KR20030057490A - 사분원 ｑ4 및 ｑ1에 응답하는 2방향성 정지 스위치 - Google Patents

사분원 ｑ4 및 ｑ1에 응답하는 2방향성 정지 스위치 Download PDF

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Abstract

N-형 반도체 기판에 형성된 모놀리식 2방향성 스위치는, 제1 영역에, 제2 수직 사이리스터에 인접한 제1 수직 사이리스터와; 제1 영역으로부터 떨어진 전방 표면 측에 배열되고 N-형 구역이 형성된 P-형 웰을 포함한 트리거링 영역(triggering area)과; 후방 표면을 피복하는 제1 금속 피막과; 상기 제1 및 제2 사이리스터의 전방 표면 층 위의 제2 금속 피막과; 상기 웰(well) 위의 제3 게이트 금속 피막과; 후방 표면 측부에, 트리거링 영역 아래에 연장하는 추가 P-형 구역 및 이러한 추가 영역과 제1 금속 피막 사이에 삽입된 절연층과; 상기 구역 위의 제4 금속 피막을 포함한다.

Description

사분원 Ｑ4 및 Ｑ1에 응답하는 2방향성 정지 스위치{BIDIRECTIONAL STATIC SWITCH RESPONSIVE IN QUADRANTS Q4 AND Q1}
본 발명은 미디엄-파워(mediun-power) 2방향성 스위치의 모놀리식 형태의 제조에 관한 것이다.
대부분 전류 정지 2방향성 스위치는 트라이액(triac)이다. 트라이액은 두 개의 사이리스터(thyristor)의 역병렬(antiparallel) 접속과 일치한다. 따라서 이는 A.C. 네트웍, 예를 들면 본선에 직접 연결될 수 있다. 종래 트라이액의 게이트는 그를 형성하는 두 개의 사이리스터 중 적어도 하나의 음극 게이트와 일치하고 트라이액의 후방 표면이 고전압에서 절연 문제를 가지고 있는 라디에이터에 전류적으로 연결되는 동안 상기 트라이액의 전면 측, 즉 게이트 터미널을 포함한 표면에 설치된 전극으로 참조된다.
유럽 특허 명세서 EP-A-0817277은, 구성 요소의 전방 표면에 설치된 제어 전극과 구성요소의 반대 표면 또는 후방 표면에 설치된 주요 전극의 전압의 전극과의 사이에 전압을 인가함으로써 확보되는 트리거링(triggering)이 접지될 수 있는 전체 후방 표면을 피복하는 금속으로 형성되어 있는 새로운 형태의 2방향성 스위치를 개시하고 있다.
유럽 특허 명세서 EP-A-1076355는 사분원 Q3 및 Q2에서, 즉, 게이트가 후방 표면 전극에 관계하여 음전기 제어 전압을 수용하기 쉬울 때, 제어하기 위해 비교적 높은 응답을 얻을 수 있는 상기 스위치의 개선을 개시하고 있다.
본 발명의 목적은 사분원 Q4 및 Q1에서, 즉, 게이트가 일반적으로 접지된 후방 표면 전극에 관하여 양전기 제어 전압을 수용하기 쉽고 전방 표면 전극이 후방 표면 전극에 관하여 각각 음전기 및 양전기일 때 제어를 위한 비교적 높은 응답을 얻을 수 있는 유럽 특허 명세서 EP-A-0817277의 구성요소를 개선하기 위한 것이다.
상기 및 다른 목적을 성취하기 위해, 본 발명은 전방 표면과 후방 표면을 구비한 제1 전도성 형태의 반도체 기판에 형성된 모놀리식 2방향성 스위치로서,
제1 영역에, 제2 전도성 형태의 후방 표면 층을 구비하고 제1 전도성 형태의 후방 표면 층을 갖춘 제2 주요 수직 사이리스터에 인접하는 제1 주요 수직 사이리스터를 포함한 모놀리식 2방향성 스위치와; 제1 영역으로부터 떨어진 전방 표면 측에 배열되고 제1 전도성 형태의 구역에 형성된 제2 전도성 형태의 웰(well)을 포함한 트리거링 영역(triggering area)과; 후방 표면을 피복하는 제1 주요 전극 금속 피막과; 상기 제1 및 제2 사이리스터의 전방 표면 층 위의 제2 주요 전극 금속 피막과; 상기 웰 위의 제3 게이트 금속 피막과; 후방 표면 측부 위에, 트리거링 영역 아래와 부분적으로 제1 영역 아래로 연장하는 제2 전도성 형태의 추가 구역 및 이러한 추가 구역과 제1 후방 표면 금속 피막 사이에 삽입된 절연 층과; 상기 구역 위의 제4 금속 피막을 포함하는 모놀리식 2방향성 스위치를 제공하였다.
