JPS58169973A - ゲ−トタ−ンオフサイリスタ - Google Patents

ゲ−トタ−ンオフサイリスタ

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Publication number
JPS58169973A
JPS58169973A JP5140582A JP5140582A JPS58169973A JP S58169973 A JPS58169973 A JP S58169973A JP 5140582 A JP5140582 A JP 5140582A JP 5140582 A JP5140582 A JP 5140582A JP S58169973 A JPS58169973 A JP S58169973A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
type
emitter
gate
regions
Prior art date
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Pending
Application number
JP5140582A
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English (en)
Inventor
Minoru Azuma
東 実
Takashi Yotsudo
孝 四戸
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP5140582A priority Critical patent/JPS58169973A/ja
Publication of JPS58169973A publication Critical patent/JPS58169973A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/02Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/06Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions
    • H01L29/08Semiconductor bodies ; Multistep manufacturing processes therefor characterised by their shape; characterised by the shapes, relative sizes, or dispositions of the semiconductor regions ; characterised by the concentration or distribution of impurities within semiconductor regions with semiconductor regions connected to an electrode carrying current to be rectified, amplified or switched and such electrode being part of a semiconductor device which comprises three or more electrodes
    • H01L29/083Anode or cathode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices
    • H01L29/0834Anode regions of thyristors or gated bipolar-mode devices, e.g. supplementary regions surrounding anode regions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/74Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/744Gate-turn-off devices

