JPS5989465A - タ−ンオフ能力を有するサイリスタ - Google Patents

タ−ンオフ能力を有するサイリスタ

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JPS5989465A
JPS5989465A JP18322783A JP18322783A JPS5989465A JP S5989465 A JPS5989465 A JP S5989465A JP 18322783 A JP18322783 A JP 18322783A JP 18322783 A JP18322783 A JP 18322783A JP S5989465 A JPS5989465 A JP S5989465A
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turn
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JP18322783A
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ビクタ−・アルバ−ト・キ−ス・テンプル
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General Electric Co
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    • 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
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    • H01L29/74Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/7404Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action structurally associated with at least one other device
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    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
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    • H01L29/744Gate-turn-off devices
    • H01L29/745Gate-turn-off devices with turn-off by field effect
    • H01L29/7455Gate-turn-off devices with turn-off by field effect produced by an insulated gate structure

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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】 関連出願の説明 本発明は、いずれもヴイー・エイ・ケイ・テンプル(V
、 A、 K、 Temple ) (D名Iで提出サ
レかつ本発明の譲受人に譲渡された1982年6月24
日付の米国特許出願第391620号、19連するもの
である。上記特許出願の開示内容(よ弓i用によって本
明細書中に併合されるものとする。
発明の背景 本発明はサイリスタに関するものであって、更に詳しく
言えば、サイリスタのターンオフを容易にするために金
属−酸化物一半導体構造(すなわちMO8構造)を組込
んだサイリスタに関する。
サイリスタは公知の凹領域(たとえばPNPN)半導体
素子であって、陽極および陰極を有している。陽極と陰
極との間に導電率の高い電流路が形成されるとサイリス
タはターンオンし、また両極間の電流路が高い抵抗また
は非導電性を示すようになるとサイリスタはターンオフ
する。通例、サイリスタはP+形(すなわち高ドーパン
ト濃・度のP形)エミッタ領域、N−形(すなわち低ド
ーパント濃度のN形)ベース領域、P形(すなわち基準
