JPH104188A

JPH104188A - ゲートターンオフサイリスタ

Info

Publication number: JPH104188A
Application number: JP15664396A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Yamaguchi; 義弘山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 1998-01-06
Anticipated expiration: 2016-06-18
Also published as: JP3318202B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ターンオフ特性を改善するとともに、カソー
ドセグメント当たりの電流密度の増加を抑制して、両者
のトレードオフ関係を改善したゲートターンオフサイリ
スタを提供する。【解決手段】ゲート引き出し部１を中心として、同心
円状に平面視形状が長円形の複数のカソードセグメント
２が配列され、最外周にはカソードセグメント２０が配
列されている。そして、カソードセグメント２０の幅を
ｄnとすると、幅ｄ1、ｄ2・・ｄn-1は全て同じ長さであ
り、幅ｄnだけが他よりも狭くなっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はゲートターンオフサ
イリスタに関し、特にターンオフ特性を改良したゲート
ターンオフサイリスタに関する。

【０００２】

【従来の技術】大容量のゲートターンオフサイリスタ
（以下、ＧＴＯと略記）は、一般的に微小容量の単位Ｇ
ＴＯを同心円状に配列した並列接続構造を採っている。
そして、これらの単位ＧＴＯに対して共通のゲート引き
出し部から制御電流（ゲート電流）を供給することによ
り並列に動作させて、主電流のオン、オフ制御を行う。

【０００３】図６に一般的なＧＴＯ８０の上面（カソー
ド電極側）の構造を部分平面図として示す。図６には、
略円盤状のＧＴＯ８０の上面全体を代表して、４分の１
に相当する部分が描かれている。

【０００４】図６において、ゲート引き出し部１を中心
として、同心円状に平面視形状が長円形の複数のカソー
ドセグメント２が配列されている。なお、カソードセグ
メントとはカソード電極が形成されるｎエミッタ層の領
域を指す。

【０００５】カソードセグメント２の周囲はｐベース層
１４であり、ｐベース層１４の上部にはゲート電極（図
示せず）が設けられている。ここで、カソードセグメン
ト２の配列をゲート引き出し部１に近い順にＬ1、Ｌ2と
呼称し、最外周の配列をＬnと呼称する。そして、配列
Ｌ1、Ｌ2・・Ｌnにおける各カソードセグメント２の幅
をそれぞれｄ1、ｄ2・・ｄnとすると、幅ｄ1、ｄ2・・
ｄnは全て同じ長さとなっている。

【０００６】なお、各カソードセグメント２はゲート引
き出し部１を中心とし等角度で配設されているので、各
配列おけるカソードセグメント２間の間隔は、ゲート引
き出し部１から遠ざかるにつれて広くなっている。

【０００７】このような構成を有するＧＴＯ８０におい
ては、ゲート引き出し部１から最も距離の離れた配列Ｌ
nのカソードセグメント２（図中ｎで示す）において、
ターンオフ時にそのゲート・カソード間にかかる逆電圧
が抵抗成分により減少してターンオフ時間が長くなり、
電流の集中により破壊するといった問題があった。

【０００８】このような問題を解決するために特開昭６
２−１４７７７０号公報に記載のように、ゲート引き出
し部１からの距離に従って単位ＧＴＯのターンオフ時間
を調整する方法が知られている。

【０００９】図７に、特開昭６２−１４７７７０号公報
に記載のＧＴＯ９０の、上面の構造を部分平面図として
示す。図７には、略円盤状のＧＴＯ９０の上面全体を代
表して、４分の１に相当する部分が描かれている。

【００１０】図７において、ゲート引き出し部１を中心
として、それぞれ幅が異なる平面視形状が長円形の複数
のカソードセグメント２１、２２、・・２ｎが同心円状
に配列されている。なお、カソードセグメント２１、２
２、・・２ｎの周囲はｐベース層１４であり、ｐベース
層１４の上部にはゲート電極（図示せず）が設けられて
いる。

【００１１】ここで、カソードセグメント２１、２２、
・・２ｎの配列をゲート引き出し部１に近い順にＬ1、
Ｌ2と呼称し、最外周の配列をＬnと呼称する。そして、
配列Ｌ1、Ｌ2・・Ｌnにおける各カソードセグメントの
幅をそれぞれｄ1、ｄ2・・ｄnとすると、幅ｄ1、ｄ2・
・ｄnはゲート引き出し部１から遠ざかるにつれて狭く
なっている。

