JPH1041498A - Gate turn-off thyristor stack - Google Patents

Gate turn-off thyristor stack

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JPH1041498A
JPH1041498A JP19307296A JP19307296A JPH1041498A JP H1041498 A JPH1041498 A JP H1041498A JP 19307296 A JP19307296 A JP 19307296A JP 19307296 A JP19307296 A JP 19307296A JP H1041498 A JPH1041498 A JP H1041498A
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JP
Japan
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region
gto
gate turn
thyristor
stack
Prior art date
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Application number
JP19307296A
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Japanese (ja)
Inventor
Yuuji Wakizawa
祐二 脇澤
Nobuyoshi Matsuura
伸悌 松浦
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make the best use of the performance of a GTO thyristor preventing a current from concentrating on its region where more stress is induced when an unbalanced load is applied to the GTO thyristor by a method wherein the first region of a unit device is set smaller in current density than the second region when the unit device is equal in ON-state voltage. SOLUTION: A water-cooled fin 1 is equipped with an electrode lead-out terminal in one piece. The water-cooled fin is inserted between a diode 2 of small electrode diameter and a gate turn-off thyristor (GTO) 3 with electrodes larger in diameter than those of the diode 2. The GTO thyristor 3 is formed of a semiconductor pellet composed of a region A of the same diameter with the diode 2 and an outer region B, wherein the region A is smaller in current density than the region B when the GTO thyristor 3 is uniformly pressurized in an ON-state. The GTO thyristor is so formed as to make the region A shorter in a turn-off time than the region B. By this setup, a GTO thyristor stack can be enhanced in controllable current and lessened in size and cost.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ゲートターンオフ
サイリスタ(以下GTOと略記)とGTOよりも径の小
さな半導体素子を積層して圧接するGTOスタックに関
する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a GTO stack in which a gate turn-off thyristor (hereinafter abbreviated as GTO) and a semiconductor element having a smaller diameter than the GTO are stacked and pressed.

【0002】[0002]

【従来の技術】鉄鋼用インバータ等の大容量の電力変換
装置においては、GTO、これに逆並列に接続される還
流ダイオード(フライホイールダイオード)、およびス
ナバ回路のダイオードのような半導体素子が使用され
る。これらの半導体素子では、半導体ペレットが、平型
パッケージに収納され、圧接によって外部電極と電気的
に接触する。このような平型のGTOおよびダイオード
は、冷却フィンを挟んで積層され一体締め付けされる。
すなわち、GTOとダイオードは、一括して圧接されG
TOスタックを構成する。これによりGTOとダイオー
ドは近接して接続されるので、配線インダクタンスを低
減することができる。
2. Description of the Related Art In a large-capacity power converter such as a steel inverter, semiconductor devices such as a GTO, a freewheel diode (flywheel diode) connected in anti-parallel to the GTO, and a diode of a snubber circuit are used. You. In these semiconductor elements, a semiconductor pellet is housed in a flat package and is brought into electrical contact with an external electrode by pressure welding. Such flat GTOs and diodes are stacked and cooled together with cooling fins therebetween.
That is, the GTO and the diode are pressed together and
Construct a TO stack. As a result, the GTO and the diode are connected close to each other, so that the wiring inductance can be reduced.

【0003】通常、GTOとダイオードは電流容量が異
なり、ダイオードの方が電流容量が小さい。このため、
ダイオードの電極径(パッケージ電極ポストの直径)
は、GTOよりも小さい。従って、上記のようなGTO
スタックにおいては、互いに電極径の異なるGTOとダ
イオードが一体積層されている。
[0003] Normally, the GTO and the diode have different current capacities, and the diode has a smaller current capacity. For this reason,
Diode electrode diameter (diameter of package electrode post)
Is smaller than GTO. Therefore, GTO as described above
In the stack, GTOs and diodes having different electrode diameters are integrally laminated.

【0004】なお、上述した従来技術に関する技術とし
ては、例えば特開平7−273279 号公報に開示されたもの
がある。
[0004] As a technique relating to the above-mentioned conventional technique, for example, there is a technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-273279.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】小容量の単位素子領域
(以下ユニットGTOと記す)が半導体基体内に複数個
並列配置されているGTOと、GTOよりも電極径の小
さいダイオードを同一のスタックにして圧接した場合に
は次の問題が生じる。
A GTO in which a plurality of small-capacity unit element regions (hereinafter referred to as a unit GTO) are arranged in parallel in a semiconductor substrate and a diode having a smaller electrode diameter than the GTO are formed in the same stack. The following problems occur in the case of pressure contact.

