JPH09213933A - Semiconductor device and power conversion device using the same - Google Patents
Semiconductor device and power conversion device using the sameInfo
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- JPH09213933A JPH09213933A JP8021341A JP2134196A JPH09213933A JP H09213933 A JPH09213933 A JP H09213933A JP 8021341 A JP8021341 A JP 8021341A JP 2134196 A JP2134196 A JP 2134196A JP H09213933 A JPH09213933 A JP H09213933A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 遮断耐量を向上させた半導体装置を提供し、
これ用いた大容量、小型、低価格な電力変換装置を提供
する。
【解決手段】 単位GTO上のn型エミッタ層8を2分
割するように溝を掘り絶縁層61を入れる。絶縁層61
は、ターンオフ時の主電流の最終集中領域に位置し、こ
れにより、ターンオフ時の主電流の最終集中領域を2分
割し、破壊の原因である温度の上昇を防ぐ。カソード電
極2は、絶縁層61をまたぎ分割されたn型エミッタ層
8に低抵抗接触させる。
【効果】 単位GTOの高遮断耐量化により、GTOの
遮断耐量を向上させることができ、電力変換装置の容量
を下げることなく周辺回路を削減することができる。
(57) 【Abstract】 PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device having improved breaking capability,
A large-capacity, small-sized, low-priced power conversion device using this is provided. A groove is formed so as to divide an n-type emitter layer on a unit GTO into two, and an insulating layer is provided. Insulating layer 61
Is located in the final concentration region of the main current at turn-off, and thereby divides the final concentration region of the main current at turn-off into two to prevent the temperature rise which is the cause of the breakdown. The cathode electrode 2 is brought into low-resistance contact with the n-type emitter layer 8 divided across the insulating layer 61. [Effect] By increasing the breaking tolerance of the unit GTO, the breaking tolerance of the GTO can be improved, and the peripheral circuits can be reduced without reducing the capacity of the power conversion device.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、制御電流により主
電流の導通、非導通を制御することができるゲートター
ンオフサイリスタ(以下、GTOという)、あるいは、
トランジスタ(以下、TRSという)のような半導体装
置及びそれを用いた電力変換装置に係り、特に、遮断耐
量を向上させたGTO、TRS等の半導体装置及びそれ
を用いた電力変換装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gate turn-off thyristor (hereinafter referred to as GTO) capable of controlling conduction / non-conduction of a main current by a control current, or
The present invention relates to a semiconductor device such as a transistor (hereinafter referred to as “TRS”) and a power conversion device using the same, and more particularly to a semiconductor device such as GTO and TRS with improved cut-off resistance and a power conversion device using the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、電源のクリーン化のため、例え
ば、鉄鋼用の大容量電力変換装置、無効電力補償装置等
のキーデバイスとしてGTOが注目され、大容量の素子
(6kV−6kA)が開発されている。一般に、GTO
は、遮断耐量が小さいためにスナバ回路を必要とする。2. Description of the Related Art In recent years, GTO has been attracting attention as a key device such as a large-capacity power converter for steel and a reactive power compensator for cleaning a power source, and a large-capacity element (6 kV-6 kA) has been developed. Has been done. Generally, GTO
Requires a snubber circuit because of its low breaking capability.
【0003】図13はスナバ回路の例を示す図である。
図13において、130はアノード端子、131はカソ
ード端子、132はゲート端子、133はGTO、13
4はスナバダイオード、135はスナバコンデンサ、1
36はスナバ抵抗、137はスナバ回路である。FIG. 13 is a diagram showing an example of a snubber circuit.
In FIG. 13, 130 is an anode terminal, 131 is a cathode terminal, 132 is a gate terminal, 133 is a GTO, 13
4 is a snubber diode, 135 is a snubber capacitor, 1
Reference numeral 36 is a snubber resistor, and 137 is a snubber circuit.
【0004】スナバ回路137は、図13に示すよう
に、スナバダイオード134、スナバコンデンサ13
5、スナバ抵抗136により構成され、アノード端子1
30、カソード端子131、ゲート端子132を有する
GTO133のアノード端子130とカソード端子13
1との間に接続して使用される。このようなスナバ回路
137は、GTO133のターンオフ時の電流をスナバ
コンデンサ135に移すように動作するので、GTO1
33に大きな電流の遮断を行わせることができる。そし
て、このスナバ回路137は、GTOのターンオン時
に、前述で蓄積されたスナバコンデンサ135の蓄積電
荷をスナバ抵抗136を介して放電して消費させる。As shown in FIG. 13, the snubber circuit 137 includes a snubber diode 134 and a snubber capacitor 13.
5, the snubber resistor 136, the anode terminal 1
An anode terminal 130 and a cathode terminal 13 of a GTO 133 having 30, a cathode terminal 131, and a gate terminal 132.
It is used by connecting between 1 and 1. Such a snubber circuit 137 operates so as to transfer the current when the GTO 133 is turned off to the snubber capacitor 135.
It is possible to cause 33 to interrupt a large current. When the GTO is turned on, the snubber circuit 137 discharges and consumes the accumulated charge of the snubber capacitor 135 accumulated as described above via the snubber resistor 136.
【0005】前述したような消費形のスナバ回路137
を持つGTOにより電力変換装置を構成した場合、GT
O133の大容量化と共にスナバ回路137による損失
が増大し、電力変換効率を低下させることになる。この
ようなスナバ回路による損失を防止することのできる従
来技術として、スナバコンデンサ135のエネルギーを
回収することを可能とした方式が、例えば、特開平05
−227736号公報等に提案されて知られている。し
かし、前述したような回収方式を採用すると、電力変換
装置が大型になり、高価格となるとという問題点を生
じ、また、回路動作が複雑化するので、信頼性が低下す
るという問題点を生じてしまう。The consumption type snubber circuit 137 as described above.
If the power converter is composed of a GTO with
As the capacity of O133 increases, the loss due to the snubber circuit 137 increases, which lowers the power conversion efficiency. As a conventional technique capable of preventing the loss due to such a snubber circuit, a method capable of recovering the energy of the snubber capacitor 135 is disclosed in, for example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 05-205.
It is proposed and known in Japanese Patent Publication No. 227736. However, when the above-mentioned recovery method is adopted, the power conversion device becomes large in size and the price becomes high, and the circuit operation becomes complicated, so that the reliability is lowered. Will end up.
【0006】一般に、GTOは、同一ペレット内に多数
の小容量素子(以下、単位GTOという)を形成し、こ
れらの単位GTOを並列接続して構成されており、単位
GTO自体の遮断耐量が低いことと、単位GTO間の並
列動作の均等化が難しいこととが、大きなスナバ回路を
必要とする原因となっている。Generally, a GTO is formed by forming a large number of small-capacity elements (hereinafter referred to as a unit GTO) in the same pellet, and connecting these unit GTOs in parallel, so that the unit GTO itself has a low interruption resistance. The fact that it is difficult to equalize the parallel operation between the unit GTOs is a cause of requiring a large snubber circuit.
【0007】そこで、単位GTOの遮断耐量を増大する
ことのできる従来技術として、例えば、特開昭59−8
6262号公報等に記載された技術が知られている。Therefore, as a conventional technique capable of increasing the breaking resistance of the unit GTO, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 59-8 is available.
The technique described in Japanese Patent No. 6262 is known.
【0008】以下、一般的な単位GTOの構造と改良さ
れた単位GTOの構造とを図面により説明する。Hereinafter, the structure of a general unit GTO and the structure of an improved unit GTO will be described with reference to the drawings.
【0009】図14は従来技術による一般的な単位GT
Oの構造の一例を示す断面図、図15は図14に示す単
位GTOの上面図、図16は遮断耐量を増大させた従来
技術による単位GTOの構造を示す断面図である。図1
4〜図16において、1は半導体基体、2はカソード電
極、3a、3bはゲート電極、4はアノード電極、5は
p型エミッタ層(pE)、6はn型ベース層(nB)、
7はp型ベース層(pB)、8はn型エミッタ層(n
E)、9はアノード端子、10はカソード端子、11は
ゲート端子である。FIG. 14 is a general unit GT according to the prior art.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing an example of the structure of O, FIG. 15 is a top view of the unit GTO shown in FIG. 14, and FIG. 16 is a cross-sectional view showing the structure of a unit GTO according to the prior art with an increased breaking resistance. FIG.
4 to 16, 1 is a semiconductor substrate, 2 is a cathode electrode, 3a and 3b are gate electrodes, 4 is an anode electrode, 5 is a p-type emitter layer (pE), 6 is an n-type base layer (nB),
7 is a p-type base layer (pB), 8 is an n-type emitter layer (n
E), 9 are anode terminals, 10 is a cathode terminal, and 11 is a gate terminal.
【0010】図14、図15に示す従来技術による一般
的な単位GTOは、半導体基体1の下主表面から順に、
p型エミッタ層5、n型ベース層6、p型ベース層7、
n型エミッタ層8が形成される半導体基体1の上主表面
上のn型エミッタ層8にカソード電極2が、p型ベース
層7にゲート電極3a、3bが低抵抗接触して設けら
れ、また、半導体基体1の下主表面のp型エミッタ層5
にアノード電極4が低抵抗接触して設けられ、これらの
電極にカソード端子K10、ゲート端子G11、アノー
ド端子A9が接続されて構成されている。A general unit GTO according to the prior art shown in FIGS. 14 and 15 is, in order from the lower main surface of the semiconductor substrate 1,
p-type emitter layer 5, n-type base layer 6, p-type base layer 7,
The cathode electrode 2 is provided on the n-type emitter layer 8 on the upper main surface of the semiconductor substrate 1 on which the n-type emitter layer 8 is formed, and the p-type base layer 7 is provided with the gate electrodes 3a and 3b in low resistance contact. , P-type emitter layer 5 on the lower main surface of the semiconductor substrate 1
The anode electrode 4 is provided in low resistance contact with, and the cathode terminal K10, the gate terminal G11, and the anode terminal A9 are connected to these electrodes.
【0011】なお、前述において、半導体基体1の各電
極2〜4が設けられている部分以外の露出表面には、表
面安定化材が設けられているが、図では省略されてお
り、以後の説明についても同様であり、図示を省略す
る。Although a surface stabilizing material is provided on the exposed surface of the semiconductor substrate 1 other than the portions where the electrodes 2 to 4 are provided in the above description, the surface stabilizing material is omitted in the figure. The description is the same, and the illustration is omitted.
【0012】前述したような構造を有する単位GTOを
導通状態から非導通状態へターンオフさせるためには、
ゲート端子11からゲート電流を引き抜けばよい。この
とき、GTOの導通状態を作り出しているp型ベース層
7に蓄積された過剰キャリアは、ゲート電極3a、3b
に近い領域から順次掃き出される。このため、GTOの
内部は、ゲート電極3a、3bに近い側より順次導通領
域がターンオフしていき、n型エミッタ層8の両側から
同じ大きさのゲート電流12a、12bが引き抜かれて
いくことになり、最終的に、n型エミッタ層8の中央に
導通領域13が残り電流が集中することになる。In order to turn off the unit GTO having the above-mentioned structure from the conductive state to the non-conductive state,
It suffices to draw the gate current from the gate terminal 11. At this time, the excess carriers accumulated in the p-type base layer 7 that creates the GTO conduction state are gate electrodes 3a and 3b.