【００１２】ＧＴＯのターンオフの機構としては、サイ
リスタの導電状態においてゲート・カソード間に逆バイ
アス電圧をかけることによりｐベース領域中の過剰正孔
を引き抜き、その結果カソードからｐベース領域への電
子の注入がなくなりｐベース領域及びｎベース領域中の
過剰キャリアが再結合により消滅するまでゲート・カソ
ード間の逆バイアス状態が維持されれば、ターンオフは
完了する。この時、ゲート・カソード間にかける逆バイ
アス電圧が大きければターンオフ時間は短くなり、逆に
バイアスが小さければターンオフオフ時間が長くなる。

【００１３】以上のことから、複数設けられたカソード
セグメントがすべて同時にターンオフするためには、す
べてのカソードセグメントとゲートとの間に等しい逆バ
イアスを印加することが必要である。

【００１４】図７に示すＧＴＯ９０は、ゲート引き出し
部１からの距離の違いに起因する逆バイアスの違いによ
るターンオフ時間のバラツキを解消するために、カソー
ドセグメントの幅が狭いとターンオフ時は短く、広いと
ターンオフ時間が長くなることに着目し、ゲート引き出
し部１からの距離に対してカソードセグメント幅を順次
狭くすることで、ターンオフ時間を同じにするものであ
る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】従来のＧＴＯは以上の
ように構成されているので、ターンオフ時間のバラツキ
を解消できるとしても、ゲート引き出し部１（図７）か
ら遠ざかるにつれてカソードセグメント幅を順次狭くす
る必要があり、カソードセグメントの総面積が減少し
て、カソードセグメント当たりの電流密度が高くなり、
発熱によりサイリスタ特性が低下するという問題点があ
った。これは、大容量化に伴い装置がより大口径となっ
た場合でも、カソードセグメントの総面積が、口径に比
例して増加せず、大口径化による電流密度の緩和の効果
が低減することにもつながる。

【００１６】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたものであり、ターンオフ特性を改善する
とともに、カソードセグメント当たりの電流密度の増加
を抑制して、両者のトレードオフ関係を改善したＧＴＯ
を提供する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る請求項１記
載のゲートターンオフサイリスタは、順に積層されたｐ
エミッタ層、ｎベース層、ｐベース層、ｎエミッタ層を
有し、前記ｎエミッタ層が所定の幅で選択的に形成され
た単位ＧＴＯを複数備え、該単位ＧＴＯを共通のゲート
引き出し部を中心として同心円状に複数列となるように
配置して並列接続し、前記単位ＧＴＯに対して前記ゲー
ト引き出し部からゲート電流を並列に供給することによ
り並列に動作させて主電流のオン、オフ制御を行うゲー
トターンオフサイリスタにおいて、前記単位ＧＴＯの複
数の配列のうち、前記ゲート引き出し部から最遠に位置
する最外周列の前記単位ＧＴＯの前記ｎエミッタ層の所
定の幅のみを、他の前記単位ＧＴＯのそれよりも狭くし
た。

【００１８】本発明に係る請求項２記載のゲートターン
オフサイリスタは、前記最外周列の前記単位ＧＴＯの前
記ｎエミッタ層の所定の幅が、他の前記単位ＧＴＯの前
記ｎエミッタ層の所定の幅の３分の２以下である。

【００１９】本発明に係る請求項３記載のゲートターン
オフサイリスタは、前記最外周列の前記単位ＧＴＯが、
他の前記単位ＧＴＯよりも密に配置されている。

【００２０】

【発明の実施の形態】

＜実施の形態１＞図１に本発明に係るゲートターンオフ
サイリスタの実施の形態１として、ＧＴＯ１００の上面
（カソード電極側）の構造を部分平面図として示す。図
１には、略円盤状のＧＴＯ１００の上面全体を代表し
て、４分の１に相当する部分が描かれている。

【００２１】図１において、ゲート引き出し部１を中心
として、同心円状に平面視形状が長円形の複数のカソー
ドセグメント２が配列され、最外周にはカソードセグメ
ント２０が配列されている。なお、カソードセグメント
２および２０の周囲はｐベース層１４であり、ｐベース
層１４の上部にはゲート電極（図示せず）が設けられて
いる。

