DE3521079A1

DE3521079A1 - Rueckwaerts leitende vollsteuergate-thyristoranordnung

Info

Publication number: DE3521079A1
Application number: DE19853521079
Authority: DE
Inventors: Masayuki Miura Kanagawa Asaka; Tsuneo Kamakura Kanagawa Ogura; Hiromichi Yokohama Ohashi; Takashi Kawasaki Shinohe; Katsuhiko Takigami
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-06-12
Filing date: 1985-06-12
Publication date: 1985-12-12
Also published as: US4791470A; DE3521079C2

Description

Henkel, Feiler, Hänzel & Partner

KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA Kawasaki, Japan

•Patentanwälte

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Tel 089/9820SS-87 Telex. 529302 hr^d Telefax (G^r 2-3:-
089/98 U 26
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EAM-60P198-2

Rückwärts leitende Vollsteuergate-Thyristoranordnung

Die Erfindung betrifft eine Elektrodenausbildung einer rückwärts leitenden GTO- bzw. Vollsteuergate-Thyristor-Anordnung, bei der ein GTO bzw. Vollsteuergate-Thyristor und eine rückwärts leitende Diode materialeinheitlich im gleichen Halbleiterplättchen ausgebildet sind.

Bei einer rückwärts leitenden GTO-Anordnung sind ein Vollsteuergate-Thyristor und eine Diode, die einen Strom entgegengesetzt zu einem Durchlaßstrom dieses Thyristors fließen läßt, nämlich ein Vollsteuergate-Thyristor und eine rückwärts leitende Diode für Rückwärtsleitung des ersteren, materialeinheitlich in einem antiparallelen Verbindungszustand ausgebildet. Eine derartige Anordnung ist z.B. in JP-OS 51-38985 und anderen Veröffentlichungen beschrieben. Ein typisches Beispiel des Aufbaus einer solchen Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt.

Ein Vollsteuergate-Thyristor- oder GTO-Abschnitt a weist einen Vierschichtaufbau aus einer ersten ρ -Typ-Emitterschicht 11, einer ersten n-Typ-Basisschicht 12, einer zweiten p-Typ-Basisschicht 13 und einer zweiten η —Typ-Emitterschicht 14 auf. Die zweite Emitterschicht 14 ist in mehrere Teile unterteilt. Ein rückwärts leitender Diodenabschnitt b umfaßt eine Anodenschicht 13' aus der mit der zweiten Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a gemeinsamen p-Schicht, eine der ersten Basisschicht 12 im GTO-Abschnitt a gemeinsame n-Schicht 12' und eine η -Kathodenschicht 15. Eine Anodenelektrode 18 dient gleichzeitig als Anodenelektrode des GTO-Abschnitts a und als Kathodenelektrode des Diodenabschnitts b und ist für die erste Emitterschicht 11 im GTO-Abschnitt a und für die η -Kathodenschicht 15 im Diodenabschnitt b gemeinsam vorgesehen. Auf jedem Segmentteil der zweiten Emitterschicht 14

ist je eine Kathodenelektrode 16 vorgesehen. Eine Gate-Elektrode 17 ist auf der zweiten Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a angeordnet. Auf der Anodenschicht 13' im Diodenabschnitt b ist eine Anodenelektrode 19 vorgesehen. Letztere und die Kathodenelektrode 16 sind elektrisch verbunden, und sie liegen am selben Potential. Zwischen dem GTO-Abschnitt a und dem Diodenabschnitt b befindet sich eine Trennzone c zur Verhinderung einer gegenseitigen Störung zwischen diesen beiden Abschnitten a und b. In der Trennzone c ist eine η -Schicht 20 ausgebildet, welche die zweite Basisschicht 13 und die Anodenschicht 13' praktisch voneinander trennt. Praktisch gesehen, ist die η -Schicht 2 0 vorgesehen, um einen Kurzschluß sowohl der Gate-Elektrode 17 als auch der Kathodenelektrode 16 im GTO-Abschnitt a über die Anodenschicht 13' im Diodenabschnitt b zu verhindern, wenn eine negative Vorspannung anliegt. Es ist auch möglich, anstelle der η -Schicht 20 in der Trennzone c eine die zweite Basisschicht 13 und die Anodenschicht 13' praktisch voneinander trennende Nut oder Rille auszubilden. Die Kathodenelektrode 16, die Gate-Elektrode 17 und die Anodenelektrode 18 sind zur Verbindung mit der Außenseite (zur Herausführung) jeweils an einen Kathodenanschluß K, einen Gateanschluß G bzw. einen Anodenanschluß A angeschlossen.

Eine solche rückwärts leitende GTO-Anordnung wird z.B.

als Hauptschaltelement in einem Wechselrichter zur Umwandlung eines Gleichstroms in einen Wechselstrom o.dgl. eingesetzt. Bei beispielsweise einem GTO-· Wechselrichter, bei dem die Ausgangsleistung einer induktiven Last, z.B. einem Induktionsmotor, zugeführt wird, ist üblicherweise eine Diode in Antiparallelschaltung zum Vollsteuergate-Thyristor (GTO) angeordnet. Die rückwärts leitende GTO-Anordnung ist

