JP2005268465A - 接合ゲート型静電誘導型サイリスタおよび当該接合ゲート型静電誘導型サイリスタを用いた高圧パルス発生装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】SIThy14は、パンチスルー状態となるピーク電流Ipによって実現されるピーク電圧VDがSIThy14の耐電圧を超えないようにベース領域とバッファ層領域の不純物濃度や厚みが決定される。このような構成により、ピーク電流Ipを増加させてもピーク電圧VDがSIThy14の耐電圧を大幅に超えることがない、破壊を自律的に防止する自己保護作用を有し、またオン性能を損なわないSIサイリスタを実現することができる。またゲートチャンネル通電面積を最低限必要な面積とすることで、小型で短パルスを発生出来るSIThyを実現することができる。
【選択図】図1
Description
実施形態に係る高圧パルス発生装置1は、SIThyのクロージングスイッチ機能の他、オープニングスイッチング機能を用いてターンオフを行い、当該ターンオフによりSIThyのゲート・アノード間に高圧を発生させるIES(Inductive Energy Storage)回路である。図1は、高圧パルス発生装置1のIES回路2を例示する回路図である。
SIThy14は、正のゲート電圧をゲートGに印加することによりターンオンが可能であるとともに、負のゲート電流をゲートGに流すことによりターンオフが可能である。以下では、このようなSIThy14の概略構成を説明する。
図5は、昇圧トランス13の1次側T1の1次側電流I1および1次側電圧V1の、1回の高圧パルス発生における時間変化を示す図である。以下では、図5を参照しながら、1回の高圧パルス発生におけるIES回路2およびSIThy14の動作を動作過程(A)〜(C)の順に説明する。
図5の時間範囲(A)に係る動作過程(A)は、高圧パルスのエネルギー源を磁界エネルギーとして誘導性素子である昇圧トランス13の1次側T1(以下では単に「誘導性素子」とも称する)に蓄積する動作過程である。
図5の時間範囲(B)に係る動作過程(B)は、空乏層DLによって容量性素子として機能するようになったSIThy14に電荷を蓄積して高圧を発生させる動作過程である。すなわち、誘導性素子に蓄積された磁界エネルギーを容量性素子に蓄積される電界エネルギーに移行して高圧を発生させる動作過程である。なお、電界エネルギーが蓄積される容量性素子を形成する空乏層DLは、SIThy14のnベース領域143近傍からゲート電極148を介してキャリアであるホールを引き抜くことによって生成される。
図5の時間範囲(C)に係る動作過程(C)は、容量性素子に蓄積された電荷を放電する動作過程である。
図6は、目標ピーク電圧1000V〜5000Vを得るためにピーク電流Ipを50A〜350Aの間で5通りに変化させた場合の、nベース領域143における空乏層DLの状態、オン電圧VON、ピーク電圧VDおよびパルス幅tWを示す図である。
図7は、SIThy14の有効チャネル面積SをSa〜6Saの間で6通りに変化させた場合の、ピーク電流Ipと、高圧パルスPLの立ち上がり時における1次側電圧V1の時間変化率(以下で「パルス立ち上がり」とも称する)G=dV1/dtとの関係を示す図である。図7では、電圧V0は150Vであり、SIThy14の有効チャネル面積S以外の基板厚・各領域の不純物濃度等は同等となっている。SIThy14の電流容量は有効チャネル面積Sに依存しているので、図7は、SIThy14の電流容量を50A〜300Aの間で6通りに変化させた場合の、電流Ipとパルス立ち上がりGとの関係を示す図であるともいえる。あるいは、SIThy14のサイズ(SIThy14を構成する半導体積層構造の主面の面積)と有効チャネル面積Sa(主面に平行な面方向での断面積)とは正の相関を有するので、図7は、SIThy14のサイズをsa〜6saの間で6通りに変化させた場合の、電流Ipとパルス立ち上がりGとの関係を示す図であるともいえる。
図8は、SIThy14のチャネル146の形成方法を示す工程フロー図(断面模式図)である。図8では、チャネル146の付近の拡大図が示されている。以下では、図8を参照しながら、SIThy14のチャネル146の詳細について説明する。
2 IES回路
14 SIThy
141 pエミッタ領域
142 nバッファ領域
143 nベース領域
144 pベース領域
145 nエミッタ領域
146 チャネル
147 アノード電極
148 ゲート電極
149 カソード電極
201 SiO2膜
202 n型の半導体基板
203 非マスク部分
204 nベース領域
205 pベース領域
206 nベース領域
207 nエミッタ領域
DL 空乏層
Claims (8)
- 誘導性素子を用いた高圧パルス発生装置において用いられ、アノード・カソード間が前記誘導性素子と直列に接続される接合ゲート型静電誘導型サイリスタであって、
発生する高圧パルスのエネルギーに対応して電源から供給される電気エネルギーを増加させたときに前記高圧パルスの電圧が、前記静電誘導型サイリスタのゲート・カソード間短絡時のアノード・カソード間順方向耐圧以下の飽和電圧で飽和する特性を有することを特徴とする接合ゲート型静電誘導型サイリスタ。 - 請求項1に記載の接合ゲート型静電誘導型サイリスタにおいて、