【００２２】なお、カソードセグメントとはカソード電
極が形成されるｎエミッタ層の領域を指し、その構成に
ついては後述する。

【００２３】ここで、カソードセグメント２の配列をゲ
ート引き出し部１に近い順にＬ1、Ｌ2と呼称し、最外周
のカソードセグメント２０の配列をＬn、その１つ前を
Ｌn-1と呼称する。なお、配列Ｌ1、Ｌ2、・・Ｌn-1（図
示せず）におけるカソードセグメント２の幅をそれぞれ
ｄ1、ｄ2、・・ｄn-1（図示せず）とし、カソードセグ
メント２０の幅をｄnとすると、幅ｄ1、ｄ2・・ｄn-1は
全て同じ長さであり、幅ｄnだけが他よりも狭くなって
いる。なお、カソードセグメント２および２０はゲート
引き出し部１を中心とし等角度で配設されているので、
各配列おけるカソードセグメント２および２０間の間隔
は、ゲート引き出し部１から遠ざかるにつれて広くなっ
ている。

【００２４】次に、図１におけるＸ−Ｘ切断線による単
位ＧＴＯの断面構造を図２に示す。図２に示すように単
位ＧＴＯは、母材となるシリコン半導体基板１０の中
に、５つの半導体層を形成した構成となっている。すな
わち、ｐ型不純物を含む選択的に形成されたｐエミッタ
層１１、該ｐエミッタ層１１間に形成されｎ型不純物を
高濃度に含むｎ⁺層１２、ｎ型不純物を含むｎベース層
１３、ｐ型不純物を含むｐベース層１４、およびｎ型不
純物を含む選択的に形成されたｎエミッタ層１５が、半
導体基板１０の下主面から上主面へと順次積層され、い
わゆるｐｎｐｎ構造が形成されている。このような構成
を有する単位ＧＴＯは、等価的にはｐｎｐトランジスタ
とｎｐｎトランジスタの２つのトランジスタが互いに結
合した構造となっている。

【００２５】半導体基板１０の下主面にはｐエミッタ層
１１およびｎ⁺層１２が露出し、当該両層の露出面を覆
うように、主電極の一つであるアノード電極４が形成さ
れる。

【００２６】一方、半導体基板１の上主面にはｐベース
層１４および突出したｎエミッタ層１５が露出してお
り、ｎエミッタ層１５の上面には図１においては図示し
ていないカソード電極５が形成される。また、ｐベース
層１４の露出面には、図１においては図示していないゲ
ート電極３が形成される。

【００２７】なお、１つの単位ＧＴＯに対応して１つの
カソードセグメントが構成されていることになる。

【００２８】ＧＴＯ１００は、このような単位ＧＴＯを
同心円状に配列して並列接続し、ゲート引き出し１から
制御電流（ゲート電流）を供給することにより並列に動
作させて、主電流のオン、オフ制御を行っている。

【００２９】一般にＧＴＯのターンオフ能力は可制御オ
フ電流ＩTGQによって決まる。そして、可制御オフ電流
ＩTGQは、以下に示す数式（１）によって表される。

【００３０】

【数１】

【００３１】ここで、図２を用いて、各変数を説明する
と、ｋはＧＴＯを構成するｎｐｎトランジスタおよびｐ
ｎｐトランジスタの増倍率から得られる係数、ＶGRはゲ
ート・カソード間の逆バイアス電圧、ρPBはｐベース層
１４の平均抵抗率、ＷnEはｎエミッタ層１５の幅、ＳnE
はｎエミッタ層１５の長さ（長手方向寸法）である。な
お、ρPBとＷnEの積は、ｎエミッタ層１５直下のｐベー
ス層１４における、ゲート電極３間の抵抗値ＲPBとな
る。

【００３２】従って、ｎエミッタ層１５の長さＳnEが一
定であるならば、ｎエミッタ層１５の幅ＷnEを短くすれ
ばするほど（すなわち、抵抗値ＲPBを小さくすればする
ほど）可制御オフ電流ＩTGQを大きくすることができ
る。可制御オフ電流ＩTGQが大きくなるということは、
ｎエミッタ層１５直下のｐベース層１４内のキャリアの
排出が容易にできることを意味しており、ＧＴＯのター
ンオフ速度およびターンオフ能力が向上することを意味
している。

【００３３】その点では、ＧＴＯの全てのカソードセグ
メントの幅を一律に狭くしたり、図７を用いて説明した
ＧＴＯ９０のように、ゲート引き出し部１からの距離に
対してカソードセグメントの幅を順次狭くすることは有
効であるが、カソードセグメントの幅が狭くなると、セ
グメント当たりの電流密度が高くなる。電流密度が高く
なると、カソードセグメントにおいて熱が発生し、サイ
リスタ動作が低下する原因となる。

