ferner der elastische Körper ringförmig ausgebildet
ist, wird es möglich,
den Verbindungsbereich des Außenumfangsbereichs
des externen Gateanschlusses mit dem Innenumfangsbereich der plattenförmigen Steuergateelektrode
gleichmäßig mit
Druck zu beaufschlagen.
-
Dadurch
kann verhindert werden, daß der Kontakt
an dem Verbindungsbereich zu einem punktuellen Kontakt wird.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
In
den Zeichnungen zeigen:
-
1 eine
Schnittdarstellung zur Erläuterung
der Konstruktion einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
2A, 2B und 2C Schnittdarstellungen
zur Erläuterung
der Konstruktion eines wesentlichen Bereichs einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung
gemäß einem
modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform;
-
3 eine
Schnittdarstellung zur Erläuterung
der Konstruktion eines wesentlichen Bereichs einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung
gemäß einem
weiteren modifizierten Beispiel der ersten Ausführungsform;
-
4 eine
teilweise weggeschnittene Perspektivansicht zur Erläuterung
der Konstruktion einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
-
5A, 5B, 5C und 5D Schnittdarstellungen
zur Erläuterung
eines wesentlichen Bereichs einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung
gemäß einem
modifizierten Beispiel der zweiten Ausführungsform; und
-
6 eine
Schnittdarstellung zur Erläuterung
der Konstruktion einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung des Standes
der Technik.
-
BESTE ART
UND WEISE ZUM AUSFÜHREN
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
Begleitzeichnungen erläutert.
-
1 zeigt
eine Schnittdarstellung zur Erläuterung
der Konstruktion einer Druckkontakt-Halbleitervorrichtung gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Es handelt sich um eine Schnittdarstellung
zur Erläuterung
der Konstruktion der Druckkontakt-Halbleitervorrichtung in Form eines
Systems, bei dem eine Gateansteuereinrichtung zum Steuern einer
Druckkontakt-Halbleitervorrichtung, wie zum Beispiel eines GCT,
in den GCT integriert ist.
-
In 1 bezeichnet
das Bezugszeichen 31 den GCT, und das Bezugszeichen 32 bezeichnet eine
scheibenförmige
Halbleitervorrichtung. Eine Gateelektrode 32a aus Aluminium
ist an dem Außenumfangsbereich
auf der Oberfläche
des Halbleitersubstrats 32 gebildet, eine Kathodenelektrode 32b aus Aluminium
ist innenseitig von der Gateelektrode 32a gebildet, und
eine Anodenelektrode 32c aus Aluminium ist auf der Rückseite
der Gateelektrode 32a gebildet.
-
Die
Bezugszeichen 33 und 34 bezeichnen eine Kathodenverformungs-Pufferscheibe
aus Molybdän
und eine externe Kathodenelektrode aus Kupfer, die auf der Seite
der Kathodenelektrode 32b nacheinander auf der Oberfläche des
Halbleitersubstrats 32 angebracht sind, die Bezugszeichen 35 und 36 bezeichnen
eine Anodenverformungs-Pufferscheibe
aus Molybdän
und eine externe Anodenelektrode aus Kupfer, die auf der Seite der
Anodenelektrode 32c nacheinander angebracht sind, das Bezugszeichen 37 bezeichnet
eine ringförmige
Gateelektrode, die hauptsächlich
aus Kupfer, Molybdän, rostfreiem
Stahl oder dergleichen gebildet ist und die an der Gateelektrode 32a des
Halbleitersubstrats 32 anliegt.
-
Das
Bezugszeichen 38 bezeichnet einen externen Gateanschluß in Form
einer nichtmagnetischen ringförmigen
Platte, der in erster Linie aus Materialien besteht, die durch elektromagnetische
Induktion nicht beeinträchtigt
werden, wie zum Beispiel Kupfer, Molybdän, Wolfram oder deren Legierungen, wie
zum Beispiel Phosphorbronze. Der externe Gateanschluß 38 liegt
mit seinem Innenumfangsbereich an der ringförmigen Gateelektrode 37 an,
und sein Außenumfangsbereich
ragt von der Seite eines isolierenden Zylinders 44 nach
außen,
der später noch
beschrieben wird.