Are sequentially swept from the area close to. Therefore, in the inside of the GTO, the conduction regions are sequentially turned off from the side closer to the gate electrodes 3a and 3b, and the gate currents 12a and 12b having the same magnitude are extracted from both sides of the n-type emitter layer 8. Finally, the conduction region 13 remains in the center of the n-type emitter layer 8 and the current concentrates.
【0013】そして、n型エミッタ層8の下のターンオ
フし終わったp型ベース層7の中には過剰キャリアが無
いので、その部分の抵抗が熱平衡状態の抵抗になってい
る。このため、ゲート電極3a、3bからn型エミッタ
層8の中央部のp型ベース層7の導通領域に至るゲート
電流経路の抵抗14a、14bがターンオフ初期より大
きくなり、ゲート電流が引き抜きにくくなる。このた
め、最終電流集中領域13において、電力損失により過
大な温度上昇が起こりGTOを熱破壊させることにな
る。単位GTOの遮断耐量が小さいのは、前述ような単
位GTOの長手方向での均一な動作が保たれずらいため
である。Since there is no excess carrier in the p-type base layer 7 that has finished turning off under the n-type emitter layer 8, the resistance at that portion is in a thermal equilibrium state. Therefore, the resistances 14a and 14b of the gate current path from the gate electrodes 3a and 3b to the conduction region of the p-type base layer 7 in the central portion of the n-type emitter layer 8 become larger than those at the initial stage of turn-off, and the gate current becomes difficult to be extracted. Therefore, in the final current concentration region 13, an excessive temperature rise occurs due to the power loss, and the GTO is thermally destroyed. The reason why the unit GTO has a small breaking resistance is that it is difficult to maintain uniform operation in the longitudinal direction of the unit GTO as described above.
【0014】図15に示すように、単位GTOの上面
は、半導体基体1上にゲート電極3a、3bに囲まれた
カソード電極2が配置された形状となる。そして、カソ
ード電極2上に示した領域40が、ターンオフ時の主電
流の最終集中領域となる。この領域は、単位GTO内の
狭い領域なので半導体層、電極の特性ばらつきが小さい
ことから、カソード電極2のほぼ中央に位置することに
なり、丸で囲んだ範囲44は、単位GTOの最終電流集
中領域において電力損失により過大な温度上昇が起き温
度が逃げる範囲を模擬的に示したものである。As shown in FIG. 15, the upper surface of the unit GTO has a shape in which the cathode electrode 2 surrounded by the gate electrodes 3a and 3b is arranged on the semiconductor substrate 1. Then, the region 40 shown on the cathode electrode 2 becomes the final concentration region of the main current at turn-off. Since this region is a narrow region within the unit GTO, the characteristic variation of the semiconductor layer and the electrode is small, so that it is located almost at the center of the cathode electrode 2. The circled range 44 is the final current concentration of the unit GTO. This is a simulated representation of a range in which an excessive temperature rise occurs due to power loss and the temperature escapes.
【0015】前述したように従来技術による一般的な構
造のGTOは、ターンオフ時に主電流の最終集中領域を
生じて遮断耐量を大きくすることができないものであ
る。As described above, the GTO having a general structure according to the prior art cannot generate a final concentration region of the main current at the time of turn-off to increase the breaking resistance.
【0016】このような単位GTOの遮断耐量を増大さ
せることのできる従来技術として、図16に示すよう
な、n型エミッタ層を分割する技術がある。図16はp
型ベース層7とn型エミッタ層8との接合部の近辺を拡
大したものである。As a conventional technique capable of increasing the breaking tolerance of such a unit GTO, there is a technique of dividing an n-type emitter layer as shown in FIG. 16 is p
The vicinity of the junction between the type base layer 7 and the n-type emitter layer 8 is enlarged.
【0017】図16に示すように、この単位GTOは、
カソード電極2とp型ベース層7とが短絡しないように
絶縁領域130を置き、2分割されたn型エミッタ層8
の間をカソード電極2で継ぐことにより、ターンオフ時
の最終電流集中領域を、電流集中領域60a、60bに
2分割して、単位GTOの遮断耐量を向上させるという
ものである。As shown in FIG. 16, this unit GTO is
The insulating region 130 is placed so that the cathode electrode 2 and the p-type base layer 7 are not short-circuited, and the n-type emitter layer 8 is divided into two.
By connecting the space between them with the cathode electrode 2, the final current concentration region at the time of turn-off is divided into two current concentration regions 60a and 60b to improve the breaking resistance of the unit GTO.
【0018】一般に、GTOは、同一ペレット内に前述
したような構造の多数の単位GTOを形成し、これらを
並列接続した構成となっており、GTOの遮断耐量の向
上には単位GTO間の効率の良い並列動作が必要であ
る。以下、単位GTOを多数並列に接続した場合につい
て説明する。In general, the GTO has a structure in which a large number of unit GTOs having the above-mentioned structure are formed in the same pellet and these are connected in parallel. To improve the breaking resistance of the GTO, the efficiency between the unit GTOs is improved. Good parallel operation is required. Hereinafter, a case where a large number of unit GTOs are connected in parallel will be described.
【0019】図17は並列接続された2つの単位GTO
を模擬的に示す図である。図17において、20、21
は単位GTOであり、他の符号はその添字としてa、b
等を付しているが図14の場合と同一である。以下、図
17を参照して、2つの単位GTOの並列動作について
説明する。FIG. 17 shows two unit GTOs connected in parallel.
FIG. In FIG. 17, 20, 21
Is a unit GTO, and other symbols have a and b as their subscripts.
Etc. are attached, but are the same as in the case of FIG. Hereinafter, the parallel operation of the two unit GTOs will be described with reference to FIG.
【0020】図17に示す例における第1の単位GTO
20、第2の単位GTO21は、それぞれ、半導体基板
の上主表面上にカソード電極2a、2bとゲート電極3
a及び3b、3c及び3dとを低抵抗接触させて設け、
それぞれをカソード端子K10、ゲート端子G11に接
続して構成されている。また、半導体基板の下主表面に
は、アノード電極4a、4bが低抵抗接触して設けら
れ、アノード端子A9に接続されている。半導体層の構
成は、図14により説明した場合と同様である。The first unit GTO in the example shown in FIG.
20 and the second unit GTO 21 respectively include the cathode electrodes 2a and 2b and the gate electrode 3 on the upper main surface of the semiconductor substrate.
a and 3b, 3c and 3d are provided in low resistance contact,
Each of them is connected to a cathode terminal K10 and a gate terminal G11. Anode electrodes 4a and 4b are provided in low resistance contact with the lower main surface of the semiconductor substrate and are connected to the anode terminal A9. The structure of the semiconductor layer is similar to that described with reference to FIG.
【0021】前述したように並列接続された第1の単位
GTO20と第2の単位GTO21とにおいて、製造工
程のばらつき(各サイズ、シート抵抗値等)により、各
GTOのp型ベース層7a、7bの横方向抵抗22a、
22bの値に差が生じると、第1の単位GTO20と第
2の単位GTO21との導通状態から非導通状態へター
ンオフする時間に差が生じる。この結果、図17に示す
ように単位GTOを並列接続したGTOは、遅くターン
オフする単位GTOに主電流が集中し、その単位GTO
の最終電流集中領域において電力損失により過大な温度
上昇を生じて熱破壊されることになる。In the first unit GTO 20 and the second unit GTO 21 which are connected in parallel as described above, the p-type base layers 7a and 7b of each GTO are different due to variations in manufacturing process (each size, sheet resistance value, etc.). Lateral resistance 22a of
When a difference occurs in the value of 22b, there is a difference in the time for turning off the first unit GTO 20 and the second unit GTO 21 from the conducting state to the non-conducting state. As a result, as shown in FIG. 17, in the GTO in which the unit GTOs are connected in parallel, the main current is concentrated in the unit GTO that is turned off late, and the unit GTO is
In the final current concentration area of, the power loss causes an excessive temperature rise and thermal destruction.
【0022】このような問題点を解決するための従来技
術として、例えば、特開平5−30308号公報等に記
載された技術が知られている。この従来技術は、各単位
GTOにフローティングゲートを設け、それらをGTO
内で短絡し、各単位GTO間の電流を均一化するという
ものである。As a conventional technique for solving such a problem, for example, the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 5-30308 is known. In this conventional technique, each unit GTO is provided with a floating gate,
This is to make a short circuit in the unit to make the current between the unit GTOs uniform.
【0023】図18は各単位GTOにフローティングゲ
ートを設け、それらをGTO内で短絡し、かつ、並列接
続された2つの単位GTOを模擬的に示す図である。図
18において、30a、30bはフローティングゲート
電極であり、他の符号は図17の場合と同一である。以
下、図18を参照して、2つの単位GTOの並列動作に
ついて説明する。FIG. 18 is a diagram schematically showing two unit GTOs provided with a floating gate in each unit GTO, short-circuiting them in the GTO, and connected in parallel. In FIG. 18, reference numerals 30a and 30b denote floating gate electrodes, and other reference numerals are the same as those in FIG. Hereinafter, the parallel operation of the two unit GTOs will be described with reference to FIG.
【0024】第1の単位GTO20と第2の単位GTO
21とは、図17に示した第1の単位GTO20と第2
の単位GTO21とのゲート電極3b、3cの代りにゲ
ート端子G11に接続されていないフローティングゲー
ト電極30a、30bを設けて構成されている。そし
て、GTOは、各単位GTOのフローティングゲートを
相互に接続て構成される。First unit GTO 20 and second unit GTO
21 is the first unit GTO 20 and the second unit shown in FIG.
In place of the gate electrodes 3b and 3c with the unit GTO21, the floating gate electrodes 30a and 30b which are not connected to the gate terminal G11 are provided. The GTO is configured by connecting the floating gates of each unit GTO to each other.
【0025】このようなGTOは、ターンオフ時、ゲー
ト端子G11よりGTOの導通状態を作り出しているp
型ベース層7a、7bに蓄積された過剰キャリアを、ゲ
ート電極3a、3dに近い領域から順次掃き出していく
ことになる。このため、ゲート電極3a、3dに近い側
より順次導通領域がターンオフしていき、フローティン
グゲート電極30a、30bに近い側に最終電流集中領
域13a、13bが現われる。In such a GTO, when turned off, the gate terminal G11 makes the GTO conductive.