【００３４】このように、可制御オフ電流ＩTGQとセグ
メント当たりの電流密度とはトレードオフの関係にあ
り、図７を用いて説明したＧＴＯ９０ではこの関係を十
分に改善できていなかった。

【００３５】発明者等はこのトレードオフ関係の改善を
行うために、ＧＴＯのターンオフ特性の詳細な解析を行
った。

【００３６】図３に大容量ＧＴＯのターンオフ特性を示
す。図３において、横軸は時間経過を表し、縦軸に電流
（Ａ）および電圧（Ｖ）を示す。また、ターンオフ時に
ゲート引き出し部１（図１）に最も近いカソードセグメ
ントの配列に流れる電流をＩ1、次のカソードセグメン
ト２の配列に流れる電流をＩ2、最終列の１つ前のカソ
ードセグメントに流れる電流をＩn-1、最終列のカソー
ドセグメントに流れる電流をＩnとし、ＧＴＯの可制御
オフ電流をＩTGQとし、ターンオフ電圧をＶDとする。

【００３７】図３に示されるように、まず電流Ｉ1が所
定値まで低下すると電流Ｉ2が立ち下がり始め、次へと
続く。そして最後に電流Ｉnが立ち下がり始め、ターン
オフ電圧ＶDが増加してピークに達した後、電源電位に
まで低下して一定となる。すなわち、ＧＴＯのターンオ
フが完了する。

【００３８】このように、ＧＴＯのターンオフ動作は、
ゲート引き出し１に近い側のカソードセグメント２から
始まり、ゲート引き出し１から遠ざかる方向に移動し、
ＧＴＯの可制御オフ電流ＩTGQは電流Ｉ1〜Ｉnの総計と
して与えられる。そして、最終列のカソードセグメント
に流れる電流Ｉnが最も大きく、可制御オフ電流ＩＴＧ
Ｑの大部分を占める、すなわち、ＧＴＯのターンオフ動
作は最終列のカソードセグメントのターンオフ動作によ
って大きく影響を受けることが判る。

【００３９】従って、図１に示すＧＴＯ１００のよう
に、最外周のカソードセグメント２０の幅ｄｎのみを他
よりも狭くすることで、可制御オフ電流ＩTGQが高めら
れＧＴＯのターンオフ動作が改善され、その他のカソー
ドセグメント２の幅ｄ1、ｄ2、・・ｄn-1を従来のＧＴ
Ｏと同様の寸法で一律に同じとすることで、セグメント
当たりの電流密度が緩和され、可制御オフ電流ＩTGQと
セグメント当たりの電流密度とのトレードオフ関係を改
善することができた。

【００４０】従って、大容量化に伴い装置がより大口径
となった場合に、カソードセグメントの総面積が口径に
比例して増加しないといった問題が解消され、大口径化
による電流密度の緩和の効果を十分に得ることができ
る。

【００４１】なお、最外周のカソードセグメント２０の
幅ｄnは、その他のカソードセグメント２の幅ｄ1、ｄ
2、・・ｄn-1の２／３から１／２の寸法が望ましいこと
が判っている。

【００４２】＜実施の形態２＞図４に本発明に係るゲー
トターンオフサイリスタの実施の形態２として、ＧＴＯ
２００の上面（カソード電極側）の構造を部分平面図と
して示す。図４には、略円盤状のＧＴＯ２００の上面全
体を代表して、４分の１に相当する部分が描かれてい
る。

【００４３】図４において、カソードセグメント２はい
ずれの配列においてもゲート引き出し部１を中心として
一律に同じ角度で配設され、１連の配列における配設個
数はいずれの配列においても同じであるが、カソードセ
グメント２０はカソードセグメント２よりも狭い角度で
配設されている。すなわち、配設ピッチが狭く、１連の
配列における配設個数は、カソードセグメント２の配列
よりも多くなっている。なお、その他の構成については
図１を用いて説明したＧＴＯ１００と同様であり、重複
する説明は省略する。

【００４４】このように、カソードセグメント２０の配
設個数をできるだけ多くすることで、カソードセグメン
ト２０の幅ｄnを狭くすることで生じるカソードセグメ
ントの総面積の減少を抑制して、セグメント当たりの電
流密度の増加を抑制することができる。また、カソード
セグメント２０の個数を増やすことで、可制御オフ電流
ＩTGQをさらに向上させることができる。