-
Der
externe Gateanschluß 38 hat
gekrümmte
Bereiche 38a innenseitig und außenseitig von dem isolierenden
Zylinder 34 und ist mit einer später noch zu beschreibenden
plattenförmigen
Steuergateelektrode 49 an einem Verbindungsbereich 38b verbunden.
Das Bezugszeichen 39 bezeichnet einen elastischen Körper, wie
zum Beispiel eine scheibenartige Feder oder eine Wellenfeder, die
die ringförmige
Gateelektrode 37 zusammen mit der externen Gateelektrode 38 über einen
ringförmigen
Isolator 40 gegen die Gateelektrode 32a drückt, das
Bezugszeichen 41 bezeichnet einen Isolator aus einem isolierenden Flächenkörpermaterial,
wie zum Beispiel Polyimid, der zwischen der ringförmigen Gateelektrode 37, dem
externen Gateanschluß 38 und
der externen Kathodenelektrode 34 vorgesehen ist.
-
Das
Bezugszeichen 42 bezeichnet einen ersten Flansch aus Eisen,
Nickel oder dergleichen, der an der externen Kathodenelektrode 34 befestigt ist,
das Bezugszeichen 43 bezeichnet einen zweiten Flansch aus
Eisen, Nickel oder dergleichen, der an der externen Anodenelektrode 36 befestigt
ist, und das Bezugszeichen 44 bezeichnet den isolierenden Zylinder,
der aus Keramikmaterial oder dergleichen gebildet ist und in einen
oberen und einen unteren Bereich geteilt ist.
-
Der
Außenumfangsbereich
des externen Gateanschlusses 38 ragt von der Seite des
isolierenden Zylinders 44 nach außen und ist an einem Trennbereich 44a an
diesem befestigt. Jedes an dem isolierenden Zylinder 44 befestigte
Ende 45 ist an dem ersten und dem zweiten Flansch 42 und 43 befestigt, so
daß der
GCT 31 dicht eingeschlossen ist.
-
Das
Bezugszeichen 46 bezeichnet eine Stapelelektrode für die Druckbeaufschlagung
des GCT 31 von der externen Kathodenelektrode 34 her,
das Bezugszeichen 47 bezeichnet eine zweite Stapelelektrode
für die
Druckbeaufschlagung des GCT 31 von der Seite der externen
Anodenelektrode 36 her, wobei die zweite Stapelelektrode 37 sich
unterhalb des Verbindungsbereiches 38b erstreckt, an dem
der externe Gateanschluß 38 mit
einer plattenförmigen Steuergateelektrode 49 elektrisch
verbunden ist, die später
noch beschrieben wird.
-
Die
Stapelelektroden, die durch die erste Stapelelektrode 46 und
die zweite Stapelelektrode 47 gebildet sind, beaufschlagen
den GCT 31 mit Druck, sorgen für die Abfuhr von Strom und
strahlen Wärme von
der externen Kathodenelektrode 34 und der externen Anodenelektrode 36 ab.
Das Bezugszeichen 48 bezeichnet die plattenförmige Steuerelektrode, die
aus einer ringförmigen
Metallplatte gebildet ist und konzentrisch zu dem externen Gateanschluß 38 angeordnet
ist sowie von der ersten Stapelelektrode 46 gegen die externe
Kathodenelektrode 34 gedrückt ist.
-
Das
Bezugszeichen 49 bezeichnet eine plattenförmige Steuergateelektrode,
die aus einer ringförmigen
Metallplatte gebildet ist und konzentrisch zu dem externen Gateanschluß 38 angeordnet
ist und deren Innenumfangsbereich mit dem Außenumfangsbereich des externen
Gateanschlusses 38 elektrisch verbunden ist, und das Bezugszeichen 50 bezeichnet
eine isolierende Hülse
zum Isolieren der plattenförmigen
Steuerelektrode 48 gegenüber der plattenförmigen Steuergateelektrode 49.
-
Die
isolierende Hülse
ist an der plattenförmigen
Steuerelektrode 48 und der plattenförmigen Steuergateelektrode 49 mittels
einer Befestigungseinrichtung 51, wie zum Beispiel eine
Schraube, angebracht. Die plattenförmige Steuerelektrode 48 und die
plattenförmige
Steuergateelektrode 49 sind beide mit einer Gateansteuereinrichtung 52 zum
Steuern des GCT 31 verbunden.