본 발명의 실시예에 따라서, 2방향성 스위치는 후방 표면에서 전방 표면까지 연장하는 제2 전도성 형태의 주변 벽부를 포함하다.
본 발명의 실시예에 따라서, 작동시, 제4 금속 피막은 후방 표면 금속 피막의 전압에 연결된다.
본 발명의 실시예에 따라서, 상기 웰은 상부에서 제1 영역을 애워싸고, 상기 영역은 제1 사이리스터의 측부 위에 제1 영역의 단지 일측으로만 연장한다.
본 발명의 실시예에 따라서, 제1 영역의 주변에는 구성 요소의 소정 절연파괴 전압을 견디기 위해 기판의 충분히 넓은 영역에 의해 구조체의 레스트(rest)로부터 분리된 제2 전도성 형태의 약간의 불순물이 첨가된 층이 배열되어 있고, 이러한 충분히 넓은 영역은 스톱-체널(stop-channel) 링에 의해 두 부분으로 분할된다.
전술한, 본 발명의 목적, 형태 및 장점은 첨부된 도면들과 관련하여 특정 실시예에 대한 다음의 제한되지 않은 설명을 통해서 상세히 설명되었다.
도 1은 본 발명의 양상에 따른 2방향성 스위치의 실시예에 대한 간략한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 2방향성 스위치의 실시예에 대한 간략한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 2방향성 스위치의 턴-온 전류의 특징을 설명하고 있는 그래프이다.
** 도면의 주요부분에 대한 상세한 설명 **
1: 반도체 기판 2: P-형 웰
3: N-형 층 5: P-형 층
6: N-형 구역 8, 15: P-형 링
9: N-형 링 11: 웰(well)
12: 구역 13: 벽
20: 추가 구역 21: 절연 층
23: 통로 25: N-형 불순물 층
Th1, Th2: 사이리스터 M1, M2, M3, M4: 금속 피막
명백함을 위해서, 동일 요소들은 다른 도면에서 동일 도면 부호로 인용되었다. 또한, 여느 때처럼 집적 회로를 표시하는데 있어서, 도 1 및 도 2는 동등한 비율로 도시되지 않았다.
도 1은 본 발명에 따른 모놀리식 2방향성 스위치의 실시예에 대한 간략한 단면도이다. 구성 요소는 예를 들면 300 내지 1000 볼트의 고절연파괴 전압을 가질 수 있는 미디엄-파워 변환 구조체를 포함한다. 도 1에 도시된 것과는 대조적으로, 명백함을 위해서, 이러한 변환 구조체는 역병렬인 두 개의 사이리스터(Th1, Th2)를 포함한다. 구성 요소는 N-형 반도체 기판(1)에 형성된다. N-형 구역(3)이 형성된 P-형 웰(2)이 전방 표면측 위에 형성된다. 적어도 층(3)에 의해 점유되지 않은 벽부(2)와 마주하는 N-형 구역(6)이 형성된 P-형 층(5)이 후방 표면측 위에 형성된다. 사이리스터(Th1)는 구역 및 층(5-1-2-3)과 일치하고 후방 표면측에 그의 양극을 구비한다. 제2 사이리스터(Th2)는 영역 및 층(6-5-1-2)으로 형성되고 전방 표면측에 그의 양극을 구비한다.
전방 표면측에는, 변환 구조체(Th1, Th2)가 절연파괴 전압을 결정하도록 의도된 주변 구역으로 애워싸인다. 예를 들면, 이러한 주변 구역은 N-형 스톱 체널 링(9)이 형성된 중간부에 있는 N 기판의 구역에 의해 다른 구조체 요소로부터 측면으로 분리된 벽(2)의 주변에 약간의 불순물이 첨가된 P-형 링(8)을 포함한다.