ドーパント濃度のP形)ベース領域およびN+形エミッ
タ領域を含んでいる。上記の米国特許出願第39162
号明細書中には、「正孔」 (すなわち正孔電流キャリ
ヤ)を素子のP形ベース領域から陰極へ輸送することに
よって素子をターンオフさせるためのMOSターンオフ
構造を含んだサイリスタが記載されている。このMOS
ターンオフ構造が上記のようにして有効に正孔を輸送し
得るのは、それの制御電極が閾値(すなわち、MOSタ
ーンオフ構造が導通状態から非導通状態への変化または
逆の変化を示す値)を越える電圧でバイアスされている
場合に限られる。換言すれば、かかるMOSターンオフ
構造は常時オフ形のものである。また、上記バイアス電
圧の極性は素子の陰極に対して負であり、従う、て素子
の陽極・陰極間電圧からそれを誘導することは容易でな
い。素子の陽極・陰極間電圧から適当な電圧を誘導する
には、パルス状の負電圧を発生させるための複雑な回路
の使用が通例必要となる。かかる複雑な回路の必要性が
回避できるとすれば、それは望ましいことである。
ところで、サイリスタに含まれるターンオン構造のゲー
ト電極は、素子のターンオンを達成するために正の電圧
でバイアスしなければならないのが通例である。か、か
るサイリスタがMOSターンオフ構造をも含む場合、タ
ーンオン構造およびMOSターンオフ構造の両方の制御
電極をそれぞれの閾値より高い単一極性(この場合には
正)の電圧でバイアスすることができるとすれば望まし
いことである。
発明の概要 従って本発明の目的の1つは、MOSターンオフ構造を
有するサイリスタにおいて、かかるターンオフ構造の制
御電極をサイリスタの陽極・陰極間電圧から容易に誘導
し得る電圧でバイアスすることのできるようなサイリス
タを提供することにある。
また、MOSターンオフ構造およびターンオン構造を有
するサイリスタにおいて、両方の構造の制御電極をそれ
ぞれの閾値より高い単一極性の電圧でバイアスし得るよ
うなサイリスタを提供することも本発明の目的の1つで
ある。
本発明の上記目的を達成するため、1つの実施の態様に
従えば、P+形エミッタ領域、N=形ベース領域、P形
ベース領域およびN+形エミッタ領域を有する半導体材
料の基板を含んだサイリス夕が提供される。P+形エミ
ッタ領域には陽極がオーム接続されてd5す、まIc 
N+形エミッタ領域には陰極がオーム接続されている。
上記の基板中にはまた、N+形エミッタ領域に隣接して
追加のP影領域が含まれ、そして陰極とオーム接触を成
している。更に、P形ベース領域から追加のP影領域へ
正孔を輸送するためのMOSターンオフ構造が含まれて
いる。かかるMOSターンオフ構造は常時オン形のもの
であって、素子の陽極・陰極間電圧から容易に誘導し得
る正の電圧によりバイアスして動作させることができる
以後、上記のようなサイリスタを簡単にMOSターンオ
フサイリスタ(MO8TOT)と呼ぶことがある。
好適な実施の態様の説明 本発明の要旨は前記特許請求の範囲中に詳細かつ明確に
記述されているとは言え、添付の図面を参照しながら以
下の説明を読むことによって本発明は一層良く理解され
るものと信じる。
先ず第1図を見ると、本発明に基づくオフ形セル(すな
わち、素子をターンオフさせるための手段を具備したセ
ル)12および14並びにオン形セル(すなわち、素子
をターンオフさせるための手段を具備したセル)を含む
MO8TOT10の一部分が断面図によって示されてい
る。完全なMO8TOTIOは多数のオフ形セルおよび
多数のオン形セル(たとえば16)を含むのであって、
その場合のオフ形セルは互いに同じ構造を有することが
好ましい。オフ形セル12および14は上方から見た場
合に円形または長方形を成すのが通例であるのに対し、
オン形セル16は長方形を成すのが通例であって、(断
面図で見た場合に)狭い幅を有することが好ましい。M
O8TOTI Oは半導体材料(好ましくはシリコン)
から成る基板10を含んでいる。図示のごとき好適な実
施例の場合、半導体基板18はP+形エミッタ領jj!
!20、N−形ベース領域22、P形ベース領域24並
びにN+形エミッタ領域26および28を有している。
領域20.22.24および26を縦方向に沿って見た
場合、半導体基板18のドーパント潤度分布は良好なサ
イリスタ性能を生み出すように選定される。実例を挙げ
れば、適当なドーパント)は度分布はニス・エム・セ(