-
Das
Bezugszeichen 53 bezeichnet ein ringförmigen Abstützelement, das konzentrisch
zu dem externen Gateanschluß 38 zwischen
dem Verbindungsbereich 38b, an dem der externe Gateanschluß 38 und
die plattenförmige
Steuergateelektrode 49 elektrisch verbunden sind, und der
zweiten Stapelelektrode 47 angeordnet ist und den Verbindungsbereich 38b mit
Druck beaufschlagt.
-
Dieses
Abstützelement 53 enthält einen elastischen
Körper 54,
der von einer scheibenartigen Feder oder einer Wellenfeder ringförmig ausgebildet ist
und aus einer ringförmigen
Gateanschluß-Halteplatte 55 aus
Metall, die gegen den Verbindungsbereich 38b drückt, sowie
von einem ringförmigen
zweiten Isolator 56 gebildet ist, der zwischen der zweiten Stapelelektrode 47 und
der Gateanschluß-Halteplatte 55 vorgesehen
ist, um die zweite Stapelelektrode 47 von der Gateanschluß-Halteplatte 55 elektrisch
zu isolieren.
-
Im
folgenden wird die Arbeitsweise des GCT erläutert. Der GCT 31 kann
durch das Zünden
eines Hauptstroms, der von der externen Anodenelektrode 36 zu
der externen Kathodenelektrode 34 fließt, eingeschaltet werden, und
zwar durch isotropes Zuführen
von Gatestrom von der gesamten Umfangsebene der Gateansteuereinrichtung 51 zu
dem externen Gateanschluß 38 des
GCT 31.
-
Ferner
kann der GCT 31 auch ausgeschaltet werden, indem der Hauptstrom
unmittelbar zum Erlöschen
gebracht wird, indem der Gatestrom in der umgekehrten Richtung zu
der Richtung beim Einschaltvorgang zugeführt wird. Ein übergangsweises
Absinken des Gatestroms zum Zeitpunkt des Abschaltens beträgt ca. 6000
A/μs, so
daß eine
Steigerung der Schaltgeschwindigkeit zusammen mit einem vorübergehenden
Anstieg von ca. 1000 A/μs
zum Zeitpunkt des Einschaltens ermöglicht wird.
-
Der
Kontakt an dem Verbindungsbereich 38b, der den externen
Gateanschluß 38 mit
der plattenförmigen
Steuergateelektrode 49 verbindet, die Bestandteil eines
Zuführweges
von der externen Kathodenelektrode 34 zu der plattenförmigen Steuergateelektrode 49 bildet,
muß in
vollständiger
Weise erfolgen, damit der hohe Strom um Zeitpunkt des Einschaltens
oder Ausschaltens unmittelbar zugeführt wird, wie dies vorstehend
beschrieben worden ist.
-
Gemäß der ersten
Ausführungsform
erstreckt sich die zweite Stapelelektrode 47 unterhalb von
dem Verbindungsbereich 38b, an dem der externe Gateanschluß 38 mit
der plattenförmigen
Steuergateelektrode 49 elektrisch verbunden ist, und es
ist das Abstützelement 53 mit
dem zweiten elastischen Körper 54 vorhanden,
das konzentrisch zu dem externen Gateanschluß 38 zwischen dem
Verbindungsbereich 38b, an dem der externe Gateanschluß 38 und
die plattenförmige
Steuergateelektrode 49 elektrisch verbunden sind, und der
zweiten Stapelelektrode 47 angeordnet ist, um den Verbindungsbereich 38b mit
Druck zu beaufschlagen.
-
Mit
dieser Konstruktion, wie sie vorstehend beschrieben worden ist,
können
die Elemente, die bei dem GCT des Standes der Technik mit einer
Rate von beispielsweise 6 kV/6 kA zum Festlegen des externen Gateanschlusses 8 an
der plattenförmigen Steuergateelektrode 18 vorgesehen
sind, d.h. die 24 Befestigungsöffnungen 8c, die Halteplatte 23 und
die Befestigungseinrichtung 24, eliminiert werden, da das
Abstützelement 53 den
Verbindungsbereich 38b mit Druck beaufschlagt. Auf diese
Weise wird das Anbringen/Entfernen des GCT an/von der plattenförmigen Steuergateelektrode
in einfacher Weise möglich.