Excess carriers accumulated in the mold base layers 7a and 7b are sequentially swept out from the regions near the gate electrodes 3a and 3d. Therefore, the conduction regions are sequentially turned off from the side closer to the gate electrodes 3a, 3d, and the final current concentration regions 13a, 13b appear on the side closer to the floating gate electrodes 30a, 30b.
【0026】このとき、図18に示すように、フローテ
ィングゲート電極30a、30bが相互に接続されてい
るため、ループ電流32が、p型ベース層7a、7bと
n型エミッタ層8a、8bの接合部近くの最終電流集中
領域33a、33bの電位を等しくするように流れる。
これにより、図18にしめす従来技術は、電流集中領域
13a、13bの電流を均一化することができるもので
ある。At this time, as shown in FIG. 18, since the floating gate electrodes 30a and 30b are connected to each other, the loop current 32 causes the junction between the p-type base layers 7a and 7b and the n-type emitter layers 8a and 8b. Flow in such a manner that the potentials of the final current concentration regions 33a and 33b near the portions are equalized.
As a result, in the conventional technique shown in FIG. 18, the currents in the current concentration regions 13a and 13b can be made uniform.
【0027】しかし、図18に示す従来技術は、ある大
きさ以内のペレット内に多数の単位GTOを形成して、
これらの単位GTOに並列動作を行わせる場合、その並
列動作を均一化することができ有効なものであるが、大
口径の素子に多数の単位GTOを形成して並列動作させ
る点に配慮されていないため、以下のような問題点を有
している。However, in the prior art shown in FIG. 18, a large number of unit GTOs are formed in a pellet within a certain size,
When these unit GTOs are operated in parallel, the parallel operation can be made uniform, which is effective. However, it is taken into consideration that a large number of unit GTOs are formed in parallel operation. Since it does not exist, it has the following problems.
【0028】すなわち、図18に示す従来技術におい
て、フローティングゲート電極30a、30bを接続す
るラインは、ペレットが大口径になるに従って長くな
り、ループ電流32が流れる配線の抵抗成分31が大き
くなる。この抵抗成分31にループ電流32が流れる
と、p型ベース層7a、7bとn型エミッタ層8a,8
bとの接合部近くの最終電流集中領域33a、33bに
電位差が生じ、電流集中領域13a、13bの電流を均
一化することができなくなる。また、単位GTO20、
21とゲート端子G11との距離が長くなり、ゲート電
極3a、3bとゲート端子G11との間の抵抗が大きく
なり単位GTO相互間でターンオフ時間がことなってし
まい、GTO全体としての遮断耐量を低下させてしま
う。また、製造工程のばらつき(各サイズ、シート抵抗
値等)の分布についても考慮されていない。That is, in the prior art shown in FIG. 18, the line connecting the floating gate electrodes 30a, 30b becomes longer as the diameter of the pellet becomes larger, and the resistance component 31 of the wiring through which the loop current 32 flows becomes larger. When the loop current 32 flows through the resistance component 31, the p-type base layers 7a and 7b and the n-type emitter layers 8a and 8 are formed.
A potential difference occurs in the final current concentration regions 33a and 33b near the junction with b, and the currents in the current concentration regions 13a and 13b cannot be made uniform. Also, the unit GTO20,
21 and the gate terminal G11 become long, the resistance between the gate electrodes 3a and 3b and the gate terminal G11 becomes large, and the turn-off time becomes different between the unit GTOs, which lowers the interruption resistance of the GTO as a whole. I will let you. In addition, the distribution of variations in manufacturing processes (each size, sheet resistance value, etc.) is not considered.
【0029】[0029]
【発明が解決しようとする課題】前述した単位GTOの
遮断耐量を増大させることのできる従来技術は、ターン
オフ時の最終電流集中領域を2分割することにより単位
GTOの遮断耐量を増大させることのできるものであ
る。しかし、この従来技術は、大口径GTOの接続方式
が圧接方式が主であることについて考慮されていない。
すなわち、この従来技術は、圧接によるカソード電極
2、絶縁領域130の変形、それによる短絡の危険性に
ついて考慮されていないという第1の問題点を有してい
る。In the prior art capable of increasing the breaking tolerance of the unit GTO described above, the breaking tolerance of the unit GTO can be increased by dividing the final current concentration region at turn-off. It is a thing. However, this prior art does not consider that the connection method of the large diameter GTO is mainly the pressure contact method.
That is, this conventional technique has the first problem that the deformation of the cathode electrode 2 and the insulating region 130 due to the pressure contact and the risk of short circuit due to the deformation are not taken into consideration.
【0030】このような問題点を解決するものとして、
カソード電極2を分割された各々のn型エミッタ層8の
上にのみ配置する方法が、例えば、特公平6−5738
号公報等に記載されているが、この方法も、遮断効率を
考慮しn型エミッタ層8の幅を考えると、電極の幅が狭
くなり、圧接による変形を受け易く、かつ、外部電極と
の接触効率が悪くなるという問題点を有する。As a means for solving such a problem,
A method of disposing the cathode electrode 2 only on each of the divided n-type emitter layers 8 is, for example, Japanese Patent Publication No. 6-5738.
This method is also described in Japanese Patent Laid-Open Publication No. 2003-242, but in consideration of the blocking efficiency, the width of the n-type emitter layer 8 is narrowed, the width of the electrode becomes narrow, and it is easily deformed by pressure welding. There is a problem that contact efficiency becomes poor.
【0031】また、前述した従来技術は、最終電流集中
領域をバランス良く2分割することについて考慮されて
いないため、充分な遮断耐量の増大を得ることができな
いという第2の問題点を有しており、さらに、単位GT
Oを多数配列して動作させる大口径GTOの遮断耐量を
増大するためのペレット構造と、大口径化によるペレッ
ト面内特性のばらつきについて考慮されていないという
第3の問題点を有している。In addition, the above-mentioned conventional technique has a second problem that it is not possible to obtain a sufficient increase in the breaking resistance because no consideration is given to dividing the final current concentration region into two in good balance. And unit GT
There is a third problem that the pellet structure for increasing the breaking resistance of a large diameter GTO that operates by arranging a large number of O and the variation in the in-plane characteristics of the pellet due to the large diameter are not taken into consideration.
【0032】本発明の目的は、前述した従来技術問題点
を解決し、単位GTOの遮断耐量を増大する単位GTO
の素子構造を提供し、最適なペレット構造を提供するこ
とにより、GTOの遮断耐量を大幅に増大し、GTOを
使用する電極変換装置等の小型化、低価格化を実現する
ことのできる半導体装置及びそれを用いた電力変換装置
を提供することにある。The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to increase the breaking tolerance of the unit GTO.
By providing the above-mentioned element structure and the optimum pellet structure, it is possible to significantly increase the breaking tolerance of the GTO, and to reduce the size and cost of the electrode conversion device using the GTO. And to provide a power conversion device using the same.
【0033】[0033]
【課題を解決するための手段】本発明によれば前記目的
は、半導体基体の一対の主平面間に隣接相互で導電型が
異なる少なくとも3個の半導体層が形成され、前記3個
の半導体層のうち、第1半導体層が、ほぼ一定幅の細長
い形状を有し、第2半導体層が、前記第1半導体層を包
囲するように第1半導体層と共に前記半導体基体の第1
主平面に露出し、前記第1半導体層に第1主電極が低抵
抗接触し、前記各第2半導体層に制御電極が低抵抗接触
した半導体装置において、前記第1半導体層の幅方向中
央に絶縁領域を設け、前記第1主電極を、前記絶縁領域
により2分割された2つの第1半導体層に、前記絶縁領
域をまたいで低抵抗接触させることにより、また、前記
絶縁領域の前記絶縁領域をまたぐ第1主電極と反対側の
前記絶縁領域と第2半導体領域との間に、前記第1半導
体層と絶縁された状態で導通領域を設けることにより達
成される。According to the present invention, the object is to provide at least three semiconductor layers having different conductivity types from each other between a pair of main planes of a semiconductor substrate, and the three semiconductor layers. The first semiconductor layer has a long and narrow shape having a substantially constant width, and the second semiconductor layer includes the first semiconductor layer and the first semiconductor layer so as to surround the first semiconductor layer.
In a semiconductor device exposed on a main plane, a first main electrode is in low resistance contact with the first semiconductor layer, and a control electrode is in low resistance contact with each of the second semiconductor layers, in a width direction center of the first semiconductor layer. An insulating region is provided, and the first main electrode is brought into low resistance contact with two first semiconductor layers divided into two by the insulating region across the insulating region, and the insulating region of the insulating region is also provided. It is achieved by providing a conductive region in a state of being insulated from the first semiconductor layer between the second semiconductor region and the insulating region on the side opposite to the first main electrode.
【0034】また、前記目的は、半導体基体の一対の主
平面間に隣接相互で導電型が異なる少なくとも3個の半
導体層が形成され、前記3個の半導体層のうち、第1半
導体層は、ほぼ一定幅の細長い形状を有し、1個以上が
前記半導体基体の第1主表面に並置され、第2半導体層
が、前記第1半導体層を包囲するように第1半導体層と
共に前記半導体基体の第1主平面に露出し、前記第1半
導体層のそれぞれに第1主電極が低抵抗接触され、前記
各第2半導体層に制御電極が低抵抗接触された構造を単
位半導体素子とし、該単位半導体素子を複数個並列に接
続し、前記単位半導体素子の各制御電極を前記半導体基
体上に設けた制御端子に接続した半導体装置において、
前記複数の単位半導体素子として、前記第1半導体層の
幅方向中央に絶縁領域が設けられ、前記第1主電極が、
前記絶縁領域により2分割された2つの第1半導体層
に、前記絶縁領域をまたいで低抵抗接触している第1の
単位半導体素子と、前記第1半導体層の幅方向中央に絶
縁領域を設けない第2の単位半導体素子とを混在させる
ことにより達成される。Further, the object is to form at least three semiconductor layers having different conductivity types from each other between a pair of main planes of a semiconductor substrate, and the first semiconductor layer among the three semiconductor layers is One or more juxtaposed to the first major surface of the semiconductor body, having a substantially constant width, and a second semiconductor layer together with the first semiconductor layer so as to surround the first semiconductor layer; Of the first semiconductor layer, the first main electrode is in low resistance contact with each of the first semiconductor layers, and the control electrode is in low resistance contact with each of the second semiconductor layers as a unit semiconductor element, In a semiconductor device in which a plurality of unit semiconductor elements are connected in parallel and each control electrode of the unit semiconductor element is connected to a control terminal provided on the semiconductor substrate,
As the plurality of unit semiconductor elements, an insulating region is provided in the widthwise center of the first semiconductor layer, and the first main electrode is
A first unit semiconductor element, which is in low resistance contact across the insulating region, and an insulating region are provided in the center in the width direction of the first semiconductor layer, on the two first semiconductor layers divided by the insulating region. This is achieved by mixing the second unit semiconductor element which does not exist.