【0006】今、電極径の大きなGTOと電極径の小さ
なダイオードが冷却フィンを介して隣接する部分を考え
る。この部分では、GTOスタックの大きな圧接力によ
って冷却フィンが電極径の小さなダイオード側に反り返
ってしまうため、電極径の大きなGTOは周辺部の荷重
が中心部に比べて小さくなる偏荷重を受けることにな
る。この様にGTO面内で偏荷重が起こると、パッケー
ジ内部で高荷重となるダイオードの電極径と同一領域
(以下領域Aと記す)にあるユニットGTOと電極間の
接触抵抗が、低荷重となる領域Aよりも外側の領域(以
下領域Bと記す)にあるユニットGTOに比べ小さくな
る。このため、領域Aは電流が流れやすく、領域Bは電
流が流れにくくなる。
Now, consider a portion where a GTO having a large electrode diameter and a diode having a small electrode diameter are adjacent via a cooling fin. In this part, since the cooling fins warp to the diode side with a small electrode diameter due to the large pressure contact force of the GTO stack, the GTO with a large electrode diameter receives an uneven load in which the load at the periphery is smaller than that at the center. Become. When an unbalanced load occurs in the GTO plane as described above, the contact resistance between the unit GTO and the electrode in the same region (hereinafter, referred to as region A) with the electrode diameter of the diode which becomes heavily loaded inside the package becomes low load. The unit GTO is smaller than the unit GTO in a region outside the region A (hereinafter, referred to as a region B). Therefore, the current easily flows in the region A, and the current hardly flows in the region B.

【0007】ユニットGTOに流れる電流が多くなる
と、当然ターンオフで掃き出すキャリアの量が大きくな
りターンオフに時間がかかる。そして、ターンオフ動作
が遅れたユニットGTOには先にターンオフ動作したユ
ニットGTOから次々と電流が移ってくる。さらにユニ
ットGTO当たりに許されている電流を越えた過大な電
流が流れるとGTOは熱破壊に至る。従って、GTOの
能力を最大限に利用するためには、各ユニットGTO間
での電流バランスを良好とし、ターンオフ動作を均一化
し特定のユニットGTOに電流が集中しないようにしな
ければなれない。しかし、従来通りの一体締め付け方式
のスタックに、電極径の小さな圧接型半導体素子どうし
を収納する場合、GTO内で生じる偏荷重を避けること
ができず荷重の強いユニットGTOに電流が集中するた
め、この部分のユニットGTOの電流を遮断して阻止状
態に移行することができなくなりGTOの電流遮断能力
を低下させる問題があった。
When the current flowing through the unit GTO increases, the amount of carriers to be swept off at the time of turning off increases, and it takes time to turn off. Then, the current is successively transferred to the unit GTO whose turn-off operation is delayed from the unit GTO whose turn-off operation is earlier. Further, when an excessive current exceeding the current allowed per unit GTO flows, the GTO is thermally destroyed. Therefore, in order to maximize the capacity of the GTO, it is necessary to make the current balance between the units GTO good, make the turn-off operation uniform, and prevent the current from concentrating on a specific unit GTO. However, when accommodating press-contact type semiconductor elements having small electrode diameters in a conventional stack of the integral tightening method, an eccentric load generated in the GTO cannot be avoided, and current concentrates on the unit GTO having a strong load. There is a problem in that the current of the unit GTO in this portion cannot be cut off to shift to the blocking state, and the current cutoff capability of the GTO is reduced.

【0008】本発明の目的は、GTOよりも電極径の小
さな半導体素子を同一のスタック内に収納し、偏荷重が
生じても、荷重の強い領域に電流が集中することなくG
TOの能力を最大限利用できるGTOスタックを得るこ
とにある。
An object of the present invention is to store a semiconductor element having a smaller electrode diameter than that of a GTO in the same stack, and to prevent a current from concentrating in a region where the load is strong even if an uneven load is generated.
An object of the present invention is to obtain a GTO stack that can make maximum use of the TO capability.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明のGTOスタック
においては、半導体ペレットが平型パッケージに収納さ
れた平型GTOと、この平型GTOよりも電極面積が小
さな平型半導体素子とが、積層され一体締め付けされる
ことにより一括して圧接される。平型GTOの半導体ペ
レットには、複数の単位素子(ユニットGTO)が形成
されている。
In the GTO stack of the present invention, a flat GTO in which semiconductor pellets are accommodated in a flat package and a flat semiconductor element having a smaller electrode area than the flat GTO are stacked. And are integrally pressed together to be pressed together. A plurality of unit elements (units GTO) are formed in a flat GTO semiconductor pellet.