als ein solches Hauptschaltelement für einen Wechselrichter optimal. Wechselrichter erzeugen elektrischen Wechselstrom vor (in front of) einer Rechteckwellen-Impulsreihe, die durch Umschalten der Gleichstromquelle erhalten wird, und werden z.B. als Antriebsoder Ansteuerstromquelle für einen als Antriebskraftquelle eines Elektrowagens dienenden Induktionsmotor benutzt. Um bei einem solchen Wechselrichter eine gute Wechselspannungswellenform mit weniger unerwünschten harmonischen Komponenten und weniger Stromverlust zu erzielen, müssen mehrere komplizierte Rechteckwellenimpulse miteinander kombiniert werden. Aus diesem Grund ist das Schalten des Hauptschaltelements des Wechselrichters ziemlich kompliziert; insbesondere bei einem Mehrphasen-Wechselrichter, wie einem Dreiphasen-Wechselrichter o.dgl. zur Lieferung eines Mehrphasen-Wechselstroms gestaltet sich das Schalten des Hauptschaltelements äußerst kompliziert. Wenn zudem beim Mehrphasen-Wechselrichter eine Ausgangsleistung einer induktiven Last, wie einem Transformator, zum Zusammensetzen einer Ausgangsleistung eines Induktionsmotors zugeführt wird, sind die an das Hauptschaltelement des Wechselrichters und an die in Antiparallel- schaltung dazu angeordnete Diode angelegten Spannungen und Ströme sehr kompliziert bzw. komplex.

Bei Anwendung der rückwärts leitenden GTO-Anordnung auf einen solchen Wechselrichter kann es vorkommen, daß eine positive Spannung an den GTO-Abschnitt beispielsweise nach dem durch den Diodenabschnitt fließenden Vorwärts- oder Durchlaßstrom in dem Zustand, in ■ welchem der GTO-Abschnitt sperrt, angelegt wird. In diesem Fall muß der Sperrzustand des GTO-Abschnitts erhalten bleiben, auch wenn an ihn die positive Spannung angelegt wird.

Fig. 2 veranschaulicht die Wellenformen einer an den GTO-Abschnitt angelegten Spannung V- und eines durch die Diode fließenden Stroms I_ für einen beispielhaften derartigen Fall.

Wie durch die ausgezogenen Linien in dieser graphischen Darstellung veranschaulicht, fließt der Durchlaßstrom I- durch den Diodenabschnitt, während sich der GTO-Abschnitt im Sperrzustand (off state) befindet; nach einer Zeitspanne ti wird die positive Spannung dem GTO-Abschnitt aufgeprägt, so daß sich die angelegte Spannung V- am GTO-Abschnitt erholt. Falls jedoch die Abfallgröße des Stroms I_D des Diodenabschnitts, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 2 angedeutet, groß ist, wird der GTO-Abschnitt nach der Zeit ti fehlerhaft gezündet bzw. durchgeschaltet, so daß seine Sperrfähigkeit nicht aufrechterhalten werden kann. Dies beruht darauf, daß die Überschuß(ladungs)träger im Diodenabschnitt als Triggerstrom für den GTO-Abschnitt wirken.

Während der Zeitspanne des Fließens des Diodenstroms I_ fließen nämlich positive Elektronenmangelstellen oder "Löcher" von der Anodenschicht 13" im Diodenabschnitt zur Kathodenschicht 15, während Elektronen von der Kathodenschicht 15 zur Anodenschicht 13' fließen. Gemäß Fig. 2 wird zum Zeitpunkt ti die Anoden-Kathodenspannung des GTO-Abschnitts entgegengesetzt zu derjenigen vor dem Zeitpunkt ti, und das Potential an der Anodenseite übersteigt dasjenige an der Kathodenseite. Zu diesem Zeitpunkt werden im. Diodenabschnitt b vorhandene Überschußelektronen von der Kathodenschicht 15 in den Diodenabschnitt abgeleitet, während die Überschuß-Elektronenmangelstellen von der Anodenschicht 13' abgeleitet werden. Die in den Bereich nahe der in der Trennzone c ausgebildeten n⁺-Schicht 20 und in den GTO-Abschnitt a überfließen-

den Überschuß(ladungs)träger werden jedoch nicht zum Diodenabschnitt b zurückgeleitet. Mit anderen Worten: die Überschußelektronen (excessive electrons) fließen durch die erste Emitterschicht 11 und treten aus der Anodenelektrode 18 aus, so daß die positiven Elektronenmangelstellen in einer Zahl entsprechend derjenigen dieser Überschußelektronen eintreten können. Die überschuß-Elektronenmangelstellen passieren einerseits die zweite Baisschicht 13, die Gate-Elektrode 17 nahe der Trennzone c und einen nicht dargestellten, zwischen Gate und Kathode geschalteten Widerstand R_GK» und sie werden dann zur Kathodenelektrode 16 abgeleitet. Im Normalfall ist der Widerstand R_GR zwischen Gate und Kathode an der Außenseite des Elements geschaltet, um das dv/dt-Aushaltevermögen des GTO-Abschnitts zu verbessern und die Vorwärts- oder Durchlaß-Aushalte- bzw.-Stehspannung zu erhöhen. Demzufolge werden der mit der Erholung der Spannung des GTO-Ab-Schnitts verbundene Verschiebungsstrom und der Strom aufgrund des Abfließens (drain) der Überschuß-Elektronenmangel stellen einander addiert, und der resultierende addierte oder Summenstrom fließt über den Widerstand R_,„ . Wenn der Spannungsabfall aufgrund des Stromflusses über den Widerstand R_GK die Mindest-Gate-Triggerspannung entsprechend dem eingebauten oder Eigen-Potential der Sperrschicht aus der zweiten Basisschicht 13 und der zweiten Emitterschicht 14 übersteigt, fließen die positiven Elektronenmangel-