-
Weiterhin
ist der zweite elastische Körper 54 ringförmig ausgebildet.
Dadurch können
der Verbindungsbereich 38b des Außenumfangsbereichs des externen
Gateanschlusses 38 und der Innenumfangsbereich der plattenförmigen Steuergateelektrode 49 gleichmäßig mit
Druck beaufschlagt werden, so daß verhindert werden kann, daß der Kontakt
mit dem Verbindungsbereich 38b ein punktueller Kontakt wird,
so daß hier durch
auch die Möglichkeit
einer permanenten Zerstörung
des GCT, wie diese ansonsten bei lokaler Konzentration des Stroms
hervorgerufen wird, eliminiert werden kann.
-
Weiterhin
besteht die Möglichkeit,
eine anomale Erzeugung von Wärme
des externen Gateanschlusses 38 zu unterdrücken, wenn
dieser durch elektromagnetische Induktion beeinflußt wird,
die durch das Magnetfeld der externen Schaltung beim Betrieb mit
hoher Frequenz lokal erzeugt wird, und zwar durch Verwenden eines
nichtmagnetischen Elements als Element des externen Gateanschlusses 38.
-
Es
ist darauf hinzuweisen, daß die
positionsmäßige Beziehung
zwischen der Gatehalteplatte 55, die einen elastischen
Körper 54 enthält, und
dem zweiten Isolator 56 auch umgekehrt vorgesehen werden
kann und sich hierbei der gleiche Effekt erzielen läßt.
-
Ferner
kann die erste Stapelelektrode in ähnlicher Weise wie die zweite
Stapelelektrode 47 zu dem Verbindungsbereich 38b hin
verlängert
sein. Dadurch wird wiederum der gleiche Effekt erzielt, wie dies
vorstehend beschrieben worden ist.
-
Außerdem kann
es sich bei der Gateansteuereinrichtung um eine externe Steuereinheit
handeln, solange diese den Gatestrom steuert. Eine Steuergateelektrode,
die mit der externen Steuereinheit verbunden werden kann, kann auch
eine andere Formgebung als eine plattenartige Formgebung aufweisen.
-
Ein
modifiziertes Beispiel des Abstützelements 53 wird
im folgenden unter Bezugnahme auf die 2A, 2B und 2C erläutert. In 2A bezeichnet
das Bezugszeichen 53a ein ringförmiges Abstützelement, das konzentrisch
zu dem externen Gateanschluß 38 zwischen
dem Verbindungsbereich 38b und der zweiten Stapelelektrode 47 angeordnet ist,
um den Verbindungsbereich 38b mit Druck zu beaufschlagen.
-
Das
Abstützelement 53a ist
gebildet aus einer ringförmigen
Gateanschluß-Halteplatte 55a aus Metall,
die an dem externen Gateanschluß 38 anliegt, sowie
aus einem ringförmigen
zweiten Isolator 56a, der einen zweiten elastischen Körper 54 enthält, um die
zweite Stapelelektrode 57 von der Gateanschluß-Halteplatte 55a elektrisch
zu isolieren, wobei sich die gleichen Wirkungen erzielen lassen,
wie dies vorstehend beschrieben worden ist.
-
Es
ist darauf hinzuweisen, daß der
zweite Isolator 56a derart ausgebildet ist, daß er den
zweiten elastischen Körper 54 von
der Seite des externen Gateanschlusses 38 und der Seite
der zweiten Stapelelektrode 47 einschließt. Sein
Ende auf der Seite des externen Gateanschlusses 38 ist
an der Gateanschluß-Halteplatte 55a mit
einem Bolzen 57 befestigt und drückt mit der Drückkraft
des zweiten elastischen Körpers 54 gegen
den Verbindungsbereich 38b.
-
In 2B bezeichnet
das Bezugszeichen 53b ein ringförmiges Abstützelement, das konzentrisch
zu dem externen Gateanschluß 38 zwischen dem
Verbindungsbereich 38b und der zweiten Stapelelektrode 47 angeordnet
ist, um den Verbindungsbereich 38b mit Druck zu beaufschlagen.