【0010】GTOの半導体ペレットにおいて、平型半
導体素子の電極を投影した第1の領域つまり平型半導体
素子の電極の直下あるいは直上の領域に位置する単位素
子と、それ以外の領域である第2の領域に位置する単位
素子とでは、次のように電気的特性が異なっている。
In the GTO semiconductor pellet, the unit element located in the first area where the electrode of the flat semiconductor element is projected, that is, the area immediately below or directly above the electrode of the flat semiconductor element, and the second area which is the other area The electrical characteristics of the unit element located in the region are different as follows.

【0011】すなわち本発明においては、単位素子の順
方向電圧降下(オン電圧)が同じ値のときに、第1の領
域に位置する単位素子の電流密度が、第2の領域に位置
する単位素子の電流密度よりも小さい。
That is, in the present invention, when the forward voltage drop (ON voltage) of the unit element is the same value, the current density of the unit element located in the first region is reduced by the unit element located in the second region. Is smaller than the current density.

【0012】本発明によれば、第2の領域よりも高荷重
となる第1の領域の単位素子が、第2の領域の単位素子
よりも電流が流れにくい特性を有しているので、偏荷重
に伴って第1の領域の電流密度が増大することが抑制さ
れる。このため、GTO面内で電流密度が不均一になる
のが防止されるので、ターンオフ時において局所的に過
大な電流集中が起きることがない。従って、GTOスタ
ックの電流遮断耐量が向上する。
According to the present invention, the unit element in the first region, which has a higher load than that in the second region, has a characteristic that current does not easily flow than the unit element in the second region. The current density in the first region is prevented from increasing with the load. Therefore, the current density is prevented from becoming non-uniform in the GTO plane, so that excessive current concentration does not occur locally at the time of turn-off. Therefore, the current interruption capability of the GTO stack is improved.

【0013】なお、具体的には、本発明におけるGTO
の半導体ペレットには、第1の領域の単位素子のおける
導通時のキャリア濃度または導通面積あるいはターンオ
フ時間が、第2の領域の単位素子よりも小さくなるよう
な構成を有している。例えば、第1の領域の単位素子は
第2の領域の単位素子よりも、アノード短絡率が大き
く、またはトランジスタ領域の電流増幅率が小さく、ま
たはライフタイムが短く、あるいはカソード側エミッタ
層の面積が小さい。
Incidentally, specifically, the GTO in the present invention
The semiconductor pellet has a configuration in which the carrier concentration, conduction area, or turn-off time of the unit element in the first region during conduction is smaller than that of the unit element in the second region. For example, the unit element in the first region has a larger anode short-circuit rate, a smaller current amplification factor in the transistor region, a shorter lifetime, or a smaller area of the cathode-side emitter layer than the unit element in the second region. small.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION

(実施例1)以下、本発明を図面を用いて詳細に説明す
る。
(Embodiment 1) Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0015】図1は、本発明を実施したGTOを示す。
図において、1は水冷フィンであり、その内部に水路を
有し、これに水を流すことによって半導体素子を冷却す
る。この水冷フィン1は、電極取り出し用の端子も一体
に備えている。それらは、電極径の小さなダイオード2
と、ダイオードよりも電極径の大きなGTO3の両面に
それぞれ水冷フィン1が挿入され、これらダイオード,
GTO、および水冷フィンが積層される。また、4は絶
縁スペーサである。このように積層配置されたGTOス
タックは規定圧力の10000kgfで加圧され保持され
る。この図1のGTOスタックに用いているGTO3
は、半導体ペレットをダイオード2と同一径の領域Aと
領域Aの外側の領域Bとに分け、GTO単体で均一加圧
した状態におけるGTOオン状態での電流密度が領域A
の方が領域Bよりも小さく、またターンオフ時間が領域
Aの方が領域Bよりも短くなるように構成している。
FIG. 1 shows a GTO embodying the present invention.
In the figure, reference numeral 1 denotes a water-cooled fin, which has a water passage therein, and cools the semiconductor element by flowing water therethrough. This water-cooled fin 1 is also provided integrally with a terminal for taking out an electrode. These are diodes 2 with small electrode diameters.
And water-cooled fins 1 are inserted on both sides of the GTO 3 having a larger electrode diameter than the diode.
GTO and water-cooled fins are stacked. Reference numeral 4 denotes an insulating spacer. The stacked GTO stacks are pressurized and held at a specified pressure of 10,000 kgf. GTO3 used in the GTO stack of FIG.
Means that the semiconductor pellet is divided into a region A having the same diameter as the diode 2 and a region B outside the region A, and the current density in the GTO-on state in a state where the GTO alone is uniformly pressed is a region A.
Is smaller than the region B, and the turn-off time is shorter in the region A than in the region B.