【0035】また、前記目的は、前記第1の単位半導体
素子を、前記絶縁領域の前記絶縁領域をまたぐ第1主電
極と反対側の前記絶縁領域と第2半導体領域との間に、
前記第1半導体層と絶縁された状態で導通領域を設けた
構造とすることにより達成される。[0035] Further, the above object is to provide the first unit semiconductor element between the insulating region and the second semiconductor region on the opposite side of the first main electrode across the insulating region of the insulating region.
This is achieved by adopting a structure in which a conductive region is provided while being insulated from the first semiconductor layer.
【0036】また、前記目的は、前記制御端子を、円形
形状を持つ半導体基体の中央に配置し、前記第1の単位
半導体素子を、前記制御素子周辺の前記半導体基体の中
央部に配置することにより達成される。The object is to dispose the control terminal in the center of a semiconductor substrate having a circular shape and dispose the first unit semiconductor element in the center of the semiconductor substrate around the control element. Achieved by
【0037】さらに、前記目的は、前述した構成の半導
体装置をスイッチング素子として使用して電力変換装置
を構成することにより達成される。Further, the above object can be achieved by using the semiconductor device having the above-mentioned structure as a switching element to form a power conversion device.
【0038】前述した本発明の構成によれば、ターンオ
フ時の主電流の最終電流集中領域を圧接による弊害を受
けずに2分割することができ、また、単位半導体素子内
の分割された最終電流集中領域の電流分担をバランスさ
せることができる。According to the above-described structure of the present invention, the final current concentration region of the main current at turn-off can be divided into two without being affected by the pressure contact, and the divided final current in the unit semiconductor element can be divided. It is possible to balance the current sharing in the concentrated region.
【0039】さらに、ターンオフ耐量の大きい単位半導
体素子に最終電流集中を生起させることができ、かつ、
比較的半導体基体内の特性ばらつきの少ない領域に、最
終電流集中領域を置くことができるので、それらの各単
位半導体素子間の電流分担をほぼ均一化することができ
る。Furthermore, the final current concentration can be generated in the unit semiconductor element having a large turn-off resistance, and
Since the final current concentration region can be placed in a region in which the characteristic variation in the semiconductor substrate is relatively small, the current sharing among the respective unit semiconductor elements can be made substantially uniform.
【0040】[0040]
【発明の実施の形態】以下、本発明による半導体装置及
びそれを用いた電力変換装置の実施形態を、半導体装置
として、GTOを例に上げて図面により詳細に説明す
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of a semiconductor device and a power converter using the same according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings by taking a GTO as an example of a semiconductor device.
【0041】図1は本発明の第1の実施形態による単位
GTOの構造を示す断面図、図2は図1に示す単位GT
Oの上面図である。図1、図2において、61は絶縁層
であり、他の符号は図14の場合と同一である。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a unit GTO according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a unit GT shown in FIG.
It is a top view of O. In FIGS. 1 and 2, reference numeral 61 is an insulating layer, and other reference numerals are the same as those in FIG.
【0042】図1、図2に示す本発明の第1の実施形態
による単位GTOは、その遮断耐量を向上させるため
に、主電流の最終集中領域に絶縁領域を設けたものであ
り、基本的な半導体層の構造及び電極構造は、図14に
より説明した一般的な単位GTOと同様である。そし
て、この本発明の第1の実施形態は、主電流が集中する
n型エミッタ層8の長手方向の中央部に絶縁層61が設
けられて構成されている点で、図1に示す単位GTOの
構造と相違し、また、n型エミッタ層8を分離するよう
に絶縁層61が設けられている点で、n型エミッタ層を
p型ベース層7により2分し、カソード電極2とp型ベ
ース層7とが短絡しないように絶縁領域130を置く図
16に示す単位GTOの構造と相違している。The unit GTO according to the first embodiment of the present invention shown in FIGS. 1 and 2 is provided with an insulating region in the final concentrated region of the main current in order to improve the interruption withstand capability thereof. The structure of the semiconductor layer and the electrode structure are similar to those of the general unit GTO described with reference to FIG. The first embodiment of the present invention is configured so that the insulating layer 61 is provided at the central portion in the longitudinal direction of the n-type emitter layer 8 where the main current is concentrated, and thus the unit GTO shown in FIG. The structure is different from that of FIG. 2 and the insulating layer 61 is provided so as to separate the n-type emitter layer 8. The n-type emitter layer is divided into two by the p-type base layer 7, and the cathode electrode 2 and the p-type This is different from the structure of the unit GTO shown in FIG. 16 in which the insulating region 130 is provided so as not to short-circuit with the base layer 7.
【0043】すなわち、本発明の第1の実施形態は、図
1に示すように、図14により説明した一般的な単位G
TOのn型エミッタ層8を2分割するように、例えば、
シリコン酸化膜等の絶縁層61を入れたものである。絶
縁層61は、先に説明したように絶縁層61を入れる前
のターンオフ時の主電流の最終集中領域となる部位に位
置し、その位置は、n型エミッタ層8の幅方向の1/2
のところである。そして、この絶縁層61は、カソード
電極2がn型エミッタ層8に低抵抗接触する側で、n型
エミッタ層8の面と同一平面を構成するように、また、
その仮面が僅かにp型ベース層7の中に入り込むように
形成される。これにより、ターンオフ時の主電流の最終
集中領域は、最終電流集中領域60a、60bのように
2分割される。That is, in the first embodiment of the present invention, as shown in FIG. 1, the general unit G described with reference to FIG.
To divide the n-type emitter layer 8 of TO into two, for example,
An insulating layer 61 such as a silicon oxide film is inserted. As described above, the insulating layer 61 is located in a region that becomes a final concentrated region of the main current at turn-off before the insulating layer 61 is inserted, and the position thereof is ½ in the width direction of the n-type emitter layer 8.
Is where The insulating layer 61 is formed so as to be flush with the surface of the n-type emitter layer 8 on the side where the cathode electrode 2 makes low resistance contact with the n-type emitter layer 8.
The temporary surface is formed so as to slightly enter the p-type base layer 7. As a result, the final concentrated region of the main current at turn-off is divided into two, such as final concentrated regions 60a and 60b.
【0044】図2に示すように、前述の実施形態による
単位GTOの上面は、半導体基体1上にゲート電極3
a、3bに囲まれてカソード電極2が配置された形状を
有し、カソード電極2の直下のn型エミッタ層8の長手
方向と同一の長さを持つ絶縁層61がn型エミッタ層8
をその長手方向に2分割している。そして、カソード電
極2上に示した領域70、71が、ターンオフ時の主電
流の最終集中領域となり、主電流の最終集中領域が2分
割されることになる。この領域は、単位GTO内の狭い
領域なので半導体層、電極の特性ばらつきが小さいこと
から、カソード電極2のほぼ中央の絶縁層61の両側に
位置することになり、それぞれを半円で囲んだ範囲72
が、単位GTOの最終電流集中領域において電力損失に
より過大な温度上昇が起こる温度が逃げる範囲となり、
図15により説明したものに比較して増大している。As shown in FIG. 2, the upper surface of the unit GTO according to the above-described embodiment has the gate electrode 3 on the semiconductor substrate 1.
The insulating layer 61 having a shape in which the cathode electrode 2 is arranged surrounded by a and 3b and having the same length as the longitudinal direction of the n-type emitter layer 8 immediately below the cathode electrode 2 is the n-type emitter layer 8.
Is divided into two in the longitudinal direction. Then, the regions 70 and 71 shown on the cathode electrode 2 become the final concentrated region of the main current at turn-off, and the final concentrated region of the main current is divided into two. Since this region is a narrow region within the unit GTO, variations in the characteristics of the semiconductor layer and the electrode are small, so that it is located on both sides of the insulating layer 61 in the substantially center of the cathode electrode 2, and the range surrounded by a semicircle. 72
However, in the final current concentration area of the unit GTO, the temperature is a range where an excessive temperature rise due to power loss escapes.
The number is larger than that described with reference to FIG.
【0045】前述した本発明の第1の実施形態による単
位GTOは、圧接による変形、短絡の危険が無く、か
つ、外部電極との接触効率を図14により説明した従来
の場合と同等とし、単位GTOの最終電流集中領域にお
いて電力損失により過大な温度上昇が起こる場合の温度
が逃げる範囲を増大させることができるので、単位GT
Oの遮断耐量を向上させることができ、その結果、GT
O全体の遮断耐量を向上させることができる。The unit GTO according to the first embodiment of the present invention described above has no risk of deformation and short circuit due to pressure contact, and the contact efficiency with the external electrode is equal to that of the conventional case described with reference to FIG. It is possible to increase the range in which the temperature escapes when an excessive temperature rise occurs due to power loss in the final current concentration region of the GTO.
The interruption resistance of O can be improved, and as a result, GT
It is possible to improve the interruption resistance of the whole O.
【0046】図3は単位GTOの遮断耐量の実験結果を
説明する特性図であり、次に、図3を参照して、図1
4、図15により説明した一般的な単位GTOと、図
1、図2により説明した本発明の第1の実施形態による
単位GTOとの遮断耐量について説明する。FIG. 3 is a characteristic diagram for explaining the experimental result of the breaking tolerance of the unit GTO. Next, referring to FIG.
4, the interruption withstand capability between the general unit GTO described with reference to FIG. 15 and the unit GTO according to the first embodiment of the present invention described with reference to FIGS. 1 and 2 will be described.
【0047】図3は横軸にターンオフ限界時のアノード
−カソード間電圧をとり、縦軸に同じくターンオフ限界
時のアノード電流を示したものであり、曲線50が一般
的な単位GTOの特性を示し、曲線51が本発明の第1
の実施形態による単位GTOの特性を示している。これ
らの特性から判るように、n型エミッタ層を2分割した
本発明の第1の実施形態の単位GTOの遮断耐量が大幅
に向上していることが判る。FIG. 3 shows the anode-cathode voltage at the turn-off limit on the abscissa and the anode current at the turn-off limit on the ordinate, and the curve 50 shows the characteristic of a general unit GTO. The curve 51 is the first of the present invention.
3 shows characteristics of a unit GTO according to the embodiment of FIG. As can be seen from these characteristics, it can be seen that the breaking tolerance of the unit GTO of the first embodiment of the present invention in which the n-type emitter layer is divided into two is significantly improved.
【0048】図4は本発明の第2の実施形態による単位
GTOの構造を示す断面図、図5は図4に示す単位GT
Oの上面図である。図4、図5において、66は導通領
域であり、他の符号は図1、図2の場合と同一である。FIG. 4 is a sectional view showing the structure of a unit GTO according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a unit GT shown in FIG.
It is a top view of O. In FIGS. 4 and 5, reference numeral 66 is a conductive region, and other reference numerals are the same as those in FIGS. 1 and 2.