QQ stellen von der zweiten Basisschicht 13 über die zweite Emitterschicht 14, und sie treten in die Kathodenelektrode 16 ein, so daß die Elektronen in. einer Zahl entsprechend derjenigen dieser Elektronenmangel stellen von der zweiten Emitterschicht 14 in

gg die zweite Basisschicht 13 eintreten können. Infolge der vorstehend beschriebenen Operation wird der Vollsteuergate-Thyristor fehlerhaft oder irrtümlich durch-

AO
ι

geschaltet. Dieses Fehldurchschalten kann leicht auftreten, wenn der Verkleinerungsgrad dl_/dt des Diodenstroms I_ß groß wird. Dies beruht darauf, daß dann, wenn der Verkleinerungsfaktor dl_ /dt des Diodenstroms I_D groß wird, die Restmenge der (im Diodenabschnitt

b und in der Trennzone c zurückbleibenden) Überschußladungsträger zunimmt und insbesondere die Restmenge der Elektronenmangelstellen (deren Mobilität geringer ,Q ist als diejenige der Elektronen) ansteigt.

Zur Vermeidung eines solchen Problems wird allgemein die Breite der Trennzone c groß gewählt, um zu verhindern, daß die Überschußträger im Diodenabschnitt

, _ b einen Einfluß auf den GTO-Abschnitt a ausüben. Da

jedoch die Trennzone c vollständig als Totraum bezüglich der Operationen und Punktionen von GOT-Abschnitt und Diodenabschnitt selbst wirkt, werden die effektiven (substantial) Flächen von GTO-Abschnitt und Diodenabschnitt klein, wenn die Breite der Trennzone c groß 20

eingestellt wird. Hierdurch werden infolgedessen Probleme dahingehend aufgeworfen, daß eine ausreichend große Strombelastbarkeit nicht gewährleistet werden kann, die Durchlaßzustands-Spannung groß wird und dgl..

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer rückwärts leitenden GTO-Anordnung, bei welcher aufgrund einer wirksamen Nutzung der Trennzone die effektiven oder aktiven (substantial) Flächen von

GTO-Abschnitt und Diodenabschnitt groß sind und dabei 30

eine vergleichsweise große Strombelastbarkeit und eine kleine Durchlaßzustands-Spannung erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die im beigefügten Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei einer rückwärts leitenden GTO-Anordnung gemäß der Erfindung ist beispielsweise die Anordnung so ge-

troffen, daß eine Gate-Elektrode o.dgl., die bei bisherigen ähnlichen Anordnungen nicht in der Trennzone angeordnet ist, hierbei auf der Trennzone angeordnet ist, so daß vergleichsweise große Flächen von GTO-Abschnitt und Diodenabschnitt erhalten werden.

Um bei einem Vollsteuergate-Thyristor (GTO) einen guten Abschalt- oder Sperrausgleich in den jeweiligen Kathodenabschnitten, die in mehrere Teile unterteilt sind und parallel miteinander betätigt werden, zu erreichen und damit den Spitzen-Sperrstrom zu erhöhen (nämlich die maximale Größe des Anodenstroms, der abgeschaltet oder gesperrt werden kann), ist es im allgemeinen unvermeidlich, den Widerstand der Gate-Elektrode zu verringern, um den Gate-Strom effektiv herauszuführen (to take out). Beim bisherigen Vollsteuergate-Thyristor beträgt daher die Fläche des Kathodenabschnitts, die als Durchlaßbereich für den Anodenstrom dient, lediglich 25 - 35% der Gesamtfläche dieses Thyristors. Erfindungsgemäß wird dagegen eine größere effektive Fläche erzielt, weil ein Teil des Gate-Elektrodenabschnitts, der 60 - 70% der Fläche des Vollsteuergate-Thyristors einnimmt, typischerweise die großen Abschnitte oder Bereiche, in denen die Gate-Zuleitungen und das druckverbundene Gate mit der Gate-Elektrode in Kontakt gelangen, in der Trennzone der rückwärts leitenden GTO-Anordnung angeordnet sein können, so daß damit ein neuer Kathodenabschnitt in dem Bereich geschaffen werden kann, der bei der bisherigen GTO-Anordnung als Gate-Elektrode benutzt wird. Mit einer solchen Ausgestaltung können die Erhöhung, der Strombelastbarkeit des GTO-Abschnitts und die Verkleinerung der Durchlaßspannung in der rückwärts leitenden GTO-Anordnung realisiert werden.

Eine Berechnung für eine rückwärts leitende GTO-Anordnung mit einem Durchmesser von 60 mm bei (einer

Al

Strombelastbarkeit) einer Größenordnung von 1000 A hat ergeben, daß die Kathodenfläche im Vergleich zu derjenigen bei der bisherigen Anordnung um 20% vergrößert werden kann. Bei gleicher Plättchengröße läßt sich mithin eine rückwärts leitende GTO-Anordnung (einer Strombelastbarkeit) in der Größenordnung von 1200 A herstellen.