【0016】図2は、図1におけるGTO3の半導体ペ
レットの部分平面図及びGTO3にかかる面圧の分布を
示す。図2のGTOペレット5には、同心リング状に6
リング、放射状に細長いユニットGTOが多数配列さ
れ、カソード電極6とゲート電極7が設けられている。
また、中心にはゲート回路と接続されるゲート電流引き
出し用の共通ゲート電極8が設けられている。GTOの
面圧は、ダイオード加圧部直下の内側4リングすなわち
領域Aにおいてはほぼ一様であるが、外側2リングすな
わち領域Bでは領域Aより低い値となる。このように図
1のGTOスタックにおいては、GTO3に偏荷重が与
えられている。
FIG. 2 shows a partial plan view of the semiconductor pellet of the GTO 3 in FIG. 1 and a distribution of the surface pressure applied to the GTO 3. The GTO pellet 5 shown in FIG.
A large number of rings and radially elongated units GTO are arranged, and a cathode electrode 6 and a gate electrode 7 are provided.
Further, a common gate electrode 8 for extracting a gate current connected to the gate circuit is provided at the center. The surface pressure of the GTO is substantially uniform in the four inner rings, ie, the region A, immediately below the diode pressing portion, but is lower in the outer two rings, ie, the region B, than in the region A. Thus, in the GTO stack of FIG. 1, the eccentric load is applied to the GTO 3.

【0017】図3は、図2のGTOペレット5の領域
A,Bの境界を含むa−a′に沿った断面図を示したも
のである。GTOペレット5は、アノード電極9,カソ
ード電極6,ゲート電極7,nエミッタ層10,pベー
ス層11,nベース層12,pエミッタ層13,n
+ (n型高不純物濃度)でpエミッタとnベースを短絡
したアノード短絡層14を有する。nベース層12の一
方の面にはpベース層11が隣接し、pベース層11の
他方の面の一部には複数のnエミッタ層10が隣接して
いる。nベース層12の他方の面には、交互に配置され
ている各々複数のpエミッタ層13及びアノード短絡層
14が隣接している。
FIG. 3 is a cross-sectional view along the line aa 'including the boundary between the regions A and B of the GTO pellet 5 in FIG. The GTO pellet 5 includes an anode electrode 9, a cathode electrode 6, a gate electrode 7, an n emitter layer 10, a p base layer 11, an n base layer 12, a p emitter layer 13, and n.
An anode short-circuit layer 14 in which the p-emitter and n-base are short-circuited at + (n-type high impurity concentration). One surface of n base layer 12 is adjacent to p base layer 11, and a part of the other surface of p base layer 11 is adjacent to a plurality of n emitter layers 10. On the other surface of the n base layer 12, a plurality of p emitter layers 13 and anode short-circuit layers 14 which are alternately arranged are adjacent to each other.

【0018】n+ アノード短絡層14の厚さは、pエミ
ッタ層13よりも厚くなっていて、アノード短絡層14
の一方の面がnベース層に入り込むように配置してい
る。nエミッタ層10のアノード側への投影部における
アノード短絡層14は短冊状の形状をしている。短冊状
のアノード短絡層の長手方向はnエミッタ層10の長手
方向に沿っている。このアノード短絡層14は、pエミ
ッタ層13からのホール注入を抑えターンオフ時間を短
くする効果がある。
The thickness of the n + anode short-circuit layer 14 is larger than that of the p emitter layer 13,
Are arranged so that one surface of the substrate enters the n base layer. The anode short-circuit layer 14 in the projection of the n-emitter layer 10 on the anode side has a strip shape. The longitudinal direction of the strip-shaped anode short-circuit layer is along the longitudinal direction of the n-emitter layer 10. The anode short-circuit layer 14 has the effect of suppressing injection of holes from the p-emitter layer 13 and shortening the turn-off time.

【0019】nエミッタ層10の他方の面にはカソード
電極6が、pベース層11のnエミッタ層10以外の面
にはゲート電極7が、そして各々複数のpエミッタ層1
3及びn+ アノード短絡層14の他方の面にはアノード
電極9がそれぞれオーミックコンタクトされている。
A cathode electrode 6 is provided on the other surface of the n-emitter layer 10, a gate electrode 7 is provided on a surface of the p-base layer 11 other than the n-emitter layer 10, and a plurality of p-emitter layers 1 are provided.
An anode electrode 9 is in ohmic contact with the other surface of each of the 3 and n + anode short-circuit layers 14.