S、M、5ze)著[フィジックス・オフ・セミコンダ
クタ・デバイシズ(p hysics  of  3 
emiconductor  [) evices)J
にューヨーク・ワイリー・インターサイエンス社、19
69年)322頁の第2(a)図中に示されている。M
O8TC)TI Oはまた、P+形エミッタ領域20に
隣接した陽極32並びにN+形エミッタ領域24および
26に隣接した陰極34をも含んでいる。  □ 当業者には自明の通り、P形ベース領域24に十分な強
さの正孔電流が供給されればMO8TOT 10はター
ンオンする。これはオン形セル16の動作によって達成
されるが、それ自体は当業界にJ5いて公知である。オ
ン形セル16は、たとえばP形ベース領域24に隣接し
た金属被膜から成るオンゲート30を含んでいる。(陰
極34に対して)正の゛重圧でオンゲート30がバイア
スされた場合、オンゲート30を通してP形ベース領域
24に正孔電流が供給される。かかる正孔電流が十分に
強ければ、オン形セル16に近接したヒルが(直近のオ
フ形セル12および14から始まって)ターンオンする
。通例はMO8TOT10中のその他のオン形セルがオ
ン形セル16と一緒に動作するから、MO8TOTI 
Oは一層迅速にターンオンする。少なくともMO8TO
T10が通常の構造のオン形セルを含む場合には、オン
ゲート30をバイアスしてMO8TOT10をターンオ
ンさせるために必要な電圧はMO8TOT10の陽極3
2・陰極34間電圧から容易に誘導できるので有利であ
る。
MO8TOT10のターンオフが所望される場合には、
P形ベース領域24から十分な強さの正孔電流を取出す
ことによってそれが達成される。
オフ形セル12および14を動作させれば、P形ベース
領域24から正孔電流を取出して陰極34に導・くこと
ができる。ところで、オフ形セル12および14は互い
に同じ構造を有するのが適当であるから、説明を簡単に
するため、以下の記載はもっばらオフ形セル12のみに
ついて行う。第1図に示される通り、オフ形セル12の
左半分は右半分と対称的である。それ故、理解を容易に
するため、オフ形セル12の両半分に現われる部分には
同じ番号が付けである。オフ形セル12はP+形領領域
36よびMOSターンオフ構造38を含んでいる。P+
形領領域36N十形エミッタ領域26に隣接し、かつ高
いドーパント濃度を有することによって領域34とオー
ム接触を成している。
MOSターンオフ構造38は、好ましくは高濃度のドー
パントを添加したポリシリコンまたはその他の導電性耐
熱材料からなる制御電極またはオフゲート40、好まし
くはオフゲート40の回りにスリーブを形成する半導体
材料の酸化物から成る絶縁層42、並びに半導体材料か
ら成るP影領域44を含んでいる。P影領域44は絶縁
層42によって覆われており、そしてP+形領領域36
P形ベース領域24とを接続している。従って、MOS
ターンオフ構造38は常時オン形または常時導通形のも
のである。すなわち、正の閾値より低い任意のバイアス
電圧(たとえばOV)がオフゲート40に印加されてい
る場合、MOSターンオフ構造38はオン状態または導
通状態にあるわけで、P形ベース領域24からの正孔は
分布電流路46に沿いながらP+形領領域36経て陰極
34へ輸送される。しかるに、オフゲート40が閾値を
越える正の電圧でバイアスされると、MOSターンオフ
構造38はオフ状態に変わる。すなわち、P影領域44
は分布電流路46内の正孔をもはや伝導することができ
なくなり、それによってMO8TOTIOのターンオン
に対する障害が取除かれることになる。
P影領域44の正孔電流伝導能力が失われることは、第
2図に詳細に示されたP影領域44およびそれの周囲の
構造を考案することによって一層良く理解できる。オフ
ゲート40が閾値を越える正の電圧でバイアスされた場
合には、絶縁層42からN十形エミッタ領域26にまで
達しかつオフ形セル12内にP+形領領域36包囲する
ような閉鎖ループを形成するP影領域44の縦方向断片
50中から正孔が除去される結果、電流路46内の正孔
電流の強さは無視できる程度(たとえばゼロ)にまで低
下する。このようにMOSターンオフ構造38がオフ状
態にある場合、オフ形セル12はターンオンさせること
ができる。なお、オフゲート40をバイアスするために