Das Abstützelement 53b ist
aus einer ringförmigen
Gateanschluß-Halteplatte 55b aus
Metall gebildet, die an dem externen Gateanschluß 38 anliegt, und
ein ringförmiger
zweiter Isolator 56b, der einen zweiten elastischen Körper 54 enthält, ist
zwischen der zweiten Stapelelektrode 47 und der Gateanschluß-Halteplatte 55b vorgesehen,
um die zweite Stapelelektrode 47 von der Gateanschluß-Halteplatte 55b elektrisch
zu isolieren, wobei sich die gleiche Wirkung erzielen läßt, wie
diese vorstehend beschrieben worden ist.
-
In 2C bezeichnet
ein Bezugszeichen 53c ein ringförmiges Abstützelement, das konzentrisch
zu dem externen Gateanschluß 38 zwischen dem
Verbindungsbereich 38b und der zweiten Stapelelektrode 47 angeordnet
ist, um den Verbindungsbereich 38b mit Druck zu beaufschlagen.
Das Abstützelement 53c ist
aus einem ringförmigen
zweiten Isolator 56c gebildet, bei dem es sich um einen
Isolator handelt, der den zweiten elastischen Körper 54 enthält, und
ist zwischen dem Verbindungsbereich 38b und der zweiten
Stapelelektrode 46 vorgesehen, um die zweite Stapelelektrode 47 von
dem externen Gateanschluß 38 elektrisch
zu isolieren. Dadurch werden wiederum die gleichen Wirkungen erzielt,
wie diese vorstehend beschrieben worden sind.
-
Ferner
können
maximal sechs Bolzen bzw. Schrauben 58 von der Seite der
Gateanschluß-Halteplatte 55 her
angebracht werden, um den Kontakt des Verbindungsbereichs 38b zwischen
dem externen Gateanschluß 38 und
einer plattenförmigen Steuergateelektrode 49 zu
verbessern, wie dies in 3 gezeigt ist.
-
Es
ist darauf hinzuweisen, daß die
Gateelektrode 32a gemäß einem
Beispiel der Gatekonstruktion des GCT 31 der ersten Ausführungsform
an dem Außenumfangsbereich
auf der Oberfläche
des Halbleitersubstrats 32 ausgebildet ist, jedoch kann
die Gate elektrode auch in dem mittleren Bereich der Oberfläche ausgebildet
sein. Dadurch ergibt sich der gleiche Effekt.
-
Im
folgenden wird eine Druckkontakt-Halbleitervorrichtung gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf 4 erläutert.
-
4 zeigt
eine teilweise weggeschnittene Perspektivansicht der Konstruktion
der Druckkontakt-Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform
der Erfindung. 4 unterscheidet sich von der
Konstruktion der 1 darin, daß ein Wärmeabgabemechanismus in dem
Abstützelement vorgesehen
ist. Das heißt,
das Bezugszeichen 61 bezeichnet ein ringförmiges Abstützelement,
das konzentrisch zu dem externen Gateanschluß 38 zwischen dem
Verbindungsbereich 38b, an dem der externe Gateanschluß 38 mit
der plattenförmigen
Steuergateelektrode 48 elektrisch verbunden ist, und der zweiten
Stapelelektrode 47 angeordnet ist, um den Verbindungsbereich 38b mit
Druck zu beaufschlagen.
-
Dieses
Abstützelement 61 besitzt
eine ringförmige
Gateanschluß-Halteplatte 63 aus
Metall, die an der plattenförmigen
Steuergateelektrode 48 anliegt, wobei es sich zum Beispiel
um ein Metall handelt, bei dem weiches Metall auf sauerstoffreiem Kupfer
aufgebracht ist, wobei das Abstützelement 61 ferner
einen Wärmeabgabemechanismus 62,
einen zweiten ringförmigen
elastischen Körper 54 in
Form einer scheibenförmigen
Feder oder einer Wellenfeder sowie einen zweiten Isolator 64 aufweist,
der den zweiten elastischen Körper 54 enthält und zwischen der
zweiten Stapelelektrode 47 und der Gateanschluß-Halteplatte 63 vorgesehen
ist, um die zweite Stapelelektrode 47 von der Gateanschluß-Halteplatte 63 elektrisch
zu isolieren.
-
Der
Wärmeabgabemechanismus 62 wird
gebildet, indem man Kühlwasser
innerhalb einer ringförmigen
Wasserpassage 65 zirkulieren läßt, die im Inneren der Gateanschluß-Halteplatte 63 vorgesehen
ist. Gemäß der zweiten
Ausführungsform
ist der Wärmeabgabemechanismus 62 in
dem Abstützelement 61 vorgesehen.