【0049】この本発明の第2の実施形態による単位G
TOは、本発明の第1の実施形態による単位GTOにお
けるターンオフ時の主電流の2分割された最終集中領域
の電流のバランスを保つために、絶縁領域61の下のp
型ベース層7との間に導通領域66を設けて構成したも
のである。The unit G according to the second embodiment of the present invention
The TO is p below the insulating region 61 in order to keep the balance of the current in the final divided region of the main current at turn-off in the unit GTO according to the first embodiment of the present invention.
A conductive region 66 is provided between the mold base layer 7 and the mold base layer 7.
【0050】図4はp型ベース層7とn型エミッタ層8
との接合(以下、j3接合という)の近辺を拡大して示
しており、この単位GTOは、絶縁領域61の下に、例
えば、高不純物濃度のp層等の導通領域66を、各電極
及びn型エミッタ層8と接触しないように加えたもので
ある。FIG. 4 shows a p-type base layer 7 and an n-type emitter layer 8.
The vicinity of the junction (hereinafter referred to as j3 junction) is shown in an enlarged manner, and this unit GTO has, for example, a conduction region 66 such as a p-layer having a high impurity concentration under the insulating region 61. It is added so as not to contact the n-type emitter layer 8.
【0051】この本発明の第2の実施形態において、n
型エミッタ層8の中央部に絶縁層61を設けることによ
り、ターンオフ時の最終電流集中領域が電流集中領域6
0a、電流集中領域60bに2分割され、遮断耐量を向
上させることができることは、前述した本発明の第1の
実施形態の場合と同様である。In the second embodiment of the present invention, n
By providing the insulating layer 61 in the central portion of the type emitter layer 8, the final current concentration region at the time of turn-off is the current concentration region 6
0a and the current concentration region 60b are divided into two, and the interruption resistance can be improved as in the case of the first embodiment of the present invention described above.
【0052】そして、ターンオフ時、ゲート電極3a、
3bと電流集中領域60a、60bとの抵抗14a、1
4bにより決まる電流集中領域のj3接合近傍の丸で囲
んだ箇所67、68の電位が同一であれば、電流集中領
域60a、電流集中領域60bに集中した電流が同一と
なり、単位GTOは最大の遮断耐量を得ることができ
る。逆に、抵抗14a、14bが等しくない場合、丸で
囲んだ箇所67、68の電位が異なることになり、電流
集中領域60a、電流集中領域60bに集中した電流に
差が生じてしまう。その結果、単位GTOの遮断耐量
は、多く電流が集中する電流集中領域で決まり、単位G
TOの2分割された集中電流の和が等しいとすると、単
位GTOは、最大の遮断耐量を得ることができない。At turn-off, the gate electrodes 3a,
3b and current concentration regions 60a and 60b, and resistors 14a and 1b.
If the potentials of the circled parts 67 and 68 near the j3 junction in the current concentration region determined by 4b are the same, the currents concentrated in the current concentration region 60a and the current concentration region 60b are the same, and the unit GTO is the maximum cutoff. Withstand can be obtained. On the contrary, when the resistors 14a and 14b are not equal, the potentials of the circled portions 67 and 68 are different, and the currents concentrated in the current concentration regions 60a and 60b are different from each other. As a result, the breaking tolerance of the unit GTO is determined by the current concentration region where a large amount of current concentrates, and the unit GTO
If the sum of the concentrated currents of the two divided TOs is the same, the unit GTO cannot obtain the maximum interruption withstand capability.
【0053】本発明の第2の実施形態は、丸で囲んだ箇
所67、68を低抵抗で接続するように導通領域66を
設けているので、この導通領域66、n型エミッタ層
8、カソード電極2を介するループ電流65が流れ、こ
れにより、丸で囲んだ箇所67、68の電位をほぼ等し
くすることがてきる。In the second embodiment of the present invention, since the conduction region 66 is provided so as to connect the circled portions 67 and 68 with low resistance, the conduction region 66, the n-type emitter layer 8 and the cathode are provided. A loop current 65 flows through the electrode 2, which makes it possible to make the potentials of the circled points 67 and 68 substantially equal.
【0054】次に、本発明の第2の実施形態による単位
GTOの長手方向のバランスについて図5を用い説明す
る。図5には示していないが、導通領域66は、n型エ
ミッタ層8の長手方向と同一の長さを持つ絶縁層61の
下部に設けられており、単位GTO幅方向と同様に、長
手方向においても電位を等しくするよう作用する。この
ため、図5に示すように、ターンオフ時の主電流の最終
集中領域70、71は、長手方向のバランスによって長
手方向にも拡がる。これにより、本発明の第2の実施形
態によるGTOは、温度が逃げる範囲が、図5に領域7
2で示す範囲となり、本発明の第1の実施形態の場合に
比較して増大させることができ、単位面積当たりの電流
集中をさらに和らげることができる。Next, the longitudinal balance of the unit GTO according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. Although not shown in FIG. 5, the conduction region 66 is provided below the insulating layer 61 having the same length as the longitudinal direction of the n-type emitter layer 8, and is similar to the unit GTO width direction in the longitudinal direction. Also acts to make the potentials equal. Therefore, as shown in FIG. 5, the final concentrated regions 70 and 71 of the main current at the time of turn-off also spread in the longitudinal direction due to the balance in the longitudinal direction. As a result, in the GTO according to the second embodiment of the present invention, the range where the temperature escapes is the area 7 in FIG.
The range shown by 2 can be increased as compared with the case of the first embodiment of the present invention, and the current concentration per unit area can be further alleviated.
【0055】前述した本発明の第2の実施形態によれ
ば、単位GTOの長手方向の電流集中を緩和し第1の実
施形態による効果をさらに高めることができ、かつ、単
位GTOの幅方向の電位のバランスをとることができる
ので、本発明の第1の実施形態による効果を効率的に実
現することができる。According to the second embodiment of the present invention described above, the concentration of current in the longitudinal direction of the unit GTO can be alleviated and the effect of the first embodiment can be further enhanced, and the width of the unit GTO in the width direction can be increased. Since the potentials can be balanced, the effect according to the first embodiment of the present invention can be efficiently realized.
【0056】前述した本発明の第1、第2の実施形態
は、アノードからカソードに向かって半導体基体1がp
npnの4層構造から構成されているとして説明した
が、本発明は、各層を反対導電型としたnpnpの4層
構造としてもよい。また、前述の各実施形態は、本発明
をGTOに適用したものとして説明したが、本発明は、
p型エミッタ層を高不純物濃度n層とすることにより、
本発明に従ったTRSを得ることができ、この場合に
も、同様の効果をTRSにおいて得ることができる。In the above-described first and second embodiments of the present invention, the semiconductor substrate 1 is p-typed from the anode to the cathode.
Although the description has been made assuming that it is configured by an npn four-layer structure, the present invention may be an npnp four-layer structure in which each layer has an opposite conductivity type. Further, although the above-described respective embodiments have been described as those in which the present invention is applied to the GTO, the present invention is
By making the p-type emitter layer a high impurity concentration n layer,
The TRS according to the present invention can be obtained, and in this case, the same effect can be obtained in the TRS.
【0057】本発明は、j3接合近傍の最終電流集中
と、過剰なキャリアの引き抜きに関するもので、本発明
の実施に際して、アノード側の構造による制限を受ける
ことはない。The present invention relates to final current concentration near the j3 junction and extraction of excess carriers, and is not limited by the structure on the anode side when the present invention is carried out.
【0058】前述した本発明の第1、第2の実施形態
は、単位GTOの構造に関するものであったが、次に、
前述した実施形態による単位GTOを多数形成したペレ
ット構成の実施形態について説明するが、その前に、ま
ず、GTOの遮断耐量とゲート電流との関係について説
明する。The above-described first and second embodiments of the present invention were related to the structure of the unit GTO.
An embodiment of a pellet structure in which a large number of unit GTOs are formed according to the above-described embodiment will be described. Before that, first, a relationship between the GTO interruption resistance and the gate current will be described.
【0059】図6は時間を横軸としたターンオフ時のG
TOのカソード電流、アノード・カソード間電圧、ゲー
ト電流の波形を示す図であり、図6において、80はカ
ソード電流、81はアノード・カソード間電圧、82は
ゲート電流であり、これらは、84として示されるGT
OのIK、VAK、IGに対応する。FIG. 6 shows G at turn-off with time as the horizontal axis.
FIG. 7 is a diagram showing waveforms of a TO cathode current, an anode-cathode voltage, and a gate current. In FIG. 6, 80 is a cathode current, 81 is an anode-cathode voltage, and 82 is a gate current. GT shown
Corresponds to O's IK, VAK, and IG.
【0060】図6では、GTOが時刻0で外部制御回路
によりターンオフを開始するとしている。この図で着目
するものは、カソード電流80がTの期間83にマイナ
ス方向、すなわち、逆方向に流れることである。これ
は、ゲート電流がカソード電流に重畳されることによる
もので、このマイナスであるTの期間83が存在するこ
とは、GTOを構成するn型エミッタ層の過剰キャリア
が全て引き抜かれ、GTOがターンオフを終了している
ことを意味する。In FIG. 6, it is assumed that the GTO starts turn-off at time 0 by the external control circuit. What is focused on in this figure is that the cathode current 80 flows in the negative direction, that is, in the reverse direction during the period 83 of T. This is because the gate current is superposed on the cathode current. The existence of the period T of minus T means that all the excess carriers in the n-type emitter layer forming the GTO are extracted and the GTO is turned off. Means that you have finished.
【0061】しかし、このカソード電流80の波形は、
GTO全体の波形であり、単位GTOについてみると、
単位GTO相互の特性のばらつき等があるため、並列動
作する多数の単位GTOの中には、このTの期間83が
存在しない単位GTOが存在することがある。GTO
は、単位GTOを並列に接続したものであるから、アノ
ード・カソード間電圧81は、各単位GTOに共通であ
り、Tの期間83が存在しない(ターンオフが終了して
いない)単位GTOにも同様のアノード・カソード間電
圧がかかることになる。この結果、このターンオフが終
了していない単位GTOに過電流が流れ、GTOが破壊
してしまうことになる。However, the waveform of this cathode current 80 is
It is the waveform of the whole GTO. Looking at the unit GTO,
Due to variations in characteristics between the unit GTOs and the like, there may be a unit GTO in which the period 83 of T does not exist among the many unit GTOs operating in parallel. GTO
Is a unit GTO connected in parallel, the anode-cathode voltage 81 is common to each unit GTO, and the same applies to the unit GTO in which the period 83 of T does not exist (turn-off is not completed). Therefore, the voltage between the anode and the cathode is applied. As a result, an overcurrent flows in the unit GTO whose turn-off has not ended, and the GTO is destroyed.
【0062】前述したTの期間83の存在には、ゲート
電流82のTの期間83に対応する時間の電流、一般
に、この電流をゲートアバランシェ電流というが、この
電流が大きく関わっている。The existence of the above-described T period 83 is largely related to the current of the gate current 82 at a time corresponding to the T period 83, which is generally called a gate avalanche current.