Da zudem erfindungsgemäß die Gate-Elektrode und dgl. auf der Trennzone angeordnet sind, die eine ziemlich große Fläche benötigt, können die Kontaktflächen der Zuleitungen und dgl. für die Verbindung mit der Außenseite (zur Herausführung) wesentlich größer ausgebildet werden als bei einer bisherigen GTO-Anordnung. Beim Einschließen der erfindungsgemäßen rückwärts leitenden GTO-Anordnung in die Kapsel steht mithin ein größerer Freiheitsgrad bei der Auslegung der kathodenseitigen Elektrode zur Verfügung, und der Zusammenbau wird erleichtert.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine (in vergrößertem Maßstab) gehaltene schematische Schnittdarstellung eines Beispiels für den grundsätzlichen Aufbau einer rückwärts leitenden GTO-Anordnung,

Fig. 2 ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung des Fehldurchschaltens der rückwärts leitenden. GTO-Anordnung,

Fig. 3 eine (in vergrößertem Maßstab gehaltene)

schematische Schnittansicht des Aufbaus einer rückwärts leitenden Vollsteuergate-

* 43

Thyristor- oder GTO-Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung einer

dritten Ausführungsform der Erfindung, 10

Fig. 6 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Schnittansicht einer fünften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine Fig. 8 ähnelnde Darstellung einer

siebten Ausfuhrungsform der Erfindung,

Fig. 10 eine schematische Schnittansicht einer achten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 11 eine Fig. 10 ähnelnde Darstellung einer neunten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 12 eine Fig. 10 ähnelnde Darstellung einer . zehnten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 13 eine schematische Schnittansicht einer· elften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 14 eine Fig. 13 ähnelnde Darstellung einer

zwölften Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 15 eine schematische Aufsicht zur Darstellung der Anordnung von Elektroden bei einer dreizehnten Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 16 eine schematische Aufsicht zur Darstellung der Anordnung von Elektroden bei einer vierzehnten Ausführungsform der Erfindung.
10

Die Fig. 1 und 2 sind eingangs bereits erläutert worden.

Nachstehend sind anhand der Fig. 3 bis 16 bevorzugte Ausführungsformen einer rückwärts leitenden GTO-Anordnung gemäß der Erfindung beschrieben, wobei in den Fig. 3 bis 16 den Teilen von Fig. 1 entsprechende Teile mit denselben Bezugsziffern wie vorher bezeichnet sind.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen rückwärts leitenden GTO-Anordnung ist die Gate-Elektrode 17 in der Trennzone c angeordnet. Die Gate-Elektrode 17 erstreckt sich vom GTO-Abschnitt a zur Trennzone c und ist in diesem Bereich mit einer Gate-Zuleitung verbunden, die ihrerseits mit einem Gate-Anschluß (Klemme) G zur Verbindung mit der Außenseite verbunden ist. Die Trennzone c entspricht dem Bereich vom Ende des Diodenabschnitts b zu dem Abschnitt, in welchem die Gate-Elektrode 17 im GTO-Abschnitt a mit der zweiten Basisschicht 13 in Kontakt steht. Die Gate-Elektrode 17 ist durch, eine(n) Isolierschicht oder -film 21 elektrisch von der zweiten Basisschicht 13 und der η -Schicht 20 getrennt.

3* f

Fig. 4 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Erfindung auf einen rückwärts leitenden Vollsteuergate-Thyristor mit Gate-5 oder Steuerelektrode für Flächenzündung (nämlich auf ein Gebilde, bei dem ein zusätzlicher oder HilfsThyristor nahe dem Gate eines Haupt-Thyristors angeordnet ist und das Gate-Triggern des Haupt-Thyristors durch den Hilfs-Thyristor erfolgt) angewandt ist, wobei die Gate-Elektrode in eine Gate-Elektrode 17 für das Sperren und eine auf der Trennzone c angeordnete Gate-Elektrode 22 für das Durchschalten unterteilt ist. Insbesondere ist dabei die Isolierschicht 21 auf der zweiten Basisschicht 13 und der η -Schicht 20 in der Trennzone c ausgebildet, während die Gate-Elektrode 22 für das Durchschalten auf der Isolierschicht 21 angeordnet ist. Ein Teil der Durchschalt-Gate-Elektrode 22 steht mit der zweiten Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a in Kontakt. Die mit einem ersten Gate-Anschluß G, für das Durchschalten verbundene Gate-Zuleitung ist an die Gate-Elektrode 22 angeschlossen. Eine zweite Emitterschicht 24 eines Hilfs-Vollsteuergate-Thyristors oder -GTO ist im Bereich neben der Gate-Elektrode 22 im GTO-Abschnitt a ausgebildet. Auf der zweiten Emitter schicht 24 ist eine Hilfs-Gate-Elektrode 23 vorgesehen. Letztere steht sowohl mit der zweiten Basisschicht 13 als auch der zweiten Emitterschicht 24 des Hilfs-GTO in Kontakt, so daß sie diese beiden Schichten verbindet. Obgleich die Elektrode 23 wünschenswerterweise, wie dargestellt, mit der Gate-Elektrode 17 eines Haupt-GTO verbunden ist, sind Elektrode 23 und Gate-Elektrode 17 nicht, notwendigerweise direkt miteinander verbunden. Die Gate-Elektrode 17 ist an einen zweiten Gate-Anschluß G₂ für das Sperren angeschlossen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Gate-Elektrode 17 unmittelbar mit dem zweiten Sperr-Gate-Anschluß G-

verbunden; die Anordnung kann jedoch auch so getroffen sein, daß die Gate-Elektrode 17 mit dem zweiten Gate-Anschluß G, über eine Diode verbunden ist, die monolithisch neben der Gate-Elektrode 17 ausgebildet ist (ein Beispiel für eine monolithisch neben dem Gate ausgebildete Diode ist in Fig. 6 veranschaulicht).