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Thyristors (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [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と呼
ぶ)に係わり、特に低いオyl&圧を崩しながら、ゲー
トターンオフ(二おける電力損失を少なくすることを可
能にするG’rOの構造に関する。
E従来技術〕 ()TOはアノード・カソード間に正の電位を印加して
いる時(二、ゲート′@極に正の電位を与えてゲート電
流を流すとアノード・カソード間は導通状態になり、ま
九アノードlIE流が流れている時(=ゲート(=負の
電位を与えると、アノード電流の一部がゲートに流れで
ある時間の後にアノード・カソード間は阻止状態に移行
するスイッチング素子である。この上5 g二〇TOは
比較的容易1ニスイツチングできるうえ、パワートラン
ジスタよりも高耐圧。
大罐流を得やすいので、高゛醸力高周波用素子として近
年急速に注目を集めてきた。
第1図は従来のGTOの一例である。図1=おいて、1
1はP型の第1エミッタ層、12はn型の$1ベース層
、13はP型の第2ベース階、14は溝により複数に分
割されたn型の第2エミッタ層である。15はアノード
電極、16はそれぞれ分割され九カソード電極、17は
ゲート電極である。
第2図(a) (b) (C)はGTOをゲートl−7
オ7させた時の電圧、it流波形と各時刻における電力
損失である。GTOが導通状態にある時、時刻t0でゲ
ートスイッチを入れると、オフゲート電流Igは負側に
増加して時刻t1になるとアノード醸成■1は減少し始
める。それと同時にアノード・カソード間電圧Vムは増
加し始める。時刻1.でゲート・カンード間のpn 接
合は回つし、ゲート・カンード間′罐圧vgは負の最大
値に至る。同時にゲート電流1gも最大になり以後急激
に減少すあ。−実時刻t、以後は、アノード電流■^は
素子内の残留電荷成分だけとなる。この期間のIAを一
般にデ流ル4流と呼んでいる0 ゛電力損失Pは各時刻のアノード電圧Vムとアノード電
RIAの積で定義される。ゲートターンオフ時の電力損
失はアノード電流波形に対応して3区間に分けられる。
即ち、時刻1.以前はIA、Vム共一定で、電力損失は
オン電圧(:依存する。時刻t、からt、1での下降時
間C二おける電力損失は主として下降時間(””tmt
+)の長短に依存する。また時刻t、以後の電力損失は
、ティルミ流の大きさとテイルIEItが流れている時
間に依存する。スイッチングのlサイクルにはこの他に
ターンオン、オン及びオフ期間があるが、オフ期間のリ
ーク電流に基づく電力損失は無視できる程小さく、オン
期間は#配し友ようにオン電圧に基づく電力損失が支配
的である。またターンオン期間の電力損失はアノード電
流の立上り、またはアノード電圧の立下り時間の長短1
:依存するが、増幅ゲート構造にしない限りターンオン
時間を特に短かくすることはできないので一般のGTO
においてはほとんど差がない0 電力損失は、素子の許容゛罐流値、許容動作周波数に重
大な影響を及ぼすので、できるだけ小さくすることが会
費である。従ってGTOにおいては前記したようにオン
及びターンオフ期間の電力損失を低減する方法が採られ
てきた。
[従来技術の問題点〕 第1図に示すような一般的な構造のGTOにおいては、
n型の第1ベース層12(nベースと呼ぶ)の領域厚を
小さくシ、少数キャリアのライフタイムτnbを大きく
すれば、オン電圧が下がりオン期間の電力損失は低減で
きるが、ティルミ流が増加し、それに基づく電力損失が
増加する。ティルミ流成分を減少させるI:は第3図に
示すような構造がよく知られている。図において、一般
形のGTOと異なるところはP型の第1エミッタ層21
で、アノード電&25(二上って第1エミツタ鳩21と
n型の第1ベース層22が短絡していることである。こ
のアノード短絡構造によって、デ流ル1M流の原因であ
るnベース中の残留電荷が短絡部分に流れ込むので、残
留電荷量を減らすことができる。
しかし、アノード短絡型GTOには次のような欠点があ
ることが明らめu:なった。即ち、サイリスタやGTO
のターンオンは、ゲートへの正孔注入i二よってnエミ
ッタからの電子注入を促し、nベースにその電子を蓄積
して電位を下げてPエミッタからの正孔注入を促すわけ
であるが、アノード短絡型GTOではnペース中の電子
が短絡部に流れてしまうので、電子蓄積が行なわれずオ
ンを維持しにくいという問題がある。。この問題を党服
するC二はトランジスタのベース駆動のようにオンゲー
トを流しつづける等の外部回路の修正を要し、G’l’
01;本来備わっている長所を著しく損なうという代償
を払わねばならない。
〔発明の目的〕
本発明は、上記問題点についてなされたもので、通常の
サイリスタ動作をするGTOl二おいて低いオン電圧を
有しながら、ゲートターンオフにおける電力損失を少な
くすることを可能1;するGTOの構−造を提供するC
二ある。
〔発明の概要〕
本発明の概要を第4図(a) I (b)を用いて説明
する。
第4図(8)は第1図と第“3図の従来例に対応する本
発明のGTOの断面図である。1WI(b)は(a)に
対応する平面図である。本発明のGTOと従来型の違い
はP型の第1工iツタ層31だけで、その他の領域は変
わらない。P工ばツタ31は不純物濃度の高い領域38
と低い領域39から構成される。ま九低不純物濃廣領域
39は、同図(b)に示すように平面方向からみてnエ
ミッタ34の内側に配置される。
上記のような本発明の構造は、Pエミッタの正孔注入効
率の不純物濃度依存性という原理(−基づいて提案され
丸ものである。
サイリスタの4層構造をnpn及びpnpの2つのトラ
ンジスタから成るとする解釈法によれば、各々のトラン
ジスタの電流増幅率αnpn 、dpnpを用いて多く
のサイリスタ特性を説明することができる・本発明で問
題となるオン電圧はαnpnとdpnpの和(:はぼ逆
比例し、ティルミ流はdpnpに比例する。
ここで両特性に共通の問題であるdpnp は、nペー
スが均一ペースとみなせるので、正孔注入効率とペース
輸送係数の積で表わされる。ペース輸送係数はペースi
I斌厚とペースの少数キャリアライフタイムの関数なの
で、従来はこれらを制御することによってdpnpを調
整していた。それに対して、従来はlと近似していた正
孔注入効率rはPエミッタの不純物濃度:こ依存するこ
とが電子計算機を用い九シiニレ−ジョンで明らかにな
った。スナわち、Pエミッタの不純物濃度が高いとrは
大きい。これはPエミッタ、nペースのPn接合近傍の
Pエミッタの不純物濃度が高いと、正孔注入に対してn
ペースからPエミッタへ逆注入する電子が少ないことを
意味している。
これを確かめるためにPエミッタの不純物濃度だけが異
な抄、他の素子パラメータがすべてに共通なG1”Ol
二ついて実験した。結果は第1表に示すように、Pエミ
ッタの平均不純物濃度が6.15xlO”CMh”* 
1.67XIQ”Qj”、 1.46X10”aj”の
各GTOのαpnpit 各k O,20、0,26、
0,28”C’、オフ [圧Vtv ハ2.7V 。
1.8V*13V 17 / −)’電111600A
 tfi−ンオフI、、fc時のディル電□流は2OA
I45A、60Aであった。これらの実験結果は上記の
シミュレーションの結果を赴明している。
本発明のもう1つの紅成要素は次の事実C二もとづく。
GTOのゲートターンオフはカソード直下のベース層か
ら過剰キャリアをゲートから排出することなので、必然
的C:カソードのうちゲートに近い部分からターンオフ
が進行して、最終的にはゲートから最も離れた箇所、即
ちカソードの中央領域にキャリアが集中する。第2図に
示すアノード111fiの下降時間、ティルミ流が流れ
ている期間はまさCニカソード中央領域:ユ電流が集中
している。
従ってこの領域のdpnpを他領域に比べて低くすれは
ティルミ流を抑えることができ、電力損失を低減するこ
とができる。従ってエミッタ注入効率の低い低不純物濃
度領域は第4図(b)に示すようにnエミッタ34の内
側に配置され、それ以外の領域はエミッタ注入効率の高
い高不純物濃度領域で形成される。
〔発明の実施例〕
第4図(a) 、 (b)を用いて本発明の一実施例を
説明する。Pエミッタとの低不純物濃度領域旦は平均不
純物濃度が6.3X10QIIで、高不純物濃度領域3
8は平均不純物濃度が1.5X10(至)で共に領域厚
が30μmである。nペース32は平均不純物濃度が1
x10311ilI域厚が200/Jnであゆ、P ヘ
−ス33は平均不純物濃度が1,5x1g”agi”、
領域厚が40μmであり、nエミッタ34は平均不純物
濃度が2X10 (II 、  領域厚が10μmであ
る。nエミッタの幅は300Pで、それC二対応したP
エミッタの低不純物濃度領域の幅は200μmである。
以上の構造を有するGTLIのオン磁圧v?Mは従来構
造の1.8V l二対して1.3V 、テイル醸成は従
来構造の45Aに対して20Aと低減したので、オンの
電力損失は70チに、ターンオフの゛電力損失は75チ
に各々洩じた。しかもゲートトリガi[mは約100m
Aでアリ、アノード短絡型GTO+=おけるターンメン
オンの性能欠陥という問題は全く起こらなかった。
し発明の効果〕 本発明(二よれば、低いオン電圧と小さいティルミ流と
いう従来構造のGTOでは相矛盾する2つの特性を同時
に実現できる。この結果、オン及びターンオフでの電力
損失を低減でき、許容電流の増加、接合保証温度の増加
、動作周波数の増加等多くの利点を生む。またカソード
中央部のαpmpの減少は、ターンオフ時間の減少をも
たらす一方、カソード・ゲート周辺部のαpnpの増加
は、ゲートトリガ感度の増加、ラッチング14E流・保
持′@流の減少などの効果をもたらす。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のGTOの一例を示す断面図、第2図は(
JTOの動作波形図1.、・、第3図は従来例の一つで
あるアノード短絡型GTOの断面図、第4図−は本発明
の(iTOを説明するための図である。 31・・・p型の第1のエミツタ層 32・・n型の第1のペース層 33・・・p型の第2のペニス層 34・・・nfNiの第2のエイツタ層35・・・アノ
ード電極 36・・・カソード電極 37・・・ゲート電極 38・・・不純物一度の高い領域 39・・・不純物製産の低い領域 (7317)  代理人弁理士 則 近 憲 佑 (ほ
か1名))  リ 第  1  図 第3図 第2図 呵閘□