【0063】図7はゲートアバランシェ電流と遮断耐量
(同電圧下の遮断限界電流)との関係を説明する図であ
る。FIG. 7 is a diagram for explaining the relationship between the gate avalanche current and the breaking capability (breaking limit current under the same voltage).
【0064】この図は、小容量のGTOを用いて発明者
らがゲートアバランシェ電流を横軸に、遮断耐量を縦軸
にプロットした実験結果を示すものである。特性曲線8
5から判るように、ゲートアバランシェ電流が大きくな
るほどGTOの遮断耐量が向上している。実際のGTO
におけるゲートアバランシェ電流は、特性曲線85の傾
斜部の領域、すなわち、曲線85の傾斜部と平坦部との
境界線86よりかなり小さいと部分が使用されている。
この図から、ゲートアバランシェ電流の増加による遮断
耐量の向上の効果が顕著であることがわかる。すなわ
ち、単位GTOの遮断耐量の向上には、ある値以上のゲ
ートアバランシェ電流が必要である。This figure shows the experimental results obtained by the inventors using a small capacity GTO to plot the gate avalanche current on the horizontal axis and the breaking capability on the vertical axis. Characteristic curve 8
As can be seen from FIG. 5, the larger the gate avalanche current, the higher the GTO interruption resistance. Actual GTO
The gate avalanche current in is used in a region of the slope of the characteristic curve 85, that is, a portion that is considerably smaller than the boundary line 86 between the slope and the flat portion of the curve 85.
From this figure, it can be seen that the effect of improving the interruption withstand capability due to the increase in the gate avalanche current is remarkable. That is, in order to improve the breaking tolerance of the unit GTO, a gate avalanche current of a certain value or more is required.
【0065】図8は本発明の第3の実施形態を適用する
GTOペレットの構成を説明する平面図、図9は本発明
の第3の実施形態によるGTOペレットの構成を説明す
る平面図である。図8、図9において、90はGTOペ
レット、91はゲート引き出し電極、92は単位GTO
のカソード電極である。FIG. 8 is a plan view illustrating the structure of a GTO pellet to which the third embodiment of the present invention is applied, and FIG. 9 is a plan view illustrating the structure of a GTO pellet according to the third embodiment of the present invention. . In FIGS. 8 and 9, 90 is a GTO pellet, 91 is a gate extraction electrode, and 92 is a unit GTO.
Of the cathode electrode.
【0066】以下に説明する本発明の第3の実施形態
は、前述した知見に基づいたGTOペレット構成に関す
るものであり、ターンオフ時の主電流最終集中領域をG
TOのゲート引き出し電極91の近くに位置させるよう
にしたものであり、このため、その領域に配置する単位
GTOを前述した本発明の第1、第2の実施形態による
構造としたものである。The third embodiment of the present invention described below relates to the GTO pellet structure based on the above-mentioned findings, and the main current final concentration region at the time of turn-off is set to G
The TO is located near the gate lead-out electrode 91. Therefore, the unit GTO arranged in that region has the structure according to the above-described first and second embodiments of the present invention.
【0067】図8に示す本発明の第3の実施形態が適用
されるGTOペレット90の例は、中心にゲート引き出
し電極91を有するセンターゲート構造のものであり、
単位GTOのカソード電極92が、GTO主平面上に複
数のリングを構成するように並列に配置されている。図
8に示す例では、図面の簡略化のために4リング構造と
しているが、現在、10リング以上、単位GTOを5千
個以上配列したものが作製されている。An example of a GTO pellet 90 to which the third embodiment of the present invention shown in FIG. 8 is applied is a center gate structure having a gate extraction electrode 91 in the center,
The cathode electrodes 92 of the unit GTO are arranged in parallel on the GTO main plane so as to form a plurality of rings. In the example shown in FIG. 8, a 4-ring structure is used for simplification of the drawing, but currently, 10 rings or more and 5,000 or more unit GTOs are arranged.
【0068】図8において、単位GTOにより構成され
るリングを、内周より1リング、2リング、3リング、
4リングと呼ぶことにすると、最内周の1リングに含ま
れる単位GTOからゲート引き出し電極91までの距離
93と、最外周の4リングに含まれる単位GTOからゲ
ート引き出し電極91までの距離94とで差があること
が判る。この差は、口径が大きくなるほど、また、リン
グ数が増加するほど顕著になる。単位GTOからゲート
引き出し電極91までの距離の差は、単位GTOのゲー
ト電極とGTOのゲート引き出し電極91との間の抵抗
値の差として表れることになる。そして、この抵抗値が
小さいほど、単位GTOのゲート電流を引き抜き易いこ
とは明らかである。In FIG. 8, the rings formed by the unit GTO are divided into 1 ring, 2 rings, 3 rings from the inner circumference.
When referred to as a 4-ring, a distance 93 from the unit GTO included in one innermost ring to the gate lead electrode 91 and a distance 94 from the unit GTO included in the outermost four rings to the gate lead electrode 91. It turns out that there is a difference. This difference becomes more remarkable as the diameter increases and the number of rings increases. The difference in the distance from the unit GTO to the gate lead-out electrode 91 appears as the difference in resistance between the gate electrode of the unit GTO and the gate lead-out electrode 91 of the GTO. It is clear that the smaller the resistance value, the easier it is to draw out the gate current of the unit GTO.
【0069】本発明の第3の実施形態は、この単位GT
Oのゲート電極とGTOのゲート引き出し電極91との
間の抵抗値が小さいリングに、GTO全体としての最終
電流集中領域を位置させるようにし、そのリングに前述
した本発明の第1、第2の実施形態による高遮断耐量の
単位GTOを配置するものである。図8に示す例では、
GTOのゲート引き出し電極91がGTOペレットの中
心部に設けられるセンターゲート構造であるので、最終
電流集中領域を1リング、あるいは、1リング及び2リ
ングに位置させる。In the third embodiment of the present invention, this unit GT is used.
The final current concentration region of the entire GTO is located in a ring having a small resistance value between the O gate electrode and the GTO gate extraction electrode 91, and the first and second embodiments of the present invention described above are located in the ring. The unit GTO having a high interruption resistance according to the embodiment is arranged. In the example shown in FIG.
Since the gate extraction electrode 91 of the GTO has the center gate structure provided in the central portion of the GTO pellet, the final current concentration region is located on one ring, or one ring and two rings.
【0070】図9に示す本発明の第3の実施形態を示す
GTOペレット90は、図8を簡略化して示したもの
で、GTOのターンオフ時の主電流の最終集中領域と同
一の領域120内に、本発明の第1または第2の実施形
態による遮断耐量の高い単位GTOを位置させることを
示している。A GTO pellet 90 showing a third embodiment of the present invention shown in FIG. 9 is a simplified version of FIG. 8, and is in the same region 120 as the final concentration region of the main current at the turn-off of the GTO. It is shown that the unit GTO having a high interruption resistance according to the first or second embodiment of the present invention is located in FIG.
【0071】前述では、単位GTOのゲート電極とGT
Oのゲート引き出し電極91との間の抵抗値が小さいリ
ングに、すなわち、センターゲート構造の場合内周側の
リングに、遮断耐量の高い単位GTOを配置するとした
が、遮断耐量の高い単位GTOをペレットの全面に配置
することによっても、GTOペレット90全体の遮断耐
量を向上させることができる。In the above description, the gate electrode of the unit GTO and the GT
Although it has been stated that the unit GTO having a high interruption resistance is arranged in the ring having a small resistance value between O and the gate extraction electrode 91, that is, in the ring on the inner peripheral side in the case of the center gate structure, the unit GTO having a high interruption resistance is arranged. By arranging the pellets on the entire surface of the pellets, it is possible to improve the interruption resistance of the entire GTO pellets 90.
【0072】しかし、遮断耐量の高い単位GTOは、そ
の強度等を確保しながら製造することが難しく高価にな
りがちである。前述本発明の第3の実施形態による構造
は、その一部にのみ遮断耐量の高い単位GTOを配置す
ることにより、効果を同程度に維持たまま、その製造を
容易にし、かつ、素子の高価格化を抑えることができる
ものである。以下、このことを、図10を参照して説明
する。However, it is difficult to manufacture a unit GTO having a high interruption resistance while securing its strength and the like, and it tends to be expensive. In the structure according to the third embodiment of the present invention described above, by disposing the unit GTO having a high breaking resistance only in a part of the structure, the manufacturing is facilitated while maintaining the same effect, and the device height is improved. The price can be suppressed. Hereinafter, this will be described with reference to FIG.
【0073】図10はターンオフ時のGTOの各リング
のアノード電流波形を説明する図である。この図は、タ
ーンオフ時のGTOの各リングのアノード電流波形12
5〜128の発明者等によるシミュレーション波形を、
横軸を時間軸として模式的に描いたものである。この図
において、電流波形128が最終電流集中領域に在るリ
ングのアノード電流波形であり、電流波形127〜12
5が最終電流集中領域から遠くなる位置にあるリングの
アノード電流波形である。FIG. 10 is a diagram for explaining the anode current waveform of each ring of the GTO at the time of turn-off. This figure shows the anode current waveform 12 of each ring of the GTO at turn-off.
Simulation waveforms by the inventors of 5 to 128,
The horizontal axis is a time axis. In this figure, the current waveform 128 is the anode current waveform of the ring in the final current concentration region, and the current waveforms 127 to 12
5 is the anode current waveform of the ring located at a position far from the final current concentration region.
【0074】いま、時刻0で外部制御回路により、GT
Oがターンオフを開始したものとする。図10に示すよ
うに、各リングでターンオフが早く終了する順に、電流
波形125、126、127、128となる。最終電流
集中領域に在るリングのアノード電流128は、単位G
TO換算しても最大である。そして、ターンオフの最終
段階では、他のリングのアノード電流125〜127は
すでに流れていない。At time 0, the external control circuit causes the GT
Suppose O has started to turn off. As shown in FIG. 10, the current waveforms 125, 126, 127, and 128 are formed in the order in which the turn-off ends early in each ring. The anode current 128 of the ring in the final current concentration region is the unit G
It is the maximum even when converted to TO. Then, at the final stage of turn-off, the anode currents 125 to 127 of the other rings have not flowed.
【0075】前述から、GTOの遮断耐量は、最終電流
集中領域にある単位GTOの遮断耐量により決まること
が判る。従って、ターンオフ時の主電流の最終集中領域
となる領域120に、遮断耐量の高い単位GTOを位置
させることにより、GTO上の全単位GTOを遮断耐量
の高い単位GTOにしたときと同一の効果を得ることが
できる。なお、このとき、他のリングのアノード電流1
25〜127が流れる領域の単位GTOの遮断耐量は、
単位GTO換算した各々のアノード電流のピーク値を遮
断することのできる大きさが必要である。From the above, it is understood that the interruption withstand capability of the GTO is determined by the interruption withstand capability of the unit GTO in the final current concentration region. Therefore, by arranging the unit GTO having a high interruption withstand capability in the region 120 which is the final concentration region of the main current at turn-off, the same effect as when all the unit GTOs on the GTO are made into the unit GTO having a high interruption withstand capability is obtained. Obtainable. At this time, the anode current 1 of the other ring
The breaking tolerance of the unit GTO in the region where 25 to 127 flows is
It is necessary to have a size capable of cutting off the peak value of each anode current converted into unit GTO.
