JPS5871657A

JPS5871657A - ゲ−トタ−ンオフサイリスタ

Info

Publication number: JPS5871657A
Application number: JP16988981A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Takigami; 滝上　克彦; Minoru Azuma; 東　実
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-10-23
Filing date: 1981-10-23
Publication date: 1983-04-28
Also published as: EP0077930B1; DE3276286D1; EP0077930A2; EP0077930A3

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】（１）＠明の技術分野本発明はｆ−）ターンオフサイリスタに係わり、特に、
低いｒ−）電源電圧でダートターンオフ時間を短縮させ
、ｒ−）ターンオフ損失の軽減ｔａ成するための？−）
ターンオフサイリスタの構造に関する。

（２）従来技術ｒ−）ターンオアサイリスタ（以下ＧＴＯと呼ぶ）は、
アノード・カソード間に正の電圧を印加している時に、
ｒ−Ｆ電極に正の電位を与え、ｆ−）電流を流すと、ア
ノード・カソード間は導通状態になり、アノード電流を
流す、ｔた、アノード電流が流れている時にｆ−）に負
の電位を与えるとｆ−）電極から電流が吸い出されター
ンオフする。ＧＴＯ（ｉりｆ−トターンオフに要する時
間即ち、ｆ−）ターンオフ時間の長短は、ＧＴＯを使用
する電機器の使用周波数限界を決定するので極めて重要
な電気特性である。このダートターンオフ時間は、近年
ＧＴＯの電力容量の増加に伴ないＧＴＯに用いるシリコ
ンウェハの直径及び厚さの増大のため益々長時間になる
傾向があル、高周波使用に逆行する問題点があった。

第１図（ａ）　、　（ｂ）は従来のＧＴＯの一例である
。図において、１１はＰ型の第１エミ、り層、１２はＮ
型０ａｉｌ　ぺ−ＸＭ、１　：ＩＦｉＰ型（Ｄ＠２−を
−ス層、１４（１４１□〜１４ｎ）は溝により複数に分
割されたＮ型の第２工建ツタ層である。１６はタングス
テン等から成るアノード電極、１６（１６１〜１６ｎ）
はそれぞれ分割されたカソード電極、そして１７は？−
）電極である。

第１図（ａ）の円型の破線は、前記、分割されたカソー
ドが同心円状に並らんだ状態を省略して表わした内径と
外径である。同図（ａ）、伽）に示す如く、ｆ−）電極
１７は、カンーＰ領域を取凹むように一体的に形成され
ていることが、従来ｔ）　ＧＴＯ（Ｄ　ｑｆ歎である。

＃１２図はＧＴＱの動作を＃！ｉ明するための回路図で
ある。同図においてオン？−）回路のスイ。

チ２５を投入するとオンｒ−）電源２＃−スイ、チ２Ｊ
−負荷Ｊ　４−ＧＴＯ：ｌ　Ｊ−オンｌ”−）電源２６
の閉回路にオンｒ−）電流が流れ％　ＧＴＯ２３をトリ
ｆ−Ｌ導通状１１にする。その結果、主電源２１−負荷
Ｊ　Ｊ−ＧＴＯＪ　３−主電源２１の閉回路に主電流、
即ちＧＴＯのアノード電流１、が流れる。ｔえ、　ＧＴ
ｅ　Ｊ　Ｊがターンオンしている状態でｙ−＞ターンオ
フするには、オフ１’−）　５ＪＪ　ｉｌｌ　ＣＱ　ｘ
イ、チ２１を投入して、オフダート電源２＃−スイッチ
２１−負荷２４−ＧＴに）２３−オフダート電源２８の
閉回路に？−）ターンオン時と逆向きのｒ−）電流を流
す。

第３図は８２図の回路でＧＴＯを動作させた時の各部の
波形てｓ　％ｔｃ、ｒ　　）ターンオフ時の電圧、電流
波形である。

ＧＴＯが導通状態にある時、時刻ｔ・でｒ−）ターンオ
フスイッチを投入するとオフｆ−）電流−は負側に増加
して時刻ｔ１になるとアノード電流■、は減少し始める
、それと同時にアノ−Ｐ・カソード間電圧Ｖ、は増加を
開始する。