Bei der dritten Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die Erfindung wiederum auf einen rückwärts leitenden Vollsteuergate-Thyristor angewandt, bei dem die Gate-Elektrode in eine Gate-Elektrode für das Sperren und eine Gate-Elektrode für das Durchschalten unterteilt ist und eine Ausbildung mit Steuerelektrode für Flächenzündung (amplifying gate structure) vorgesehen ist. Die Sperr-Gate-Elektrode 17 ist auf der Trennzone c angeordnet. Die Gate-Elektrode 17 ist so ausgebildet, daß sie jedes GTO-Element umschließt, das durch jedes Segment der zweiten Emitterschicht 14 definiert ist. Die Steuerelektrodenstruktur für Flächenzündung wird dadurch gebildet, daß die Hilfs-Gate-Elektrode 23 und die zweite Emitterschicht 24 in einem vom Bereich der Gate-Elektrode 17 verschiedenen Bereich im GTO-Abschnitt a ausgebildet ist.

Die vierte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 6 bezieht sich auf eine Anordnung, bei welcher die Erfindung auf einen rückwärts leitenden Vollsteuergate-Thyristor mit Steuerelektrodenausbildung für Flächenzündung angewandt ist. Eine Kathodenelektrode 25 der monolithisch ausgebildeten Hilfsdiode ist auf der Trennzone c ausgebildet. Bei der GTO-Anordnung, bei. welcher eine Steuerelektrodenausbildung für Flächenzündung angewandt wird, ist die Hilfsdiode im allgemeinen zwischen die Gate-Elektrode 17 (für das Sperren) des Haupt-GTO und die Gate-Elektrode 22 (für das Durchschalten) des Hilfs-GTO geschaltet, damit der

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Hilfs-GTO sicher abgeschaltet bzw. gesperrt werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist die Hilfsdiode monolithisch ausgebildet. In der Praxis ist eine als Kathodenschicht 26 der Hilfsdiode dienende η -Schicht in der zweiten Basisschicht 13 ausgebildet, und die Hilfsdiode wird durch die Kathodenschicht 26 und die zweite Basisschicht 13 geformt. Die mit der Kathodenschicht 26 verbundene Sperr-Elektrode 25 ist elektrisch mit der Durchschalt-Elektrode 22 und weiterhin mit dem Gate-Anschluß G für die Verbindung mit der Außenseite bzw. zur Herausführung verbunden. Eine η -Schicht 27 zur Verhinderung einer parasitären Thyristoroperation ist an der Anodenseite im Hilfs-Diodenabschnitt ausgebildet; zur weiteren Verhinderung der parasitären Transistoroperation ist weiterhin dieser Bereich selektiv und stark mit einem Lebensdauerunterdrücker dotiert. Damit bei einer rückwärts leitenden GTO-Anordnung Überschußladungsträger im Diodenabschnitt b aufgrund der Rekombination gelöscht oder unterdrückt werden können, bevor sie den GTO-Abschnitt a erreichen, kann lediglich die Trennzone c selektiv und stark mit dem Lebensdauerunterdrücker dotiert sein. Bei dieser Ausführungsform ist die Hilfsdiode monolithisch neben der Trennzone ausgebildet, woraus sich der Vorteil ergibt, daß die beiden oben genannten Dotierungsvorgänge gleichzeitig durchführbar sind.

Bei der in Fig. 7 dargestellten fünften Ausführungsform ist die Erfindung wiederum auf eine rückwärts leitende GTO-Anordnung mit Steuerelektrodenausbildung. für Flächenzündung angewandt. Die Kathodenelektrode 25 der monolithisch erzeugten Hilfsdiode ist auf der Trennzone c materialeinheitlich mit der Gate-Elektrode für das Durchschalten ausgebildet. Die im Hilfs-GTO erzeugte Elektrode 23 und die Kathodenelektrode 25

der monolithisch ausgebildeten Hilfsdiode sind durch eine in Fig. 7 dargestellte Doppellagenverdrahtung (oder durch Anordnung in einem Abstand in waagerechter Richtung) elektrisch getrennt. Die im Hilfs-GTO-Abschnitt ausgebildete Elektrode 23 ist zur Verstärkung der Wirkung des Hilfs-GTO elektrisch mit der Gate-Elektrode 17 verbunden.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können der GTO-Abschnitt a und der Diodenabschnitt b in waagerechter Richtung in beliebiger Lage angeordnet sein. Weiterhin können für die Ausbildungen dieser Abschnitte a und b beliebige andere als die vorstehend dargestellten Strukturen angewandt werden, beispielsweise eine Kurzanodenstruktur (anode short structure) ο.dgl., wobei die Bauteile und Elemente der Steuerelektrodenausbildung für Flächenzündung zweckmäßig modifiziert werden können. Wie erwähnt, kann andererseits die in der Trennzone c ausgebildete η -Schicht 20 durch einen Spaltabschnitt, z.B. eine Rille oder Nut, oder aber durch ein dielektrisches Material o.dgl. ersetzt werden. Außerdem können die zweite Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a und die Anodenschicht 13' im Diodenabschnitt b durch z.B. selektive Diffusion o.dgl. vollständig (voneinander) getrennt sein. Obgleich weiterhin die mit dem Gate-Anschluß zur Herausführung verbundene Gate-Zuleitung an die auf der Trennzone c ausgebildete Elektrode angeschlossen ist, braucht die Gate-Zuleitung nicht notwendigerweise an diesen Bereich angeschlossen zu sein, vielmehr kann sie nach verschiedenen anderen. Verfahren angeschlossen sein, beispielsweise durch Druckverbindung (compression bonding) o.dgl. sowie auch nach einem gewöhnlichen Verbindungsverfahren.