【0076】次に、GTOペレットの内の意図する位置
に最終電流集中領域を作製することについて説明する。Next, the production of the final current concentration region at the intended position in the GTO pellet will be described.
【0077】GTOペレットの内の最終電流集中領域を
意図する位置に作るためには、最終電流集中領域とした
い領域に配置する単位GTOのn型エミッタ層の幅を、
他の領域の単位GTOのn型エミッタ層の幅より大きく
する、あるいは、早くターンオフさせたい領域のキャリ
アのライフタイムを短くし過剰キャリア量を減らす等の
方法がある。このうち、最終電流集中領域としたい領域
に配置する単位GTOのn型エミッタ層の幅を、他の領
域の単位GTOのn型エミッタ層の幅より大きくし、最
終電流集中領域を意図する位置に作る方法を図11によ
り説明する。In order to form the final current concentration region in the GTO pellet at an intended position, the width of the n-type emitter layer of the unit GTO arranged in the region to be the final current concentration region is set to
There are methods such as making the width larger than the width of the n-type emitter layer of the unit GTO in the other region, or shortening the carrier lifetime in the region where it is desired to turn off earlier to reduce the excess carrier amount. Of these, the width of the n-type emitter layer of the unit GTO to be arranged in the region to be the final current concentration region is made larger than the width of the n-type emitter layer of the unit GTO in the other region so that the final current concentration region is located at the intended position. The method of making will be described with reference to FIG.
【0078】図11は内周部の単位GTOと外周部の単
位GTOとの構造を説明する断面図である。FIG. 11 is a sectional view for explaining the structure of the unit GTO in the inner peripheral portion and the unit GTO in the outer peripheral portion.
【0079】図11には、内周部の単位GTO111と
外周部の単位GTO112とGTOのゲート引き出し電
極91とを模擬的に示している。内周部の単位GTO1
11とGTOのゲート引き出し電極91とは、その距離
が短いため低抵抗で接続されている。外周部の単位GT
O112とGTOのゲート引き出し電極91とは、その
距離が長いので、抵抗成分115を持つ経路で接続され
ることになる。FIG. 11 schematically shows the unit GTO 111 in the inner peripheral portion, the unit GTO 112 in the outer peripheral portion, and the gate lead-out electrode 91 of the GTO. Inner peripheral unit GTO1
11 and the gate lead-out electrode 91 of the GTO are connected with a low resistance because the distance between them is short. Unit GT on the outer periphery
Since the O112 and the gate lead-out electrode 91 of the GTO have a long distance, they are connected to each other through a path having the resistance component 115.
【0080】前述の構造において、内周部の単位GTO
111と外周部の単位GTO112とが同一の構造を持
つものとすると、それぞれの単位GTOのp型ベース層
7の過剰キャリアの引き抜きは、外周部の単位GTO1
12ほど遅くなり、外周部に最終電流集中領域が位置す
ることになる。In the above structure, the unit GTO of the inner peripheral portion
If 111 and the unit GTO 112 in the outer peripheral portion have the same structure, extraction of excess carriers from the p-type base layer 7 of each unit GTO is performed in the unit GTO 1 in the outer peripheral portion.
It is delayed by about 12, and the final current concentration region is located in the outer peripheral portion.
【0081】しかし、図11に示すように、n型エミッ
タ層7の幅を内周部の単位GTO111ほど広くし、ゲ
ート、カソード間の横方向抵抗109、110を、経路
の抵抗成分115の影響を打ち消しそれを超える程度
に、内周部の単位GTO111の横方向抵抗109を外
周部の単位GTO112の横方向抵抗110より大きく
することにより、最終電流集中領域をGTOペレットの
内周部に形成することができる。However, as shown in FIG. 11, the width of the n-type emitter layer 7 is made wider as much as the unit GTO 111 in the inner peripheral portion, and the lateral resistances 109 and 110 between the gate and the cathode are influenced by the resistance component 115 of the path. And the lateral resistance 109 of the unit GTO 111 in the inner peripheral portion is made larger than the lateral resistance 110 of the unit GTO 112 in the outer peripheral portion so that the final current concentration region is formed in the inner peripheral portion of the GTO pellet. be able to.
【0082】本発明の第4の実施形態は、図11により
説明した単位GTOの構造を使用するものであり、GT
Oペレットのゲート引き出し電極の近傍領域に、前述し
た本発明の第1、第2の実施形態による構造の単位GT
Oを配し、その単位GTOのn型エミッタ層の幅(2分
割された一方の幅)を他の領域に配置される単位GTO
のn型エミッタ層の幅よりも、例えば、2倍以上に大き
くするものである。The fourth embodiment of the present invention uses the structure of the unit GTO described with reference to FIG.
In the region near the gate extraction electrode of the O pellet, the unit GT having the structure according to the first and second embodiments of the present invention described above.
A unit GTO in which O is arranged and the width (one width divided into two) of the n-type emitter layer of the unit GTO is arranged in another region.
The width of the n-type emitter layer is, for example, twice or more.
【0083】このような本発明の第4の実施形態によれ
ば、先に説明したゲートアバランシェ電流を最終電流集
中領域から効率良く引き抜くことができ、かつ、最終電
流集中領域内の単位GTOの遮断耐量が高いためGTO
の遮断耐量を向上させることができる。According to the fourth embodiment of the present invention as described above, the gate avalanche current described above can be efficiently extracted from the final current concentration region, and the unit GTO in the final current concentration region is cut off. GTO due to high tolerance
It is possible to improve the breaking resistance of the.
【0084】図12は本発明の第5の実施形態によるG
TOペレットの構成を説明する平面図であり、GTOペ
レット90を主平面から見たものである。FIG. 12 shows the G according to the fifth embodiment of the present invention.
It is a top view explaining the composition of a TO pellet, and is what looked at GTO pellet 90 from the principal plane.
【0085】本発明の第5の実施形態は、前述で説明し
た本発明の第3の実施形態におけるターンオフ時の主電
流最終集中領域(遮断耐量が高い単位GTOが配置され
る)をGTOペレットの中心部に位置させたものであ
る。図12において、内側の領域100(図8に示す1
リングに対応)は、領域内各単位GTO間の距離が短く
比較的容易に、製造工程のばらつき(各サイズ、シート
抵抗値等)を抑えて特性を均一化して形成することがで
きる。これに対して、外側の領域101(図8の4リン
グに対応)は、領域内距離が長く特性を均一化すること
が難しい。このことによる外側リング内の単位GTOの
特性のばらつきは、口径が大きくなるほど、リング数が
増えるほど顕著になる。In the fifth embodiment of the present invention, the main current final concentration region (where the unit GTO having a high interruption withstand capability is arranged) at the time of turn-off in the above-described third embodiment of the present invention is formed as a GTO pellet. It is located in the center. In FIG. 12, an inner region 100 (1 shown in FIG.
A ring (corresponding to a ring) can be formed with a short distance between the unit GTOs in the region and relatively easily with uniform characteristics while suppressing variations in manufacturing process (each size, sheet resistance value, etc.). On the other hand, the outer region 101 (corresponding to the four rings in FIG. 8) has a long in-region distance and it is difficult to make the characteristics uniform. The variation in the characteristics of the unit GTO in the outer ring due to this becomes more remarkable as the diameter increases and the number of rings increases.
【0086】本発明の第5の実施形態は、比較的特性の
均一な単位GTOを形成することができる内側の領域1
00に、前述した第3の実施形態により説明したよう
な、ターンオフ時の主電流の最終集中領域を位置させる
構成としたものである。この結果、本発明の第5の実施
形態によるGTOは、最終集中電流領域に配置される単
位GTOの特性を均一にすることができ、領域内の単位
GTO間での最終集中電流分担を均一にすることができ
る。In the fifth embodiment of the present invention, the inner region 1 capable of forming a unit GTO having relatively uniform characteristics is used.
00, the final concentrated region of the main current at turn-off is positioned as described in the third embodiment. As a result, in the GTO according to the fifth embodiment of the present invention, the characteristics of the unit GTOs arranged in the final concentrated current region can be made uniform, and the final concentrated current sharing among the unit GTOs in the region can be made uniform. can do.
【0087】前述した本発明の第5の実施形態によれ
ば、最終電流集中領域内の単位GTOの特性を均一にす
ることができるため、最終電流集中領域内の単位GTO
間での最終集中電流分担が均等になされ、GTOペレッ
ト90全体の遮断耐量をさらに向上させることができ
る。According to the fifth embodiment of the present invention described above, since the characteristics of the unit GTO in the final current concentration area can be made uniform, the unit GTO in the final current concentration area can be made uniform.
The final concentrated currents are evenly distributed among the GTO pellets 90, and the interruption resistance of the entire GTO pellet 90 can be further improved.
【0088】前述した本発明の第3〜第5の実施形態
は、本発明をGTOに適用したものとして説明したが、
本発明は、限定されるものではなく、半導体装置上に単
位半導体素子を複数配置し、これらを並列に動作させる
大口径化された半導体装置に適用することができる。The third to fifth embodiments of the present invention described above have been described by applying the present invention to the GTO.
The present invention is not limited, and can be applied to a semiconductor device having a large diameter in which a plurality of unit semiconductor elements are arranged on a semiconductor device and these are operated in parallel.
【0089】[0089]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、単
位GTO等の単位半導体素子のターンオフ時の最終電流
集中領域を拡げることができ、単位半導体素子の遮断耐
量を向上することが、圧接による弊害を受けることなく
実現することができる。As described above, according to the present invention, the final current concentration region at the time of turn-off of a unit semiconductor device such as a unit GTO can be expanded, and the breaking resistance of the unit semiconductor device can be improved by the pressure welding. It can be realized without being adversely affected by.
【0090】また、本発明によれば、大口径化した半導
体装置において、ゲートアバランシェ電流を最終電流集
中領域から、効率良く引き抜くペレット構造とすること
ができるので、半導体装置の遮断耐量を向上することが
できる。Further, according to the present invention, in a semiconductor device having a large diameter, a pellet structure in which the gate avalanche current is efficiently extracted from the final current concentration region can be formed, so that the breaking resistance of the semiconductor device is improved. You can
【0091】さらに、本発明によれば、前述により、遮
断耐量を向上させた半導体装置を提供することができる
ので、それを用いた電力変換装置等のスナバ回路等の周
辺回路を小さくすることができ、電力変換装置の小型
化、低価格化を図ることができる。Further, according to the present invention, as described above, since it is possible to provide a semiconductor device having an improved breaking capability, it is possible to reduce the size of a peripheral circuit such as a snubber circuit of a power converter using the semiconductor device. Therefore, the size and cost of the power conversion device can be reduced.