트리거링 구조체는 N+-형 구역(12)이 형성된 P-형 웰(11)로 형성된다. 구성 요소 주변부는 후방 표면에서 전방 표면까지 연장한 P-형 웰(13)에 의해 범위가 정해져 있다. 도면의 우측에서 벽(13)의 한계를 형성하고 도면의 좌측에서 P-형 웰 (11)의 한계를 형성하는 P-형 링(15)은 스위치 부의 절연파괴 전압을 개선하기 위해 도시되었다. 웰(11)은 전압을 유지하기 위한 충분한 거리로 벽(13)으로부터 떨어져 있다. 도시되지 않은 다른 방법으로서, 와류 트리거링을 피하고 측면 사이리스터(2-1-11-12)를 줄이기 위해서, 레지스터가 웰(11)과 벽(13) 사이에 제공되었다. 예를 들면 이러한 레지스터는 웰(11)과 벽(13) 사이에 약간의 불순물이 첨가된 P-형 구역(P-)에 의해 형성될 수 있다.
구성 요소의 전체 후방 표면은 종래와 같이 미디엄 파워 혹은 파워 구성 요소의 분야에서 금속 피막 M1으로 코팅되었다. 금속 피막 M2는 사이리스터(Th2)의 양극과 사이리스터(Th1)의 음극을 피복한다. 게이트 터미널(G)에 연결된 게이트 금속 피막 M3는 P 웰(11) 위에 형성되고 금속 피막 M4는 N+구역(12)에 형성된다. 바람직하게, 링 형상 금속 피막 M5는 링 형상 구역(9)을 코팅하고 링 형상 금속 피막 M6은 벽(13)의 주변을 코팅한다. 금속 피막 M5 및 M6은 외부 터미널에 연결되지 않고 단지 기초를 이루는 불순물이 첨가된 구역의 등전위성을 확보하도록 의도되어진다.
본 발명에 따른 2방향성 스위치는 금속 피막 M1과 같이 금속 피막 M4가 접지되는 동안 게이트 터미널(G)의 양전압으로 설정함으로써 트리거되도록 의도되어진다. 이러한 트리거링 모드는 본 발명의 일 형태이다.
사분원 Q4에서, 즉, 금속 피막 M2가 접지된 금속 피막 M1에 관계하여 음전기를 일으킬 때, 그리고 양전압이 게이트 터미널에 적용될 때, 게이트 전류는 전방으로 편의(偏倚)된 P웰(11)과 N+게이트 구역(12) 사이의 결합부를 관통하여 흐른다. 그 다음에 전자는 확산에 의해 기판으로 도입되고 최고 양전압 상태에 있는 게이트 금속 피막(G)으로 되돌아온다. 게이트(G)의 구역(11)으로부터 정공들은 기판으로 도입된다. 그 다음에 이러한 정공들은 구조체에 존재하는 최고 음전위에 의해 끌어당겨진다. 최고 음전위는 금속 피막 M2 위의 전위이다. 따라서, 정공(화살표 18)은 N-형 기판(1)과 P-형 웰(2) 사이의 결합을 방해하지 않은 경향이 있고 사이리스터 (Th1)가 켜지기 쉽다.
그러나, 접지된 금속 피막 M1에 게이트 구역 전위보다 더욱 음전기가 제공되면, 정공의 일부(화살표 19)는 그들이 재결합하고 이러한 정공들이 트리거링을 위해 소실되는 수준에서 상기의 금속 피막을 지향할 것이다. 결과적으로, 상당한 게이트 전류가 사이리스터를 트리거할 수 있도록 제공되어야 한다.
사이리스터(Th1)(화살표 18)의 트리거링 영역에 도달하기 위해 정공들에 의해 수반된 통로는 충분한 절연파괴 전압을 확보하기 위해서 자유 영역(free area)이 실제 변환 구조체의 주변에 제공되어야 한다면 비교적 길다. 따라서, 전술된 유럽 특허 명세서 제1,076,365호에 유사하게 개시된 트리거링 영역의 전방의 후방 표면측에 N+구역(미도시)이 존재하는 경우, 이는 40 밀리암페어 이상의 게이트 전류가 사분원 Q4에서 트리거 사이리스터(Th1)에 필요한 것으로 인지되었다.