【００４５】＜変形例＞以上説明したＧＴＯ２００にお
いては、カソードセグメント２の配列Ｌ1、Ｌ2、・・Ｌ
n-1と、カソードセグメント２０の配列Ｌnとは、配列状
態が一致するものとして示した。すなわち、ゲート引き
出し部１の中心から外周に向かう１の軸上にカソードセ
グメント２および２０が一列に並ぶ配列があったが、カ
ソードセグメント２および２０が一列に並ぶ必要はな
く、図５に示すようにカソードセグメント２０の配列Ｌ
nの配列状態が、カソードセグメント２の配列Ｌ1、Ｌ
2、・・Ｌn-1に対して完全にずれていても支障はない。

【００４６】

【発明の効果】本発明に係る請求項１記載のゲートター
ンオフサイリスタによれば、最外周列の単位ＧＴＯのｎ
エミッタ層の所定の幅を狭くすることで、そのｎエミッ
タ層直下のｐベース層におけるゲート電極間の抵抗値が
小さくなり、可制御オフ電流を大きくすることができ
る。従って、ｎエミッタ層直下のｐベース層内のキャリ
アの排出が容易にでき、ゲートターンオフサイリスタの
ターンオフ速度を向上することができる。また、ｎエミ
ッタ層の幅を狭くするのは最外周列の単位ＧＴＯのみで
あるので、ｎエミッタ層当たりの電流密度が増加するこ
とが抑制され、可制御オフ電流とｎエミッタ層当たりの
電流密度とのトレードオフ関係を改善することができ
る。

【００４７】本発明に係る請求項２記載のゲートターン
オフサイリスタによれば、ゲートターンオフサイリスタ
のターンオフ速度の向上、および可制御オフ電流とｎエ
ミッタ層当たりの電流密度とのトレードオフ関係を改善
するための実効的な構成が得られる。

【００４８】本発明に係る請求項３記載のゲートターン
オフサイリスタによれば、最外周列の単位ＧＴＯの個数
が増えるので、ｎエミッタ層の幅を狭くすることで生じ
る、ｎエミッタ層の総面積の減少を抑制して、ｎエミッ
タ層当たりの電流密度の増加を抑制することができると
ともに、可制御オフ電流をさらに向上させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るＧＴＯの実施の形態１の上面構
造を説明する部分平面図である。

【図２】単位ＧＴＯの構成を説明する断面図である。

【図３】ＧＴＯのターンオフ特性を示す図である。

【図４】本発明に係るＧＴＯの実施の形態２の上面構
造を説明する部分平面図である。

【図５】本発明に係るＧＴＯの変形例の上面構造を説
明する部分平面図である。

【図６】従来のＧＴＯの上面構造を説明する部分平面
図である。

【図７】従来のＧＴＯの上面構造を説明する部分平面
図である。

【符号の説明】

１ゲート引き出し部、１１ｐエミッタ層１１、１３
ｎベース層、１４ｐベース層、１５ｎエミッタ層、
２，２０カソードセグメント。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】順に積層されたｐエミッタ層、ｎベース
層、ｐベース層、ｎエミッタ層を有し、前記ｎエミッタ
層が所定の幅で選択的に形成された単位ＧＴＯを複数備
え、該単位ＧＴＯを共通のゲート引き出し部を中心とし
て同心円状に複数列となるように配置して並列接続し、
前記単位ＧＴＯに対して前記ゲート引き出し部からゲー
ト電流を並列に供給することにより並列に動作させて主
電流のオン、オフ制御を行うゲートターンオフサイリス
タにおいて、前記単位ＧＴＯの複数の配列のうち、前記ゲート引き出
し部から最遠に位置する最外周列の前記単位ＧＴＯの前
記ｎエミッタ層の所定の幅のみを、他の前記単位ＧＴＯ
のそれよりも狭くしたことを特徴とするゲートターンオ
フサイリスタ。
【請求項２】前記最外周列の前記単位ＧＴＯの前記ｎ
エミッタ層の所定の幅は、他の前記単位ＧＴＯの前記ｎ
エミッタ層の所定の幅の３分の２以下である請求項１記
載のゲートターンオフサイリスタ。
【請求項３】前記最外周列の前記単位ＧＴＯは、他の
前記単位ＧＴＯよりも密に配置される請求項１記載のゲ
ートターンオフサイリスタ。