時刻１．でｒ−）・カッ−上間の接合は回復し、グーＦ
・カソード関電圧ν、＃′ｉ負の最大値に至る。同時に
ｆ−）電−Ｋｓ、も最大値とな９以後急激に減少する。

一方時刻ｔ１では、アノード電ｆｉｌ、が一般にティル
ミ流！、といわれるＧＴＯ中に残留電荷分牟けの電流値
になる。

上記のような一〇ＴＯ動作において、ターンオフ時間’
ｏｆｆとは時刻ｔ・からｔｓ　ｔでの時間（ｔ、１１＝
Ｌｍ　−ｊ＠　）をいう・時刻１．以後のアノード電流
１．は、ＧＴＯ内部の蓄積電荷が消滅する時刻ｔａｔで
流れる。

尚同図のｒ−ド電流ｉ、において時刻１ｓ以後夾線は、
オフゲート電源２８の電圧Ｅ０を、ＧＴＯのゲートカッ
−Ｐ間道降服電圧ｖ、ｌ　よ〕低く　（ｇ、＜Ｖ、、　
）　シ次場合、また破線は、その逆の場合（ＥＧ＞ＶＪ
、　）の電流波形である・また同図最下の波形はｆ−）
ターンオフ時の電力損失Ｐ（＝Ｖ、ＸＩ、）である。

オフｒ−）電流立上）率（ａＳ〆ｄ１）をΔラメータに
とって示したもので、ｄｉｇ／ｄｔはＡく１くＣ（１）
なる関係にある。同図で示すようＫＱ。

は■、に対し直線関係にＴｏ９、しかもこの関係は、オ
フゲート電流立上）率（ｄｓ〆ｄｔ）６ｃは、はとんど
影響されない、即ち成る値のアノーｐｗａｔターンオフ
するにはオｙｒ−）電流の立上夛率の如何にかかわらず
、はぼ一定のオフｆ−）電荷量が必要であることを示し
ている。

第５図は、アノード電Ｉ！ｉ１１．を一定して、巣位時
間ＩＪ＞Ｋ排出するオフゲート電荷量即ちｄＱｏ／ｄｔ
とターンオフ時間’ｏｆｆとの関係を示したもので、タ
ーンオフ時間を短縮するには、単位時間尚〕排出するタ
ーンオフ電荷量Ｑ０を増加すれば良い事を示している。

（３）従来技術の問題点通常オフ？−）回路の負荷２４は直流抵抗分がほとんど
なく、インダクタンスＬでオフグーで表わせる。

したがって、ｒ−トターンオフ時間’ｏｆｆ　を短かく
してターンオフする、即ち、前記のＱ。

の式において、’ｏｆｆを小さｈ値のまｔ　Ｑ、を増加
させるには、インダクタンスＬが通常達成しうる最小値
とすればＥ、を高くする以外に方法はない、しかし第３
図の１５波形の破線で示した如く、オフ０”−）％源電
圧Ｅ０を、ＧＴ（１）？−）−カソード間道降服電圧ｖ
Ｊｌよりも高くすると（Ｖ□、＜Ｊ、）％　　ツェナー
電流が流れ、そのツェナ電流とｖ５．まで回復し九ｆ−
）・カソード間電圧との積による電力損失で熱を発生し
、信頼性を著しく低下してしまう、そのためＥ６を高く
することでｒ−）ターンオフ時間’ｏｆｆを短縮するに
はおのずから限界があった。

またターンオフ時間を短縮するため、ウェハ中に重金属
をドー！したり、！１ペース層を第１工ｔ、ターと共に
一主面に露出させて両者をアノード電極で短絡する構造
を採用することが従来より知られている。したしこれら
の方法は、順方向電圧降下の増大やう、チンダミ流の増
大をもたらす等の欠点があった。