使用される正の電圧はMO3TOT10の陽極32・陰
極34間電圧から容易に誘導できるので有利である。か
がる正の電圧はまたオンゲート30をバイアスするため
にも使用できるが、その場合には、オンゲート30に向
かって流れる電流を制限するために限流抵抗器(図示せ
ず)のごとき適当な回路部品を使用することが必要であ
る。
転流(すなわち、MO3TOT10の陽極32・陰極3
4間電圧の逆転)に頼ることなくMO8TOTIOのタ
ーンオフを達成するためには、分布電流路46の正孔に
対する電気抵抗が十分に低くなければならない。詳しく
言えば、P形ベース領域24とN十形エミッタ領域26
との間のPN接合48が電流路46内を俸れる正孔電流
のためにPN接合48を梠成する半導体材料のエネルギ
ーギャップ電圧(すなわち、シリコンの場合には通例約
1.0V)の約1/2を越える順方向バイアスを受ける
ことがないようにしなければならないのである。勿論、
MO8TOTI O中に含まれるその信金てのオフ形セ
ルの分布電流路に対しても同様な制約が適用される。
電流路46の抵抗を低下させる方法の1つは、P影領域
44のドーパント濃度を増大させてそれの導電率を上昇
させることである。しかしながら、この方法ではP影領
域44の断片50から正孔を除去するためオフゲート4
0に高い電圧を印加することが必要となり、その結果と
して絶縁層42中の電界強度が増大する。断片50の正
味ドーパント濃度に関する限界は、絶縁層42が絶縁破
壊を起こす(すなわち、絶縁能力を失う)際の臨界電界
強度によって規定される。また、P影領域44から正孔
を除去するためオフゲート40に印加される電圧はそれ
を発生させるために必要な回路を簡単にするために約1
0Vより低いことが望ましい。絶縁層42を薄くすれば
、かかる電圧の値および絶縁層42中の電界強度の値を
共に小さくすることができる。しかしながら、絶縁層4
2の製造上の欠陥(たとえばピンホール)を回避すると
同時に、オフゲート40の静電容量の著しい増大によっ
てバイアス時にオフゲート40に供給すべき電荷の量が
増加するのを防止するため、絶縁層42は過度に薄くす
べきでない。なお、絶縁層42の厚さは通例0.02〜
0.4μの範囲内にある。分布電流路46の抵抗に関す
るその他の設計上の考慮事項は前述の米国特許出願第3
91620号明細書中に記載されている。
MO3TOT10はまた、オフ形セルの分布電流路(た
とえばオフ形セル12の電流路46)が高い抵抗を有し
、そのためにかかる電流路中に電流が流れただけではM
O8TOTIOのターンオフは達成されないような形態
に変形することも可能である。このような変形MO8T
OT10は同時に転流(すなわち素子の陽極・隘極間電
圧の逆転)を行うことを必要とするが、それでも転流の
みによるターンオフに比べれば逃かに早いターンオフが
可能となる。
MO8TOT10の製造に当っては、通常のサイリスタ
製造技術に従ってP+十形ミッタ領域20、N−形ベー
ス領域22およびP形ベース領域24が適宜に形成され
る。次いで、通常の電界効果1〜ランジスタ製造技術に
従ってP+形領領域36よびN十形領域26.28並び
にMOSターンオフ構造38が適宜に形成される。その
後、下記のようにしてP影領域44が適宜に形成される
P影領域44はP+形領領域36形成後に形成すること
が好ましい。P影領域44の形成は、N“影領域26の
部分52はP形に変えないがN十形領域26の部分44
はP形に変えるようなブランケットイオン注入操作によ
って行うことが好ましい。
P影領域44を形成するためのイオン注入操作は高エネ
ルギ一方式のものであることが好ましい。
この場合には、絶縁層42によって包囲されたオフゲー
ト40を拡散マスクの一部として使用することによりP
+形領領域36形成できるので好都合である。従って、
P影領域44を形成するためのイオンは絶縁層42を通
過できなければならないわけである。他方、オフゲート
40が金属材料から成る場合には、オフゲート40用の
金属被膜を設置するのに先立って低エネルギーのイオン
注入操作によりP影領域44を形成することが望ましい
前述の通り、転流路46の抵抗を低下させるためにP影
領域44の正味のドーパント濃度を高くする必要がある
。とは言え、かかるドーパント濃度はP影領域44の断
片50から正孔を除去することができないほどに高くて