【0020】上記短冊状のアノード短絡層14の長さを
領域AではXA,領域BではXBとすると、本GTOで
はXAがXBより長くなっている。このため、領域Aの
pエミッタ層からのホールの注入の度合を領域Bよりも
抑えることができる。これにより領域Aが高荷重でも領
域Aの電流密度が領域Bのそれより高くなることが避け
られ、両領域の電流密度が均一化できる。また、ターン
オフ時のnベース層12中の残留キャリアはアノード短
絡層14を通して外部へ排出されるため領域Aの方がタ
ーンオフ時間を短くでき、GTOスタックに組み込んだ
場合はターンオフ時間を同一にそろえられてターンオフ
時の局所的電流集中を防ぎGTO面内において電流の均
一遮断が可能となる。その結果、GTOスタックの可制
御電流が向上する。
Assuming that the length of the strip-shaped anode short-circuit layer 14 is XA in the region A and XB in the region B, XA is longer than XB in the present GTO. For this reason, the degree of hole injection from the p emitter layer in the region A can be suppressed more than in the region B. This prevents the current density in the area A from being higher than that in the area B even when the area A has a high load, and the current density in both areas can be made uniform. In addition, since the residual carriers in the n base layer 12 at the time of turn-off are discharged to the outside through the anode short-circuit layer 14, the turn-off time can be shortened in the region A, and when incorporated in the GTO stack, the turn-off times can be made the same. As a result, local current concentration at the time of turn-off can be prevented, and current can be uniformly interrupted in the GTO plane. As a result, the controllable current of the GTO stack is improved.

【0021】また、本発明を実施したGTOスタックに
より、ダイオードをGTOの電極径と合わせるために必
要以上に電流定格の大きなダイオードを用いたり、ダイ
オードを別スタックに組み込んだりする必要がなくなる
ので、GTOスタックの小型化及び低コストかが可能に
なる。
Further, the GTO stack embodying the present invention eliminates the need to use a diode having a current rating larger than necessary in order to match the diode with the electrode diameter of the GTO, or to incorporate the diode in a separate stack. It is possible to reduce the size and cost of the stack.

【0022】本実施例では、領域A,Bにおいてアノー
ド短絡層の長さを変えたが幅を変えてもよい。また、ア
ノード短絡層を同一形状としpエミッタ層の長さ、また
は幅を変えてもよい。すなわち、pエミッタ層の面積に
対するアノード短絡層の面積の比率すなわち短絡率を、
領域Aの方が領域Bよりも大きくなるようにすればよ
い。また、アノード短絡層の形状は、短冊状に限らず、
ドット状やリング状等の各種形状を用いることができ
る。
In this embodiment, the length of the anode short-circuit layer is changed in the regions A and B, but the width may be changed. Further, the anode short-circuit layer may have the same shape, and the length or width of the p-emitter layer may be changed. That is, the ratio of the area of the anode short-circuit layer to the area of the p-emitter layer, that is, the short-circuit rate,
What is necessary is just to make the area A larger than the area B. In addition, the shape of the anode short-circuit layer is not limited to a strip shape,
Various shapes such as a dot shape and a ring shape can be used.

【0023】(実施例2)前実施例においては領域A,
Bにおいて短絡率を変えたが、pベース層の不純物濃度
を変えても、両領域の電流密度を均一化できる。
(Embodiment 2) In the previous embodiment, the regions A,
Although the short-circuit rate was changed in B, even if the impurity concentration of the p base layer was changed, the current densities in both regions can be made uniform.

【0024】図4は本発明の他の実施例におけるGTO
ペレットの不純物濃度を示す。スタック構成およびGT
Oペレットの領域A,Bは実施例1と同様である。(以
下の各実施例についても同じ)図4では本実施例に関係
するnエミッタ層10,pベース層11,nベース層1
2のみ示し、アノード側pエミッタ層13,n+ アノー
ド短絡層14については省略する。領域Aと領域Bで異
なるところは、図中点線で示したpベース層11の不純
物濃度が領域Bより領域Aの方が高くなっているところ
である。領域Aのように局所的な領域の不純物濃度を高
くする手法としては、ホトレジスト膜または酸化膜をマ
スクとしたイオン打ち込み法がある。
FIG. 4 shows a GTO according to another embodiment of the present invention.
This shows the impurity concentration of the pellet. Stack configuration and GT
The regions A and B of the O pellet are the same as in the first embodiment. FIG. 4 shows an n emitter layer 10, a p base layer 11, and an n base layer 1 related to the present embodiment.
2, only the anode side p emitter layer 13 and the n + anode short circuit layer 14 are omitted. The difference between the region A and the region B is that the impurity concentration of the p base layer 11 indicated by a dotted line in the region is higher in the region A than in the region B. As a technique for increasing the impurity concentration in a local region such as the region A, there is an ion implantation method using a photoresist film or an oxide film as a mask.