Die in Fig. 8 dargestellte sechste Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Ausgestaltung,

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bei welcher in der Trennzone c eine Drainzone 42 ausgebildet ist, um die vom Diodenabschnitt b zur Kathodenelektrode 16 überfließenden Überschuß-Elektronenmangelstellen abzuleiten, ohne sie die Basisschicht im GTO-Abschnitt a passieren zu lassen. Ersichtlicherweise ist in der Trennzone c auch eine Drainelektrode 45 der Drainzone 42 vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist anstelle der in der Trennzone c ausgebildeten η -Schicht 20 eine Nut oder Rille 40 vorgesehen. Die Drainzone 42 besteht aus derselben p-Schicht wie die Anodenschicht 13' im Diodenabschnitt b, und sie wird durch eine Rille 44 im Bereich zwischen Drainelektrode 45 und Anodenelektrode 19 gebildet. Die Drainelektrode 45 ist elektrisch mit der Anodenelektrode 19 und der Kathodenelektrode 16 im GTO-Abschnitt a verbunden. Das Potential der Drainzone 42 wird auf derselben Größe wie das der Anodenschicht 13' gehalten.

Bei dieser Ausführungsform werden die vom Diodenabschnitt b überfließenden Überschuß-Elektronenmangelstellen über die Drainzone 42 zur Kathodenelektrode 16 abgeleitet, so daß eine Fehlzündung infolge der Überschuß-Elektronenmangelstellen wirksam verhindert wird. Da aufgrund der Anordnung der Drainzone 42 eine Fehlzündung (Fehldurchschalten) kaum auftritt, kann außerdem die Trennzone schmäler ausgebildet sein.

2Q Die in Fig. 9 dargestellte siebte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich wiederum auf eine Ausgestaltung, bei welcher in der Trennzone c die Drainzone 42 vor-, gesehen ist, um die vom Diodenabschnitt b zur Kathodenelektrode 16 überfließenden Überschuß-Elektronenmangelstellen abzuleiten, ohne sie durch die Basisschicht im GTO-Abschnitt a fließen zu lassen. Bei dieser Ausführungsform ist ebenfalls die η -Schicht 20

in der Trennzone c durch die Nut bzw. Rille 40 ersetzt. Die in der Trennzone c vorgesehene Drainzone 42 ist durch selektives Eindiffundieren einer n⁺ Schicht 43 in die Bereiche zu beiden Seiten der Drainzone 42 ausgebildet. Die Drainelektrode der Drainzone 42 ist mit der Anodenelektrode 19 im Diodenabschnitt b integriert, und das Potential der Drainzone 42 wird aufgrund der Anodenelektrode 19 auf der gleichen Größe wie das Potential der Anodenschicht 13' gehalten. Da die Unterseite der η -Schicht 43 die pnpn-Struktur besitzt, ist zur Verhinderung des Latch-up-Effekts (des unerwünschten Sperrens) die der Anodenelektrode 19 zugewandte Fläche der n—Schicht 43 mit einer Isolierschicht 41 bedeckt.

Im folgenden ist ein Beispiel für die praktische Realisierung dieser Ausführungsform beschrieben. Die erste Emitterschicht 11 der GTO-Anordnung ist mit einer Oberflächen-Fremdatomkonzentration von

18
1,0 χ 10 /cm³ bei einer Diffusionstiefe von 50 μΐη dotiert. Die erste Basisschicht 12 ist mit einer Fremdatomkonzentration von 6,5 χ 10 /cm³ und einer Dicke von 250 μΐη ausgebildet. Die zweite Basisschicht 13 ist durch Diffusion mit einer Oberflächen-Fremd-

1 8

atomkonzentration von 1 χ 10 /cm³ und einer Diffusionstiefe von 50 μΐη ausgebildet. Die zweite Emitterschicht 14 besitzt eine Fremdatomkonzentration von

19
mehr als 10 /cm³ und eine Diffusionstiefe von 10 μΐη.

an Die Kathodenschicht 15 im Diodenabschnitt b besitzt

19 eine Oberflächen-Fremdatomkonzentration von 2,0 χ 10 /cm

und eine Diffusionstiefe von 70 μΐη. Die Anoden-, schicht 13' ist durch Diffusion gleichzeitig mit der zweiten Basisschicht 13 im GTO-Abschnitt a ausgebildet. Die n⁺-Schicht 43 zur Ausbildung der Drainzone 42 ist durch Diffusion gleichzeitig mit der zweiten Emitterschicht 14 im GTO-Abschnitt a ausgebildet.

M ι

Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzen die Trennzone c eine Breite von 500 μΐη und die η -Schicht 43 eine Breite d von 200 μΐη.
5

Die Fläche der Drainzone 42 liegt somit unter 20% der Fläche des Diodenabschnitts b. In diesem Fall besitzt der durch die Drainzone 42 fließende Strom eine kleine Größe von weniger als 1% des Diodenstroms, und die Drainzone 42 wirkt im wesentlichen nur zum Ableiten (to drain) der Überschußladungsträger. Zur Gewährleistung einer eine Fehlzündung verhindernden Funktion, die bei diesem Beispiel nahezu derjenigen bei der Anordnung ohne Drainzone 42 äquivalent ist, muß die Trennzone c eine Breite von 1,2 mm besitzen. Die Breite der Trennzone c beträgt bei diesem Beispiel somit weniger als 1/2 derjenigen bei der Anordnung ohne Drainzone 42.