はならない。P影領域44の適当な正味のドーパント濃
度は当業者により容易に決定しうるであろう。P影領域
44のドーパント濃度はまた、陰極34に隣接したN+
エミッタ領域部分52中のN形ドーパント濃度を中和低
下させる結果として、N十形エミッタ領域26が陰極3
4とオーム接触を成し得なくなるほどに高くないことが
好ましい。さもなければ、N“形エミッタ領域26の一
部が陰ff134とオーム接触を成すようにするだめの
余分の加工工程が必要となる。
断片50から正孔を除去するためオフゲート40に印加
すべきバイアス電圧は約10〜20Vの範囲内に制限さ
れることが望ましい。所要のバイアス電圧がこの範囲よ
りも高いことが判明したならば、P影領域44の縦方向
深さをおよそ15%だけ増大させるような短時間の拡散
処理を少なくとも1回実施することによってバイアス電
圧をある程度低下させることができる。そのためには、
上記のようにして製造されたMO8TOTI Oから全
ての金属被膜を取除いた後、短かい時間(これは当業者
により容易に決定しうる。)にわたってi ooo〜1
200℃の温度に加熱すればよい。
P影領域44の縦方向深さが増大すると、N十形エミッ
タ領域26に由来するN形ドーパントの増加のために断
片50中の正味のP形ドーパント濃度は低下する。P影
領域中に所望のドーパント濃度を達成するためのその他
の技術としては、トリム(trim)注入操作(すなわ
ち、低濃度のN形またはP形ドーパントのイオン注入操
作)の使用によってP影領域44中のドーパント濃度を
調整することが挙げられる。
次に第3図を見ると、本発明の別の実施例を成すMO8
TOT100のオフ形セルが示されている。MO8TO
T100のオフ形セルはMO8TOT10のオフ形鴬ル
12(第1図)とほぼ同様な構造を有している。両者の
相違点は、MO8TOT100のオフ形セルが上部のM
OSターンオフ構造38′に対して相補的なMOSター
ンオフ構造102並びに上部のP+形領領域36′よび
P影領域44′に対してそれぞれ相補的なN+形領領域
104よびN影領域105を下部に含んでいることだけ
である。MOSターンオフ構造102はMOSターンオ
フ構造38′に対して相補的に動作する。すなわち、M
OSターンオフ構造38′が正孔をP形ベース領域24
′から陰極34′へ輸送するのに有効であるのに対し、
MOSターンオフ構造102は電子をN−形ベース領域
106から陽極108へ分布電流路110経出で輸送す
−るのに有効である。MO8TOT100中においてM
OSターンオフ構造38′および102が同時に動作す
れば、MO8丁O丁100のターンオフ速度はMO8T
OT10 (第1図)の場合に比べて一層増大する。電
流路110中における電子の流れを停止させるためMO
Sターンオフ構造102のオフゲート112に印加すべ
きバイアス電圧は、MO8TO王100の陽極108・
陰極34′間電圧から容易に誘導することができる。
本発明の更に別の実施例としては、上部のMOSターン
オフ構造38′を含まない点を除けばMO8TOT10
0と同じ構造を持ったMO8TOT(図示せず)が挙げ
られる。
以上、素子の陽極・陰極間電圧から容易に誘導し得る電
圧で制御電極をバイアスすることのできるようなMOS
ターンオフ構造を含んだサイリスタの一形態が記載され
た。その上、少なくともMOSターンオフ構造が素子の
上部に形成されている場合には、かかるサイリスタのM
OSターンオフ構造およびターンオン構造の両方を単一
の電圧でバイアスすることも可能である。
特定の実施例に関連して本発明が記載されたとは言え、
それ以外にも多数の変形実施例が可能であることは当業
者にとって自明であろう。たとえば、N形材料の代りに
P形材料を使用しかつP形材料の代りにN形拐料を使用
することによって相補的なサイリスタを製造することが
できる。また、上記のごとき特定のターンオン構造以外
のターンオン手段を具備したサイリスタを製造すること
もできる。更にまた、本明細書中に記載されたMOS 
T OT 4を拡散領域MO8(DMO8)形のもので
あるが、食刻V字溝MO8(VMO8)形のMO8TO
Tも製造可能である。DMO8形素子およびその実例の
記載は、ディー・カーノ(D、 Kahna)mrシリ
コン・インテグレーテッド・サーキッツーパートB(S
ilicon  IntegratedCircuit