【0025】この様に領域Aの不純物濃度を高めると、
領域Aより領域Bの方のnエミッタからの注入効率が高
まりnエミッタ層10,pベース層11,nベース層1
2の3層での電流増幅率が領域Aよりも領域Bの方が高
くなる。こうして領域Bの電流増幅率を高めることによ
り、GTOスタックに組み込んだ場合に偏荷重により領
域Aの電流密度が領域Bより高くなることを避け、両領
域の電流密度を均一化することができる。さらに、領域
Aの方の過剰キャリアを少なくすることでターンオフ時
間が短くでき、GTOスタックに組み込んだ場合にター
ンオフ時間を面内で同一に揃えることができる。これに
よってターンオフ時の局所的電流集中を防ぎ面内電流均
一遮断が可能となる。その結果GTOスタックの可制御
電流が向上する。
As described above, when the impurity concentration of the region A is increased,
The injection efficiency from the n emitter in the region B is higher than that in the region A, and the n emitter layer 10, the p base layer 11, and the n base layer 1
The current amplification factor in the three layers 2 is higher in the region B than in the region A. By increasing the current amplification factor in the region B in this manner, it is possible to prevent the current density in the region A from becoming higher than that in the region B due to an unbalanced load when incorporated in the GTO stack, and to make the current densities in both regions uniform. Furthermore, the turn-off time can be shortened by reducing the excess carriers in the region A, and the turn-off time can be made uniform within the plane when incorporated in a GTO stack. As a result, local current concentration at the time of turn-off can be prevented, and in-plane current can be uniformly cut off. As a result, the controllable current of the GTO stack is improved.

【0026】(実施例3)図5は別の実施例におけるG
TOペレットの断面を示す。本断面は図2a−a′断面
に相当する。実施例2とは、アノード短絡構造が全面均
一な構造であること、pベース層11の不純物濃度が全
面均一であること、及び領域Aのnベース層12内に局
所的な結晶欠陥層15を形成していることが相違してい
る。結晶欠陥層15は、加速された水素やヘリウム等の
イオンを領域Aのnベース層12内に選択的に照射する
ことにより形成することができる。
(Embodiment 3) FIG. 5 shows G in another embodiment.
2 shows a cross section of a TO pellet. This cross section corresponds to the cross section in FIG. The second embodiment is different from the second embodiment in that the anode short-circuit structure is a uniform structure over the entire surface, the impurity concentration of the p base layer 11 is uniform over the entire surface, and a local crystal defect layer 15 is formed in the n base layer 12 in the region A. It is different in forming. The crystal defect layer 15 can be formed by selectively irradiating the n base layer 12 in the region A with accelerated ions such as hydrogen and helium.

【0027】この様に領域Aに結晶欠陥層を形成するこ
とによって、領域Aのnベース層12の抵抗が大きくな
るので、領域Aが高荷重でも領域Aの電流密度が領域B
のそれより高くなることが避けられ両領域の電流密度が
均一化できる。また、領域Aにライフタイムが短い結晶
欠陥層を形成することによって領域Aの過剰キャリアを
領域Bよりも速く減少させることができる。その結果G
TOスタックに組み込んだ場合はターンオフ時間を同一
にそろえられて、ターンオフ時の局所的電流集中を防ぎ
GTO面内における電流均一遮断が可能となる。なお、
照射エネルギーや照射量を領域Aと領域Bで違えて、領
域Aに領域Bよりも多くの結晶欠陥を形成する方法で
も、同様の効果が得られる。
Since the resistance of the n base layer 12 in the region A is increased by forming the crystal defect layer in the region A in this manner, the current density in the region A is reduced even when the region A is under a high load.
And the current density in both regions can be made uniform. Further, by forming a crystal defect layer having a short lifetime in the region A, excess carriers in the region A can be reduced faster than in the region B. As a result G
When incorporated in a TO stack, the turn-off times are the same, preventing local current concentration at the time of turn-off and enabling uniform current interruption in the GTO plane. In addition,
The same effect can be obtained by a method in which the irradiation energy and the irradiation amount are different between the region A and the region B and more crystal defects are formed in the region A than in the region B.

【0028】また領域A,領域Bでnベース層12の縦
方向断面のライフタイムを変える方法として、電子線や
ガンマ線のような透過性の強い放射線を照射する方法で
も、領域毎に放射線の線量やエネルギーを変えて照射す
れば、同様の効果を得ることができる。
As a method of changing the lifetime of the vertical cross section of the n-base layer 12 in the regions A and B, a method of irradiating a highly transmissive radiation such as an electron beam or a gamma ray may be employed. The same effect can be obtained by changing the irradiation energy.