Wenn bei sechster und siebter Ausführungsform die Trennzone mit dem Lebensdauerunterdrücker dotiert ist, kann die Anordnung auch bei einem größeren dI_/dt-Verhältnis sicher arbeiten.

Die in Fig. 10 gezeigte achte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung, bei welcher eine Diode 29 zum überbrücken der vom Diodenabschnitt b überfließenden Überschuß-Elektronenmangelstellen vorgesehen ist. In der Trennzone c ist eine Elektrode 28 vorgesehen, an welche die mit der Anode der Diode 29 verbundene Zuleitung angeschlossen ist. Die Elektrode 28 ist getrennt von der Gate-Elektrode 17 vorge-. sehen, die in niederohmigem Kontakt mit der Gate-Schicht (zweite Basisschicht 13) im GTO-Abschnitt a steht.

Bei dieser Ausführungsform ist die an die Diode 29 angeschlossene Zuleitung aus der Trennzone c herausge-

führt, so daß die effektiven oder aktiven Flächen von GTO-Abschnitt a und Diodenabschnitt b vergrößert sein können.
5

Bei der in Fig. 11 dargestellten neunten Ausführungsform der Erfindung ist eine Diode für Überbrückung, die eine ähnliche Aufgabe wie die Diode 29 bei der Ausführungsform nach Fig. 10 erfüllt, monolithisch ausgebildet. Um nämlich die Überschuß-Elektronenmangelsteilen oder -"Löcher" wirksam bzw. effektiv herauszuführen, ist in der Trennzone c eine Elektrode 30 ausgebildet, die eine Schottky-Diode zwischen der zweiten Basisschicht 13 und der Elektrode 30 bildet.

Die Elektrode 30 ist außerdem von der Gate-Elektrode 17 getrennt. Die Elektrode 30 und die Kathodenelektrode 16 können nach einem Verbindungsverfahren oder mittels einer Al-Elektrode miteinander verbunden sein.

Da bei dieser Ausführungsform der Durchlaßspannungsabfall der Schottky-Diode nur durch eine Potential-Sperre oder -Barriere an der Grenzfläche von Halbleiter und Metall bestimmt wird, kann der Durchlaßspannungsabfall der Schottky-Diode so verringert werden, daß er wesentlich kleiner ist als derjenige der pn-Sperrschichtdiode. Auf diese Weise können somit Überschuß-Elektronenmangelstellen effektiv abgeleitet werden.

Bei der in Fig. 12 dargestellten zehnten Ausführungsform der Erfindung ist wiederum, ähnlich wie bei der neunten Ausführungsform, die Diode für Überbrückung monolithisch ausgebildet; in diesem Fall ist jedoch die Überbrückungsdiode durch Diffusion einer η -Schicht 50 ausgebildet.

An der Anodenseite des Überbrückungsdiodenabschnitts ist eine η -Schicht 51 zur Verhinderung der parasitären

Thyristoroperation vorgesehen. Weiterhin kann eine mögliche parasitäre Transistoroperation auch dadurch verhindert werden, daß der Uberbruckungsdiodenabschnitt selektiv und stark mit dem Lebensdauerunterdrücker dotiert wird.

Die in Fig. 13 dargestellte elfte Ausführungsform der Erfindung bezieht sich auf eine Ausgestaltung, bei welcher ein zwischen Gate-Elektrode 17 und Kathodenelektrode 16 im GTO-Abschnitt a eingefügter MOSFET materialeinheitlich ausgebildet ist. In der Trennzone c ist eine p~ -Schicht 31 ausgebildet, während als Source und Drain wirkende n-Schichten 32 bzw. 33 in der p~ -Schicht 31 erzeugt sind. Eine Gate-Elektrode 35 ist auf einer Isolierschicht 34 zwischen den n-Schichten 32 und 33 ausgebildet. Die Gate-Elektrode 17 ist mit der n-Schicht 32 verbunden, während die Anodenelektrode 19 im Diodenabschnitt b mit der n-Schicht 33 verbunden ist. Die Anodenelektrode 19 ist mit der Kathodenelektrode 16 verbunden. Diese zusammengeschalteten Anoden- und Kathodenelektroden 19 bzw. 16 sind an den Kathodenanschluß K angeschlossen. Die Gate-Elektrode 35 des MOSFETs ist mit dem Gate-Anschluß G„ verbunden.

Mit dieser Ausführungsform kann eine rückwärts leitende GTO-Anordnung realisiert werden, die zum Sperren durch den MOSFET angesteuert werden kann, wobei die Ausbildung des MOSFETs kaum eine Flächenvergrößerung bedingt.

Die zwölfte Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 14 bezieht sich auf eine Anordnung, bei welcher ein mit dem GTO-Abschnitt verbundener MOSFET für Emitteröffnen (emitter-opening) integriert ist. Der Aufbau des MOSFETs ist ähnlich wie bei dem gemäß der elften Ausführungsform. Weiter vorgesehen ist eine zwischen

die Elektroden 17 und 19 geschaltete Zener-Diode 36 zur Unterdrückung der Spannung zwischen Source und Drain des MOSFETs. Die Kathodenelektrode 16 ist nicht mit dem Kathodenanschluß K verbunden, sondern steht mit der n-Schicht 33 des MOSFETs in Kontakt. Die Kathodenelektrode 16 ist von den p-Schichten 13, 31 und der n-Schicht 12 durch die Isolierschicht 21 elektrisch getrennt. Der Kathodenanschluß K ist mit der Elektrode 19 verbunden. Bei dieser Ausführungsform kann der MOSFET ebenfalls ohne Vergrößerung der Fläche integriert werden.