(a)前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタのオン状態において主電流が流れる半導体基板内のベース層の厚みと、前記高圧パルス発生装置の高圧パルス発生動作においてアノード・カソード間への電流の供給を停止した時に前記ベース層に生じる空乏層の厚み幅とが、前記飽和電圧において一致するように、前記ベース層の厚みおよび不純物濃度が決定されていることと、
(b)アノードエミッタ層と前記ベース層との間にバッファ層を備え、静特性としてのアノード・カソード間順方向耐圧に相当する電圧が前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタのアノード・カソード間の順方向に印可された場合に、前記半導体基板内に生じる空乏層が前記バッファ層と前記アノードエミッタ層との界面に達するように、前記バッファ層の厚みおよび不純物濃度が決定されていることと、
を特徴とする接合ゲート型静電誘導型サイリスタ。 - 誘導性素子を用いた高圧パルス発生装置において用いられ、アノード・カソード間が前記誘導性素子と直列に接続される接合ゲート型静電誘導型サイリスタであって、
有効チャネル面積が、
前記高圧パルスを発生させるために前記電源から供給される電気エネルギーと、
立ち上がり時における高圧パルスの電圧の時間変化率と、
から特定される最大チャネル面積以下であることを特徴とする接合ゲート型静電誘導型サイリスタ。 - 誘導性素子を用いた高圧パルス発生装置において用いられ、アノード・カソード間が前記誘導性素子と直列に接続される接合ゲート型静電誘導型サイリスタであって、
前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタは、nベース領域の中に複数のpベース領域が埋め込まれたチャネル構造を備え、
(a)前記チャネル構造が前記pベース領域のみからなる場合におけるアノード・ゲート間耐圧を維持可能となるように前記チャネル構造におけるチャネルの幅および不純物濃度が決定されていることと、
(b)前記ゲート・カソード間短絡時のアノード・カソード間順方向耐圧と前記アノード・ゲート間耐圧とが等しいことと、
を特徴とする接合ゲート型静電誘導型サイリスタ。 - 誘導性素子を用いた高圧パルス発生装置において用いられ、アノード・カソード間が前記誘導性素子と直列に接続される接合ゲート型静電誘導型サイリスタであって、
前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタは、nベース領域の中に複数のpベース領域が埋め込まれたチャネル構造を備え、
前記高圧パルス発生装置の高圧パルス発生動作においてアノード・カソード間への電流の供給を停止した時に、前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタのゲートポテンシャルの上昇により前記チャネルが非導通状態となるように、前記チャネル構造におけるチャネルの幅および不純物濃度が決定されていることを特徴とする接合ゲート型静電誘導型サイリスタ。 - 請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の接合ゲート型静電誘導型サイリスタであって、
アノード電極に接続されたpエミッタ領域と、
前記pエミッタ領域上に設けられたnバッファ領域と、
前記nバッファ領域上に設けられたnベース領域と、
前記nベース領域に埋め込まれたpベース領域と、
前記nベース領域上に設けられ、カソード電極に接続されたnエミッタ領域と、
を備え、
ゲート電極を介した電流導通が可能なゲート電極と前記pベース領域とがオーミック接触されていることを特徴とする接合ゲート型静電誘導型サイリスタ。 - 請求項6に記載の接合ゲート型静電誘導型サイリスタにおいて、
前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタが形成されている半導体基板の材質がSi,SiCおよびGaNからなる群より選択される1つ以上からなることを特徴とする接合ゲート型静電誘導型サイリスタ。 - 誘導性素子と、
アノード・カソード間が前記誘導性素子と直列に接続された接合ゲート型静電誘導型サイリスタと、
直列接続された前記誘導性素子と前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタのアノード・カソード間とに電流を供給する電源と、
を備え、
前記電源からの電流の供給停止時に前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタのゲートを介して前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタ内のベース領域からキャリアを引き抜くことによって前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタに空乏層を生成させるとともに、
前記空乏層によって容量性素子として機能するようになった前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタに電流を転流することによって前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタに電荷を蓄積し、しかる後に当該電荷を放電させることによって高圧パルスを発生する高圧パルス発生装置であって、
前記接合ゲート型静電誘導型サイリスタとして、請求項1ないし請求項7のいずれかの接合ゲート型静電誘導型サイリスタが使用されていることを特徴とする高圧パルス発生装置。
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