도 2에 도시한 바와 같이, 트리거링 민감도를 개선하기 위해서, 본 발명은 도 1에 설명된 특정 트리거링 구조체에 추가하여, 절연 층(21), 바람직하게는 산화물 층에 의해 금속 피막 M1으로부터 절연된 대량으로 불순물이 첨가된 P-형 구역 (20)을 트리거링 영역 아래에 배열하여 제공한다. 그러한 구조체에 의하면, 트리거하자마자, 상술된 정공들은 점선으로 도시된 통로(23)를 따르고 대량으로 불순물이 첨가된 P-형 층(20)에서 재결합 없이 실질적으로 전파한다. 효율적인 층(20)을 위해서, 트리거링 영역 아래에, 즉 웰(11) 아래에 존재해야할 뿐만 아니라 실제 변환 구조체에 상응한 영역 아래에 부분적으로 침입해야 한다. P-형 링(8)의 외부의 돌출부와 실제 변환 구조체 아래의 P 구역(20) 한계의 돌출부 사이의 거리는 도 2에서 참조 부호 d1으로 지시되었다. 특히 거리 d1은 링(8)의 폭을 포함한다.
도 3은 그의 음극이 음전기적으로 편의될 때 사이리스터(Th1)의 트리거링 전류 igt4의 값을 거리 d1의 값에 따라서 보이고 있다. 이는 거리 d1이 매우 작을 때, 게이트 전류가 미리 지시된 바와 같은 대략 40mA에 도달할 수 있는 높은 값을 가진다. 거리 d1이 링(8)의 폭보다 크게되자마자, 트리거링 전류는 감소하고 그 다음에 값 d1이 실질적으로 일정하게 유지되도록 하기 위해 대략 200㎛일 때 실질적으로 최소에 도달한다. 그 다음에 트리거링 전류의 값은 완전히 수용가능한 10mA와 비슷하다.
도 2에는 절연벽의 외주부에 측면 금속 피막 영역(40)을 구비하고 있는 것을 보이고 있다. 이러한 영역은 가능한 한 위킹(wicking)과 일치한다. 이는 설명된 경우에서, 상기 위킹이 회로 작동시 발생하지 않은 것으로 주목되었다. 이는 본 발명에 따른 구조체에 대한 또 하나의 장점이다.
물론, 본 발명에 따른 구성요소는 사분원 Q1에서 제어될 때, 즉, 게이트 전류가 여전히 양전기를 유지하는 동안 주요 금속 피막 M2가 주요 금속 피막 M1에 관계하여 양전기적으로 편의될 때 만족스럽게 작동해야 한다. 이러한 경우에서는, N+구역 (12)에서 기판으로 확산된 전자가 고려되어진다. 이러한 전자는 N-형 층(3)과 웰(2) 사이의 블로킹 결합부를 턴 온(turn on)하기 위해 N-형 기판을 관통해서 양전기 금속 피막 M2를 향하여 용이하게 전파한다. 절연된 P+구역(20)의 출현은 트리거링 모드의 작동시 발생하지 않고, 이러한 경우에서 상대적으로 2차 회로가 금속 M1의 측부의 재결합을 피하는 장점을 제공한다.
이는 그의 작동을 최적화하기 위한 본 발명에 따른 구조체에 대한 다양한 개선책을 가져오는 기술을 통해서 기술된 것들의 능력 범위 내에 있다. 예를 들면, 게이트 접촉부(M3)는 바람직하게 가능한 한 파워 영역에 가깝게 놓여진다. 일례로서, 만약 도 2에서 게이트 접촉부가 금속 피막인 M4 아래에 놓여지고 금속 피막이 아닌 M3 아래에 놓이지 않는다면, 10mA 정도의 트리거링 전류로부터 25mA 정도의 트리거링 전류로 변환된다. 실제, 이 경우에서, 절연 벽에서 소실된 정공의 양은 절연 후방 층(20)으로 지향된 것과 비교하여 더 이상 무시할 수없다.
한편, 사분원에서 사이리스터(Th1)의 트리거링을 쉽게하기 위해서는, N+-형 구역(3) 아래의 P-형 웰(2)의 저항을 비교적 높게 되도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
절연파괴 전압을 확보하기 위해서, P-형 절연 층(20)과 한편으로는 벽(13)과 다른 한편으로는 P층(5)과의 사이에 충분한 거리가 제공되어야 한다. N-형 불순물 층(25)은 바람직하게 P-형 불순물 층(5) 내에 파워 구성 요소의 측부의 절연 층 (21)의 한계로 제공된다. 이는 상기 P층을 통해서 금속 피막 M1으로 끌어당길 구멍의 일부를 위해 피한다.