-
Eine
derartige Konstruktion erlaubt ein Kühlen bzw. eine Abgabe der Wärme des
Gateelekrodenbereichs 32a durch den Wärmeabgabemechanismus 62 über die
ringförmige
Gateelektrode 37 und den externen Gateanschluß 38.
Dadurch wird es möglich,
zu verhindern, daß die
in der Ebene vorhandene Temperaturverteilung des Halbleitersubstrats 32 des
GCT 31 ungleichmäßig wird.
-
Für den Wärmeabgabemechanismus
wird ein Mechanismus des Typs mit Wasserkühlung verwendet. Eine solche
Konstruktion ermöglicht
auch ein effizientes Kühlen
bzw. Abführen
der Wärme
des Gateelektrodenbereichs 32a durch den Wärmeabgabemechanismus 62 über die
ringförmige
Gateelektrode 37 und den externen Gateanschluß 38.
Dadurch kann wiederum vermieden werden, daß die in der Ebene vorhandene
Temperaturverteilung des Halbleitersubstrats 32 des GCT 31 ungleichmäßig wird.
-
Ein
modifiziertes Beispiel des Wärmeabgabemechanismus 62 wird
im folgenden unter Bezugnahme auf die 5A, 5B, 5C und 5D erläutert. In 5A ist
ein Wärmeabgabemechanismus 62a derart
ausgebildet, daß jeweils
ein Einlaß und
ein Auslaß für Kühlwasser 66 vorhanden
sind, wobei die Wasserströmung
des Kühlwassers 66 an dem
Einlaß in
zwei Richtungen geteilt wird und das Wasser innerhalb einer Wasserpassage 65 strömt, die
in der Gateanschluß-Halteplatte 63a vorgesehen ist,
und das Wasser an dem Auslaß wieder
zusammengeführt
wird.
-
In 5 ist ein Wärmeabgabemechanismus 62b derart
ausgebildet, daß jeweils
ein Einlaß und ein
Auslaß für Kühlwasser 66 vorhanden
sind und die Wasserströmung
des Kühlwassers 66 derart
erfolgt, daß diese
innerhalb einer Wasserpassage 65b zirkuliert, die in einer
Gateanschluß-Halteplatte 63b vorgesehen
ist.
-
In 5C ist
ein Wärmeabgabemechanismus 62c derart
ausgebildet, daß jeweils
zwei Einlässe
und Auslässe
für Kühlwasser 66 vorhanden
sind und die Wasserströmung
des Kühlwassers 66 derart erfolgt,
daß eine
partielle Zirkulation innerhalb der Wasserpassagen 65c,
die in einer Gateanschluß-Halteplatte 63c vorgesehen
sind, in der gleichen Richtung zueinander stattfindet.
-
In 5D ist
ein Wärmeabgabemechanismus 62d derart
ausgebildet, daß jeweils
zwei Einlässe
und Auslässe
für Kühlwasser 66 vorhanden
sind und die Wasserströmung
des Kühlwassers 66 derart stattfindet,
daß eine
partielle Zirkulation in Wasserpassagen 65d, die in einer
Gateanschluß-Halteplatte 63d vorgesehen
sind, in zueinander entgegengesetzten Richtungen stattfindet. Die
Wärmeabgabemechanismen
der 5A, 5B, 5C und 5D erzielen
wiederum die gleichen Wirkungen wie bei der zweiten Ausführungsform.
-
INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
-
Wie
vorstehend beschrieben, ist die erfindungsgemäße Druckkontakt-Halbleitervorrichtung für ein rasches
Einschalten/Ausschalten von hohen Strömen der Hauptschaltung durch
die Gatesteuerung geeignet. Zum Beispiel ist sie für einen
Sammelschienenschalter und einen Blindleistungsgenerator in einer
Anwendung hinsichtlich des elektrischen Stroms, zum Ansteuern eines
Inverters mit hoher Kapazität
für ein
Papierherstellungs- oder Stahlherstellungs-Walzwerk in einer Anwendung
für den
industriellen Gebrauch, für
eine Umspannstation am Boden in einer Anwendung bei Eisenbahnen
sowie für Schalter
mit hoher Spannung und hoher Kapazität usw. geeignet.