s −P art  B ) Jの209〜211頁に
見出される。更にまた、当業者には自明のことながら、
本明細書中に記載されたようなMOSターンオフ構造の
範囲内には、金属の代りに導電性の非金属材料(たとえ
ば高濃度のドーパントを添加したポリシリコン)を使用
しかつ半導体材料の酸化物の代りにその他の絶縁材料を
使用した構造も包含される。それ故、前記特許請求の範
囲は本発明の真の範囲内に包含される上記のごとき変形
実施例の全てを包括するように意図されていることを理
解すべきである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を成すMO8TOTの一部分
を示す略断面図、第2図は第1図のMO8TOTの動作
を説明するための拡大図、そして第3図ば本発明の別の
実施例を成すMO8TOTを示す第1図と同様な略断面
図である。 図中、10はMOSターンオフサイリスタ、12および
14はオフ形セル、16はオン形セル、18は基板、2
0はP+形エミッタ領域、22はN−形ベース領域、2
4はP形ベース領域、26および28はN+形エミッタ
領域、30はオンゲ−ト、32は陽極、34は陰極、3
6はP+形領領域38はMOSターンオフ構造、40は
オフゲート、42は絶縁層、44はP影領域、そして4
6は分布電流路を表わす。 特許出願人

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、導電形が交互に配置されるようにして順次に接合さ
    れた第1、第2、第3および第4の領域並びに前記第1
    および第4の領域にそれぞれ接続された第1および第2
    の電極を有する半導体材料の基板を含んだサイリスタに
    おいて、(a)前記基板中に形成されかつ前記第2の電
    極とオーム接触を成す、前記第1の領域と同じ導電形の
    第5の領域および(b)前記第3の領域から前記第5の
    領域へ多数キャリヤを輸送するための第1の常時オン形
    MO8手段が追加包含されることを特徴とするサイリス
    タ。 2、 前記第1の常時オン形MO8手段が(a)前記基
    板中に形成されかつ前記第3の領域と前記第5の領域と
    の間の接続手段を成す、前記第5の領域と同じ導電形の
    第6の領域および(b)前記第6の領域の上方に位置し
    かつ絶縁層によって前記基板から隔離された制御電極を
    含む特許請求の範囲第1項記載のサイリスタ。 3、 前記第1の領域の導電形がP形である特許請求の
    範囲第2項記載のサイリスタ。 4、 前記半導体材料がシリコンである特許請求の範囲
    第3項記載のサイリスタ。 5、 前記制御電極が導電性耐熱材料から成る特許請求
    の範囲第2項記載のサイリスタ。 6、 前記制御電極が高濃度のドーパントを添加したポ
    リシリコンから成る特許請求の範囲第2項記載のサイリ
    スタ。 7、 前記基板がウェーハから成りかつ前記第1、第2
    、第3および第4の領域が前記ウェーへの主面に平行な
    それぞれの層から成る特許請求の範囲第4項記載のサイ
    リスタ。 8、 前記第6の領域がイオン注入領域から成る特許請
    求の範囲第5項記載のサイリスタ。 9、   (a)前記基板中に形成されかつ前記第1の
    電極とオーム接触を成す、前記第1の領域と反対の導電
    形の第7の領域および(b)前記第2の領域から前記第
    7の領域へ多数キャリヤを輸送するための第2の常時オ
    ン形MO8手段が追カロ包含される特許請求の範囲第1
    項記載のサイ舊ノスタ。 10、  前記第2の常時オン形MO8手段が< a−
    >前記基板中に形成されかつ前記第2の領域と前工己第
    7の領域との間の接続手段を成す、前z己第1の領域と
    反対の導電形の第8の領域および(b ) nn記第8
    の領域の上方に位置しかつ絶縁層によって前記基板から
    隔離された制御電極を含む特許請求の範囲第9項記載の
    サイリスタ。
JP18322783A 1982-10-04 1983-10-03 タ−ンオフ能力を有するサイリスタ Pending JPS5989465A (ja)

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