웰(11)은 전체 파워 영역을 애워싸는 게이트 금속 피막 M3로 피복된 링으로 연장할 수 있다.
물론, 본 발명은 상기 기술을 통해서 기술된 것들로 용이하게 발생하는 다양한 변경, 변화 및 개선을 가질 수 있다. 특히, 본 발명은 스위치 네트웍의 구조체를 형성하는 모놀리식의 임의의 형태에 적용한다. 또한, 모든 전도성 형태는 역전될 수 있고, 그 다음에 바이어싱은 적절히 변경될 수 있다. 또한, 사이리스터 민감도를 개선하기 위해, 이미터 단락(短絡) 정공들은 보통 사이리스터(Th1)의 음극에 일치하는 N+구역(3)에 제공된다.
상기 변경, 변화 및 개선은 본 발명의 일부가 되도록 의도되어졌고, 본 발명의 범위 및 범주 내에 있도록 의도되어졌다. 따라서, 전술된 설명은 일례의 방법으로 그리고 다음의 특허청구범위에서 한정되었고 동등함이 제한되도록 의도되지 않았다. 게다가, 본 발명이 한정되었다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 모놀리식 2방향성 스위치는 사분원 Q4 및 Q1에서, 즉, 게이트가 일반적으로 접지된 후방 표면 전극에 관계하여 양전기 제어 전압을 수용하기 쉽고 전방 표면 전극이 후방 표면 전극에 관하여 각각 음전기 및 양전기일 때 제어를 위한 비교적 높은 응답을 얻을 수 있었다.

Claims (5)

  1. 전방 표면과 후방 표면을 구비한 제1 전도성 형태의 반도체 기판(1) 내에 형성된 모놀리식 2방향성 스위치로서,
    제1 영역에, 제1 전도성 형태의 후방 표면 층(5)을 구비한 제2 주요 수직 사이리스터(Th2)에 인접하고 제2 전도성 형태의 후방 표면 층(5)을 구비한 제1 주요 수직 사이리스터(Th1)와; 제1 영역으로부터 떨어진 전방 표면 측에 배열되고 제1 전도성 형태의 구역(12)이 형성된 제2 전도성 형태의 웰(well)(11)을 트리거링이 포함하고 있는 트리거링 영역(triggering area)과; 후방 표면을 피복하는 제1 주요 전극 금속 피막(M1)과; 상기 제1 및 제2 사이리스터의 전방 표면 층의 제2 주요 전극 금속 피막(M2)과; 상기 웰(11) 위의 제3 게이트 금속 피막(M3)과; 후방 표면 측부에, 트리거링 영역 아래와 부분적으로 제1 영역 아래에 연장하고 제1 및 제2 사이리스터의 후방 표면 층으로부터 분리된 제2 전도성 형태의 추가 구역(20)과 상기 추가 구역과 제1 후방 표면 금속 피막(M1) 사이에 삽입된 절연층(21)과; 상기 구역 (12) 위의 제4 금속 피막(M4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 2방향성 스위치.
  2. 제1항에 있어서, 후방 표면에서 전방 표면까지 연장한 제2 전도성 형태의 주변 벽(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 2방향성 스위치.
  3. 제1항에 있어서, 작동시, 제4 금속 피막(M4)은 후방 표면 금속 피막(M1)의 전압에 연결되는 것을 특징으로 하는 모놀리식 2방향성 스위치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 웰(11)은 상부에서 제1 영역을 애워싸고, 상기 구역 (12)은 제1 사이리스터(Th1)의 측부의 제1 영역의 단지 일측에만 연장하는 것을 특징으로 하는 모놀리식 2방향성 스위치.
  5. 제3항에 있어서, 제1 영역의 주변부에는 구성요소의 소정 절연파괴 전압을 견디기 위해 기판의 충분히 넓은 영역에 의해 구조체의 레스트(rest)로부터 분리된 제2 전도성 형태의 약간의 불순물이 첨가된 층(6)이 배열되고, 상기 충분히 넓은 영역은 스톱-체널(stop-channel) 링(9)에 의해 두 부분으로 분할되는 것을 특징으로 하는 모놀리식 2방향성 스위치.
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