【図1】本発明の第1の実施形態による単位GTOの構
造を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a unit GTO according to a first embodiment of the present invention.
【図2】図1に示す単位GTOの上面図である。FIG. 2 is a top view of the unit GTO shown in FIG.
【図3】単位GTOの遮断耐量の実験結果を説明する特
性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram for explaining an experimental result of interruption withstand capability of unit GTO.
【図4】本発明の第2の実施形態による単位GTOの構
造を示す断面図である。FIG. 4 is a sectional view showing a structure of a unit GTO according to a second embodiment of the present invention.
【図5】図4に示す単位GTOの上面図である。5 is a top view of the unit GTO shown in FIG. 4. FIG.
【図6】時間を横軸としたターンオフ時のGTOのカソ
ード電流、アノード・カソード間電圧、ゲート電流の波
形を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing waveforms of a cathode current, an anode-cathode voltage, and a gate current of the GTO at the time of turn-off with time as the horizontal axis.
【図7】ゲートアバランシェ電流と遮断耐量(同電圧下
の遮断限界電流)との関係を説明する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between a gate avalanche current and a withstand voltage (breaking limit current under the same voltage).
【図8】本発明の第3の実施形態を適用するGTOペレ
ットの構成を説明する平面図である。FIG. 8 is a plan view illustrating the configuration of a GTO pellet to which the third embodiment of the present invention is applied.
【図9】本発明の第3の実施形態によるGTOペレット
の構成を説明する平面図である。FIG. 9 is a plan view illustrating the structure of a GTO pellet according to a third embodiment of the present invention.
【図10】ターンオフ時のGTOの各リングのアノード
電流波形を説明する図である。FIG. 10 is a diagram illustrating an anode current waveform of each ring of the GTO at turn-off.
【図11】内周部の単位GTOと外周部の単位GTOと
の構造を説明する断面図である。FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a structure of an inner peripheral unit GTO and an outer peripheral unit GTO.
【図12】本発明の第5の実施形態によるGTOペレッ
トの構成を説明する平面図である。FIG. 12 is a plan view illustrating the structure of a GTO pellet according to a fifth embodiment of the present invention.
【図13】スナバ回路の例を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an example of a snubber circuit.
【図14】従来技術による一般的な単位GTOの構造の
一例を示す断面図である。FIG. 14 is a cross-sectional view showing an example of a structure of a general unit GTO according to a conventional technique.
【図15】図14の単位GTOの上面図である。FIG. 15 is a top view of the unit GTO of FIG.
【図16】遮断耐量を増大させた従来技術による単位G
TOの構造を示す断面図である。FIG. 16 is a unit G according to the related art in which the breaking resistance is increased.
It is sectional drawing which shows the structure of TO.
【図17】並列接続された2つの単位GTOを模擬的に
示す図である。FIG. 17 is a diagram schematically showing two unit GTOs connected in parallel.
【図18】各単位GTOにフローティングゲートを設
け、それらをGTO内で短絡し、かつ、並列接続された
2つの単位GTOを模擬的に示す図である。FIG. 18 is a diagram schematically showing two unit GTOs provided with a floating gate in each unit GTO, short-circuiting them in the GTO, and connected in parallel.
1 半導体基体 2 カソード電極 3a、3b ゲート電極 4 アノード電極 5 p型エミッタ層(pE) 6 n型ベース層(nB) 7 p型ベース層(pB) 8 n型エミッタ層(nE) 9 アノード端子 10 カソード端子 11 ゲート端子 20、21は単位GTO 30a、30b フローティングゲート電極 61 絶縁層 91 ゲート引き出し電極 1 semiconductor substrate 2 cathode electrode 3a, 3b gate electrode 4 anode electrode 5 p-type emitter layer (pE) 6 n-type base layer (nB) 7 p-type base layer (pB) 8 n-type emitter layer (nE) 9 anode terminal 10 Cathode terminal 11 Gate terminals 20, 21 are units GTO 30a, 30b Floating gate electrode 61 Insulating layer 91 Gate extraction electrode
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野瀬 秀勝 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 松吉 聡 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立工場内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Hidekatsu Onose, 3-1-1, Saiwai-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Hitachi Incorporated Hitachi, Ltd. Hitachi factory (72) Satoshi Matsuyoshi 3-chome, 1-cho, Hitachi-shi, Ibaraki No. 1 Hitachi Ltd. Hitachi factory
Claims (7)
で導電型が異なる少なくとも3個の半導体層が形成さ
れ、前記3個の半導体層のうち、第1半導体層は、ほぼ
一定幅の細長い形状を有し、第2半導体層は、前記第1
半導体層を包囲するように第1半導体層と共に前記半導
体基体の第1主平面に露出し、前記第1半導体層に第1
主電極が低抵抗接触され、前記第2半導体層に制御電極
が低抵抗接触された半導体装置において、前記第1半導
体層の幅方向中央に絶縁領域を設け、前記第1主電極
が、前記絶縁領域により2分割された2つの第1半導体
層に、前記絶縁領域をまたいで低抵抗接触していること
を特徴とする半導体装置。1. At least three semiconductor layers having different conductivity types are formed adjacent to each other between a pair of main planes of a semiconductor substrate, and the first semiconductor layer of the three semiconductor layers has a substantially constant width. The second semiconductor layer has an elongated shape, and
The semiconductor layer is exposed to the first main surface of the semiconductor substrate together with the first semiconductor layer so as to surround the semiconductor layer, and is exposed to the first semiconductor layer.
In a semiconductor device in which a main electrode is in low-resistance contact and a control electrode is in low-resistance contact with the second semiconductor layer, an insulating region is provided in the widthwise center of the first semiconductor layer, and the first main electrode is the insulating layer. A semiconductor device, wherein two first semiconductor layers divided into two regions are in low-resistance contact across the insulating region.
1主電極と反対側の前記絶縁領域と第2半導体領域との
間に、前記第1半導体層と絶縁された状態で導通領域を
設けたことを特徴とする半導体装置。2. A conductive region is provided between the second semiconductor region and the insulating region on the opposite side of the first main electrode across the insulating region of the insulating region. A semiconductor device characterized by the above.
で導電型が異なる少なくとも3個の半導体層が形成さ
れ、前記3個の半導体層のうち、第1半導体層は、ほぼ
一定幅の細長い形状を有し、1個以上が前記半導体基体
の第1主表面に並置され、第2半導体層は、前記第1半
導体層を包囲するように第1半導体層と共に前記半導体
基体の第1主平面に露出し、前記第1半導体層のそれぞ
れに第1主電極が低抵抗接触され、前記各第2半導体層
に制御電極が低抵抗接触された構造を単位半導体素子と
し、該単位半導体素子を複数個並列に接続し、前記単位
半導体素子の各制御電極を前記半導体基体上に設けた制
御端子に接続した半導体装置において、前記複数の単位
半導体素子は、前記第1半導体層の幅方向中央に絶縁領
域を設け、前記第1主電極が、前記絶縁領域により2分
割された2つの第1半導体層に、前記絶縁領域をまたい
で低抵抗接触している第1の単位半導体素子と、前記第
1半導体層の幅方向中央に絶縁領域を設けない第2の単
位半導体素子とからなることを特徴とする半導体装置。3. At least three semiconductor layers having different conductivity types are formed adjacent to each other between a pair of main planes of a semiconductor substrate, and the first semiconductor layer of the three semiconductor layers has a substantially constant width. One or more juxtaposed to the first main surface of the semiconductor body having an elongated shape, the second semiconductor layer together with the first semiconductor layer so as to surround the first semiconductor layer, and the first main surface of the semiconductor body. A structure in which a first main electrode is in low-resistance contact with each of the first semiconductor layers and a control electrode is in low-resistance contact with each of the second semiconductor layers is a unit semiconductor element, and the unit semiconductor element is exposed. In a semiconductor device in which a plurality of unit semiconductor elements are connected in parallel and each control electrode of the unit semiconductor element is connected to a control terminal provided on the semiconductor substrate, the plurality of unit semiconductor elements are arranged in the center in the width direction of the first semiconductor layer. Insulating region is provided, and the first main An electrode insulates two first semiconductor layers divided into two by the insulating region into a first unit semiconductor element in low-resistance contact across the insulating region, and insulates in the widthwise center of the first semiconductor layer. A semiconductor device comprising a second unit semiconductor element having no region.
領域の前記絶縁領域をまたぐ第1主電極と反対側の前記
絶縁領域と第2半導体領域との間に、前記第1半導体層
と絶縁された状態で導通領域を設けた構造を有すること
を特徴とする請求項1記載の半導体装置。4. The first unit semiconductor element includes the first semiconductor layer between the insulating region and a second semiconductor region opposite to the first main electrode across the insulating region of the insulating region. The semiconductor device according to claim 1, having a structure in which a conductive region is provided in an insulated state.
の単位半導体素子より、前記制御端子の近くの領域に配
置されることを特徴とする請求項3または4記載の半導
体装置。5. The first unit semiconductor element is the second unit semiconductor element.
5. The semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor device is arranged in a region near the control terminal with respect to the unit semiconductor element.
基体の中央に配置され、前記第1の単位半導体素子は、
前記制御素子周辺の前記半導体基体の中央部に配置され
ることを特徴とする請求項3、4または5記載の半導体
装置。6. The control terminal is arranged in the center of a semiconductor substrate having a circular shape, and the first unit semiconductor element is
6. The semiconductor device according to claim 3, wherein the semiconductor device is arranged in the central portion of the semiconductor substrate around the control element.
に供給する電流の通流と遮断を制御するスイッチング素
子を備えて構成される電力変換装置において、前記スイ
ッチング素子として、請求項1ないし6のうち1記載の
半導体装置を使用することを特徴とする電力変換装置。7. A power conversion device comprising a switching element for controlling the flow and interruption of a current supplied from a power source to a load based on a command from a control means, wherein the switching element is one of the switching elements. A power conversion device using the semiconductor device described in 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8021341A JPH09213933A (en) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | Semiconductor device and power conversion device using the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8021341A JPH09213933A (en) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | Semiconductor device and power conversion device using the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09213933A true JPH09213933A (en) | 1997-08-15 |
Family
ID=12052408
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8021341A Pending JPH09213933A (en) | 1996-02-07 | 1996-02-07 | Semiconductor device and power conversion device using the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09213933A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999059209A1 (en) * | 1998-05-12 | 1999-11-18 | Infineon Technologies Ag | Gate turn-off thyristor |
-
1996
- 1996-02-07 JP JP8021341A patent/JPH09213933A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999059209A1 (en) * | 1998-05-12 | 1999-11-18 | Infineon Technologies Ag | Gate turn-off thyristor |
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