（４）発明の目的本５ｊ＆明は、上記問題点に鑑みなされたもので、ラッ
チンダ電流や順方向電圧降下を増加せずにｆ−）ターン
オフ時間を短縮する構造、特に、ｒ−）電源電圧ｔｆ−
）・カソード間道降服電圧以下で駆動して、オフｒ−）
電力損失を極度に抑えて、なおかつ、ｆｆ−）ターンオ
フ時間桐−レの短縮が可能なＧＴＯの構造を提供するものである。

（５）発明の概要本発明は、前記第４図に示した、ある値のＩ。

Ｉｆ−）ターンオフするには、オフグー）電ｆｆｉ立上
シ車ｄ　ｉ　ｒ／ｄ　ｔと無関係に１．に対応した成る
値のオフｆ−）電荷Ｑ、が必要であることに着目したも
ので、その特徴とするところはＧＴＯのダート電極を複
数個に分割することにある。

このようにＧＴＯの？−）電極を複数個に分割すると、
’ｙ”　　）によって囲まれているカッ−Ｐも轟然、複
数個からなるカッーｒ群が複数個形成される。その九め
、カソード電流ＩＫは、分割数ｍで除したＩＫＡなる電
流が各分割された領械に流れている。このよりなＧＴＯ
に対しオフｒ−Ｆ電源電圧Ｅ、を分割前と同じ値で与え
ると、インダクタンスＬが同じなら、ｄ　ｉ　７’ｔは
分割前と同じになり、オフｆ−）電荷Ｑ、は、第４図で
示したようにカソード電流が分割されて少なくなったの
に伴ない小さな値ですむ、そして前述の式にあてはめる
と、Ｅ　とＬとが一定ならＱ、が少なくてよい事は”　
ｏｆｆが短かいという◆である。つｔＤ％ｆｆ−）電極
ｆｒｍ分割することは、ＧＴＯの体積ｔ″１ｈとしたも
のを並列接続したと等価となりｓ　　ｔ、ｔｔの短縮が
図られることになる。逆にダート電極を分割する前と同
じｔ。ｆｆを得るにはｓ’ｉｔ、を低電圧にしても嵐い
事を意味している。従って本発明によれば％　Ｋ。

を低圧にして、ｒ−Ｆ駆動して、ターンオフ後にツェナ
電流が流れる事を防止して、効率を従来型ＧＴ（ｌ）よ
り高め、また、ツェナ電流によるジーール熱の発生がな
くなるため信頼性を高めることかで龜る。

（６）発明の実施的第６図伽Ｌ（ｂ）は本発明の実施的のＧＴＯを示す平面
図とそのＢ　−Ｂ’断面図である。第１図と対応する部
分には１１１図と同一符号を付して詳細な説明を雀〈、
篤１図と異なる点は、ｒ−）電極１１が複数個、今の場
合１１ａ〜Ｉｒｄの４個に分割されていることである。

このようなＧＴＱのｆ−）電極１１ａ〜Ｊ７ｄのそれぞ
れに同一時刻にター・７オンΔルスを加えるト、ＧＴＯ
は導通状態になる。さらにターンオフ時には、全ｒ−）
電極１１１〜Ｊ７ｄに同一時刻からｒ−トオフノ童ルス
を加えると、ＧＴＯは各ｒ−）電極毎に電流が吸い出さ
れターンオフする。この時、オフ？−）電流の立上９率
（ｄｉ、／ｄｉ　）は、各ｒ−）電極毎に、デート電源
電圧をＥ（１、ｒ−ト回路の総イン〆クメンスＬとする
と、はぼｄ１〆ｊ　ｔ　”　Ｅａ／’Ｌで表わされ、ま
た前記のように一個のｒ−）当ｐのオフゲート電荷量Ｑ
９はＥ４ＢＱ、ｓ＝　　”Ｌ−”’ｏｆｆ）とな〕、とのＱ、ｄｉ
’−）電極を分割しない場合に比べて小さ込から、ター
ンオフ時間’ｏｆｆを短かくすることができる。