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)  第1導電型の第1工Zツタ層、第2導電型の
    第1ペース層、第1導電型の第2ペース層及び第2導電
    型の第2エミッタ層がこの順に積層され、第1主面(=
    露出する第1工電ツタ層は不純物濃度の比較的高い領域
    が複数に分離された不純物濃度の比較的低い領域を取抄
    囲むように平面的C二分布され、第2の主面には第2ペ
    ース層と第2エミッタ層の両方が露出してなる半導体素
    子基板を具備し、前記第1の主面にはアノード電極、前
    記第2の主面の第2エミッタ層4=はカソードIIK極
    、第2ペース層にはゲート電極が各々接触し、第2工電
    ツタ層は複数個C二分割され、第2ペース層は個々の第
    2工iツタ層を取抄囲むように配置されてなることを特
    徴とするゲートターンオフサイリスタ。
  2. (2)第1エンツタ層のうち不純物濃度の比較的低い領
    域は、個々の第2エミツ一層を垂直方向に投影し九領域
    の内側に配置されてなる前記特許請求の範囲第1項記載
    のゲートターンオフサイリスク。
JP5140582A 1982-03-31 1982-03-31 ゲ−トタ−ンオフサイリスタ Pending JPS58169973A (ja)

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JP5140582A JPS58169973A (ja) 1982-03-31 1982-03-31 ゲ−トタ−ンオフサイリスタ

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JP5140582A JPS58169973A (ja) 1982-03-31 1982-03-31 ゲ−トタ−ンオフサイリスタ

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JP4412084A Division JPS59197171A (ja) 1984-03-09 1984-03-09 ゲ−トタ−ンオフサイリスタ

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JPS58169973A true JPS58169973A (ja) 1983-10-06

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ID=12886021

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5140582A Pending JPS58169973A (ja) 1982-03-31 1982-03-31 ゲ−トタ−ンオフサイリスタ

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JP (1) JPS58169973A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0178582A2 (en) * 1984-10-15 1986-04-23 Hitachi, Ltd. Reverse blocking type semiconductor device
JPH01161864A (ja) * 1987-11-20 1989-06-26 Siemens Ag サイリスタ

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0178582A2 (en) * 1984-10-15 1986-04-23 Hitachi, Ltd. Reverse blocking type semiconductor device
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