【0029】(実施例4)図6は、さらに別の実施例に
おけるGTOペレットのユニットGTOの断面を示す。
本断面は、図2におけるb−b′断面およびc−c′断
面に相当する。カソード側のnエミッタ層10の幅を領
域AではWA、領域BではWBとし、WAがWBより狭
くなるように構成されている。図示のように領域Aのn
エミッタ幅を狭めるとGTOのターンオフ時のゲート引
き抜き抵抗が小さくなり、キャリアを早くゲートに引き
抜くことができ、ターンオフ時間を短くできる。またオ
ン状態での通電幅が狭くなりゲートに引き抜くキャリア
の絶対値も小さくなるのでターンオフ時間が短くなる。
以上の効果からターンオフ動作を面内で均一に揃えら
れ、ターンオフ時の局所的な電流集中を防ぎ面内電流均
一遮断が可能となる。
Embodiment 4 FIG. 6 shows a cross section of a GTO pellet unit GTO in still another embodiment.
This cross section corresponds to the bb 'cross section and the cc' cross section in FIG. The width of the n-emitter layer 10 on the cathode side is set to WA in the region A and WB in the region B, so that WA is narrower than WB. As shown in FIG.
When the emitter width is reduced, the gate pull-out resistance at the time of turning off the GTO is reduced, so that carriers can be rapidly drawn to the gate and the turn-off time can be shortened. In addition, since the width of current supply in the ON state becomes narrower and the absolute value of carriers extracted to the gate becomes smaller, the turn-off time becomes shorter.
From the above effects, the turn-off operation can be made uniform in the plane, local current concentration at the time of turn-off can be prevented, and the in-plane current can be cut off uniformly.

【0030】ところで、以上の実施例の構成は、いずれ
も併用が可能である。
Incidentally, any of the configurations of the above embodiments can be used together.

【0031】なお、以上の各実施例では、多数のユニッ
トGTOを円形の半導体基板上に6個の同心リング状に
配列し共通ゲート電極を円形半導体基板の中心から取り
出したが、そのリング数を変えてもよいし、共通ゲート
電極の位置をGTOペレットの最外周などにあってもよ
い。また、以上の実施例は、電極取り出し用端子を一体
にした冷却フィンを有しているが、これらはそれぞれ単
独でもよく、さらにスタックに組み込む部品の積層数や
積層配置を電気回路に合わせて変えてもよい。 (実施例5)図7は、本発明によるGTOスタックを使
用した電力変換装置の一例で、インバータ装置の主回路
を示す。図1のGTOスタックを回路中で示すと、GT
OとそのGTOに並列接続されるスナバダイオードとフ
ライホイールダイオードを一体締め付けしたものであ
る。従来のGTOスタックと比較すると、本発明による
GTOスタックの方が可制御電流が大きいものが得られ
るので、所望のインバータの電力容量に対して必要なG
TOの個数を低減することができる。従って、インバー
タ装置の小型化や信頼性の向上に効果がある。
In each of the above embodiments, a large number of units GTO are arranged on a circular semiconductor substrate in the form of six concentric rings and the common gate electrode is taken out from the center of the circular semiconductor substrate. The position may be changed, or the position of the common gate electrode may be located at the outermost periphery of the GTO pellet. In the above embodiments, the cooling fins integrated with the electrode extraction terminals are provided. However, these may be used alone, and the number and arrangement of the components to be incorporated in the stack may be changed according to the electric circuit. You may. Embodiment 5 FIG. 7 shows an example of a power converter using a GTO stack according to the present invention, showing a main circuit of an inverter device. When the GTO stack of FIG. 1 is shown in the circuit, GT
O and a snubber diode and a flywheel diode connected in parallel to the GTO are integrally tightened. Compared with the conventional GTO stack, the GTO stack according to the present invention has a larger controllable current, so that the GTO stack required for the desired inverter power capacity is obtained.
The number of TOs can be reduced. Therefore, it is effective in miniaturizing the inverter device and improving the reliability.

【0032】[0032]

【発明の効果】本発明によれば、電極径の異なる半導体
素子を同一のスタック内に収納しGTO面内に偏荷重が生
じても、GTOスタックの遮断能力を従来より向上する
ことができる。
According to the present invention, even if semiconductor elements having different electrode diameters are housed in the same stack and an eccentric load is generated in the GTO plane, the GTO stack can be more interrupted than before.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明を実施したGTOスタックを示す。FIG. 1 shows a GTO stack embodying the present invention.

【図2】図1におけるGTO3の半導体ペレットの部分
平面図である。
FIG. 2 is a partial plan view of a semiconductor pellet of GTO3 in FIG. 1;

【図3】図2のGTOペレット5の領域A,Bを含むa
−a′に沿った断面図である。
FIG. 3 is a view showing a region A and a region B of the GTO pellet 5 shown in FIG. 2;
It is sectional drawing which followed -a '.

【図4】本発明の他の実施例におけるGTOペレットの
不純物濃度を示す。
FIG. 4 shows an impurity concentration of a GTO pellet according to another embodiment of the present invention.

【図5】本発明の別の実施例におけるGTOペレットの
断面を示す。
FIG. 5 shows a cross section of a GTO pellet according to another embodiment of the present invention.