またこの実施例によれば、Ｃ−）ターンオフ時間’ｏｆ
ｆが短縮するだけでなく、第３図のテール電流初期値！
、も単−ｆ−）電極ＧＴＯより小さくなった・これは、
同図に示した電力損失蓋Ｐ（＝Ｖ、ＸＩ、）の軽減に寄
与し、ジュール熱によるＧＴＯの発熱を抑制して信頼を
高める。

更にこの実施ガｏｔｍ造は従来のＧＴＯを製作した王権
と同一工程で実現でき、製作費の増加はない、即ち、１
１６図に示すカソード電極１６１〜１６　とｆ−）電４
１Ｊ７ａ　〜１１４の分割は勘半導体のカッ−Ｐ、？−）側主面にアル（＝ラム等の軟
質金属を蒸着などで一様に付け、エツチング等で不蚤な
軟質金属部分を除去すればよく、この時使用するレジス
トのマスクに予めｒ−トを分割する図を描いておけば良
い、したがりて本発明の実施による経済的不利は全くな
いのも特長である。

（７）発明の効果本発明によれば、う、チングミ流や順方向電圧降下を増
大することな（、ｆｆ−）ターンオフ時間ｔ−短縮する
ことができる。ｔた？−）電源電圧ｔ？−）・カソード
間道降服電圧以下として、オフ？−）電力損失を極力抑
えてデートターンオフ時間の短縮を図ることが可能であ
る。

なお、第６９伽）から明らかなとおり、第２ペース層Ｉ
Ｊは分割された各第２エミッタ層１４１〜１４ッに対し
て共通であるが、分割した％Ｃ−）１を極Ｊ　ｒ　ａ　
〜ｌ　７　ｄ相互間が１００　ｐｍ　程度以上−れてい
れば、第２ペース層１３のシート抵抗は通常数十０７口
以上あるため、各ｆ−）電極間は実質上十分く電気的に
分離され七本発明の効果が得られる・また第１４−ス層の一部をアノーＰ＠主面に露出させて
アノード電極で第１エミ、り層と第１ペース層を短絡す
る構造としたＧＴＯに本発明を適用することも可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）　＊　（ｂ）は従来のＧＴＯの一部を示す
平面図とその人−ム′断面図、第２図はＧＴＯの動作を
説明する専めの回路図、第３図は同じく動作波形図、１
１４図はＧＴＯのター　ンオ７時におけるアノード電流
とオフｒ−）電荷量の関係を示す図、第５図は同じくタ
ーンオフ時間と単位時間当９排出するオフｆ−）電荷量
の関係を示す図、第６図（ｉ、伽）は本発明の一実施飼
のＧＴＯを示す平面図と七のＢ　−Ｂ’断面図である。１″１・・・第１エミッタ層、１２・・・第１ペース層
、ＩＪ・・・ｍ２ペ一ス層、１４１〜１４１−第２エミ
、り層、１５・・・アノード電極、１６１〜１６゜・・
・カソード電極、１１ａ〜ＩＦ（１・・・ｆ−）電極。出願人代理人　弁理士　鉤　江　武　彦！＾　［Ａ］第５図ｄＱＧ／ｌ（第６ｖＡ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）　　第１導電型の第１工ｉ、ター、８Ｉ２導電蓋
の第１ペース層、第１導電戯の第２ペース層および第２
導電型の第２工電、ターがこの順に積層され、第１主面
には第１エミ、り層または第１工２．ターと第１ベース
層の両方が露出し、第２の主面には第２ペース層と第２
エミ、り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ＩＥ２の主
面の第２工ｉ、ターにはカソード電極、第２ペース層に
はｆ−）電極が舊々低抵抗接触し、第２工き、ター及び
カソード電極は複数個に分割され、第２ペース層及びｆ
−）電極が個々のカソード電極を取り囲むように配置さ
れてなるｆｆ−）ターンオフサイリスタにおいて、前記
ダート電極はほぼ等しい面積で複数個に分割されている
ことを％黴とするｆ−）ターンオフサイリスク。
（２）　　前記分割され九複数のｆ−）電極は１第２の
主面の中心を軸にして回転対称に配列されている特許請
求の範囲第１項記載のｆ−）ターンオアサイリスタ。