Fig. 15 veranschaulicht eine dreizehnte Ausführungsform der Erfindung, die sich auf eine Anordnung bezieht, bei welcher ein Emittermuster zur weiteren Vergrößerung der Effektivfläche der GTO-Anordnung ausgelegt ist. Während beim bisherigen Vollsteuergate-Thyristor das radiale Emittermuster (vgl. Fig. 16) angewandt wird, ist bei dieser Ausführungsform der kreisförmige GTO-Abschnitt in mehrere sektorartige Bereiche, wie die Kathodenelektrode 16 gemäß Fig. 15, unterteilt, wobei in jedem sektorartigen Bereich ein paralleler bandartiger Emitter ausgebildet ist.

Mit diesem Muster wird die Effektivfläche der GTO-Anordnung im Vergleich zum radialen Muster um etwa 10% vergrößert, so daß die deutliche Vergrößerung der Effektivfläche mit Hilfe der doppelten Wirkung zusätzlich zur Vergrößerung der Effektivfläche aufgrund der Anwendung der Trennzone c erreicht wird.

Bei der in Fig. 16 dargestellten vierzehnten Ausführungsform der Erfindung ist der um den GTO-Abschnitt herum ausgebildete Diodenabschnitt in mehrere Teile unterteilt, wobei eine Verbindung von den Bereichen dieser unterteilten Diodenabschnitte zu den Gate-Anschlüssen G hergestellt ist.

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Die Erfindung bezweckt die wirksame Nutzung des (Flächen-)Abschnitts auf der Trennzone bei der rückwärts leitenden GTO-Anordnung; demzufolge kann in diesem Bereich noch eine andere Elektrode vorgesehen sein, oder es kann eine andere Vorrichtung (Bauelement) unter Heranziehung dieses Bereichs integriert sein.

Claims

Patentansprüche

!.'Rückwärts leitende Vollsteuergate-Thyristoranordnung, bei welcher ein Vollsteuergate-Thyristor (GTO) und eine rückwärts leitende Diode materialeinheitlich im selben Halbleiterplattchen ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine von einer Kathodenelektrode (16) des Vollsteuergate-Thyristors oder einer Anodenelektrode (19) der rückwärts leitenden Diode verschiedene Elektrode (17, 22, 25, 45, 28, 30 oder 35) in einer Trennzone (c) angeordnet ist, die zwischen einen VoIlsteuergate-Thyristor- oder GTO-Abschnitt (a) und einen rückwärts leitenden Diodenabschnitt (b) eingefügt ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die in der Trennzone (c) ausgebildete Elek- 4U/" trode eine Gate-Elektrode (17) im GTO-Abschnitt "v (a) ist. *
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der GTO-Abschnitt (a) eine Steuerelektrodenausbildung für Flächenzündung (amplifying gate structure) aufweist und die in der Trennzone (c) ausgebildete Elektrode eine Gate-Elektrode (22) für Durchschalt-Steuerung ist.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der GTO-Abschnitt (a) eine Steuerelektrodenausbildung für Flacheηzündung (amplifying gate structure) aufweist und die in der Trennzone (c) ausgebildete Elektrode eine Gate-Elektrode (17) für Sperr-Steuerung ist.

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5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der GTO-Abschnitt (a) eine Steuerelektrodenausbildung für Flächenzündung aufweist, ein zwisehen beide Gate-Elektroden (17, 22) eines Haupt-GTO-Abschnitts und eines Hilfs-GTO-Abschnitts geschalteter Hilfsdiodenabschnitt monolithisch ausgebildet ist und die in der Trennzone vorgesehene Elektrode eine Kathodenelektrode (25) des Hilfs-¹^ diodenabschnitts ist.
6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Trennzone (c) vorgesehene Elektrode eine Elektrode (45) in einer in der Trennzone (c) ausgebildeten Drainzone (42) ist, deren Potential gleich dem einer Anodenschicht (13') im rückwärts leitenden Diodenabschnitt haltbar ist, und die Elektrode (45) zum Ableiten (to drain) von Überschuß-Elektronenmangelstellen im rückwärts leitenden Diodenabschnitt (b) dient und mit der Kathodenelektrode (16) im GTO-Abschnitt (a) verbunden ist.
7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Trennzone (c) vorgesehene Elektrode eine Elektrode (28) ist, die in niederohmigem Kontakt mit einer Gate-Schicht (13) im GTO-Abschnitt (a) steht und die von einer Gate-Elektrode (17) getrennt ist, und eine Diode (29) für Überbrückung (for bypass) zwischen diese Elektrode (28) und die Kathodenelektrode (16) im GTO-Abschnitt (a) geschaltet ist.
8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Trennzone (c) vorgesehene Elektrode eine Elektrode (30) ist, die eine Schottky-Diode zwischen dieser Elektrode (30) und einer Gate-Schicht (13) im GTO-Abschnitt (a) bildet und die

von einer Gate-Elektrode (17) getrennt ist, und diese Elektrode (30) mit der Kathodenelektrode (16) im GTO-Abschnitt (a) verbunden ist. 5
9. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Trennzone (c) vorgesehene Elektrode eine Gate-Elektrode (35) eines in der Trennzone

(c) ausgebildeten Elements mit MOS-Struktur ist.
10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der GTO-Abschnitt (a) aus mehreren parallel angeordneten Segmenten aufgebaut ist.