【図6】本発明のさらに別の実施例におけるGTOペレ
ットのユニットGTOの断面を示す。
FIG. 6 shows a cross section of a GTO pellet unit GTO according to still another embodiment of the present invention.

【図7】本発明によるGTOスタックを使用したインバ
ータ装置の主回路を示す。
FIG. 7 shows a main circuit of an inverter device using a GTO stack according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…水冷フィン、2…ダイオード、3…GTO、4…絶
縁スペーサ、5…GTOペレット、6…カソード電極、7
…ゲート電極、8…共通ゲート電極、9…アノード電
極、10…nエミッタ層、11…pベース層、12…n
ベース層、13…pエミッタ層、14…アノード短絡
層、15…結晶欠陥領域。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Water-cooled fin, 2 ... Diode, 3 ... GTO, 4 ... Insulating spacer, 5 ... GTO pellet, 6 ... Cathode electrode, 7
... gate electrode, 8 ... common gate electrode, 9 ... anode electrode, 10 ... n emitter layer, 11 ... p base layer, 12 ... n
Base layer, 13: p emitter layer, 14: anode short-circuit layer, 15: crystal defect region.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】平型ゲートターンオフサイリスタと、該平
型ゲートターンオフサイリスタよりも電極面積が小さな
平型半導体素子とを、積層して一体締め付けしたゲート
ターンオフサイリスタスタックにおいて、前記平型ゲー
トターンオフサイリスタの半導体ペレットには、複数の
単位素子が形成され、単位素子のオン電圧が同じとき
に、前記半導体ペレットにおける前記平型半導体素子の
電極を投影した第1の領域に位置する単位素子の電流密
度が、該第1の領域外である第2の領域に位置する単位
素子の電流密度よりも小さいことを特徴とするゲートタ
ーンオフサイリスタスタック。
1. A gate turn-off thyristor stack in which a flat gate turn-off thyristor and a flat semiconductor element having an electrode area smaller than that of the flat gate turn-off thyristor are stacked and integrally fastened. In the semiconductor pellet, a plurality of unit elements are formed, and when the ON voltage of the unit element is the same, the current density of the unit element located in the first region of the semiconductor pellet where the electrode of the flat semiconductor element is projected is reduced. A gate turn-off thyristor stack having a lower current density than a unit element located in a second region outside the first region.
【請求項2】請求項1のゲートターンオフサイリスタス
タックにおいて、前記平型ゲートターンオフサイリスタ
がアノードエミッタ短絡型ゲートターンオフサイリスタ
であり、前記第1の領域に位置する単位素子のアノード
短絡率が、前記第2の領域に位置する単位素子のアノー
ド短絡率よりも大きいことを特徴とするゲートターンオ
フサイリスタスタック。
2. The gate turn-off thyristor stack according to claim 1, wherein said flat gate turn-off thyristor is an anode-emitter short-circuit type gate turn-off thyristor, and said unit element located in said first region has an anode short-circuit rate of said second region. 2. A gate turn-off thyristor stack, wherein the gate turn-off thyristor stack is larger than the anode short-circuit rate of the unit element located in the area No. 2.
【請求項3】請求項1のゲートターンオフサイリスタス
タックにおいて、前記第1の領域に位置する単位素子の
カソード側トランジスタ領域の電流増幅率が、前記第2
の領域に位置する単位素子の該電流増幅率よりも小さい
ことを特徴とするゲートターンオフサイリスタスタッ
ク。
3. The gate turn-off thyristor stack according to claim 1, wherein a current amplification factor of a cathode-side transistor region of a unit element located in said first region is equal to said second-side transistor region.
A gate turn-off thyristor stack characterized by being smaller than the current amplification factor of the unit element located in the region of (1).
【請求項4】請求項1のゲートターンオフサイリスタス
タックにおいて、前記第1の領域に位置する単位素子の
内部に局所的な低ライフタイム領域が形成されているこ
とを特徴とするゲートターンオフサイリスタスタック。
4. The gate turn-off thyristor stack according to claim 1, wherein a local low lifetime region is formed inside the unit element located in said first region.
【請求項5】請求項1のゲートターンオフサイリスタス
タックにおいて、前記第1の領域に位置する単位素子の
カソード側エミッタ層の幅が、前記第2の領域に位置す
る単位素子のカソード側エミッタ層の幅よりも狭いこと
を特徴とするゲートターンオフサイリスタスタック。
5. The gate turn-off thyristor stack according to claim 1, wherein the width of the cathode-side emitter layer of the unit element located in the first region is equal to the width of the cathode-side emitter layer of the unit element located in the second region. Gate turn-off thyristor stack characterized by being narrower than width.
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