JPS584467B2 - ハンドウタイソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は増幅ゲート構造を有するサイリスタのような
半導体装置において、高い立上りの主電極間電流を通電
し得る半導体装置の構造に関するものである。

従来からサイリスクの重要な特性のーっはｄｉ／ｄｔ（
オン電流上昇率）特性であり、このｄｉ／ｄｔはサイリ
スクの主電極間電流の時間に対する増加率を示すもので
ある。

特に車両の速度制御等に使用されるチョツパ装置、ある
いは高周波インバータ装置などのサイリスクはその用途
上、優れたｄｉ／ｄｔ特性、すなわち急峻な立上りを持
つ主電極間電流を十分流し得るという特性が要求される
。

この要求を満足させるため、従来から主に用いられてい
るサイリスクとしては増幅ゲート構造を有するものであ
る。

このサイリスク構造についてその機能を第１図に基づき
説明する。

第１図において、１００は半導体基体で、この半導体基
体１００は、アノードエミツタ層１０１、アノートヘー
ス層１０２、カソードベース層１０３およびカソードエ
ミツタ層１０４からなる主サイリスタ部分と、アノード
エミツタ層１０１、アノードベース層１０２、カソード
ベース層１０３および補助エミツタ層１０５からなる補
助サイリスク部分とから構成され、そして、アノードエ
ミツタ層１０１にはアノード電極１０６が、カソードエ
ミツタ層１０４およびカソードベース層１０３にはカソ
ード電極１０７およびゲート電極１０８がそれぞれ形成
され、さらに補助エミツタ層１０５およびカソードベー
ス層１０３にまたがって補助エミツタ電極１０９が形成
されている。

このように構成されたサイリスクをオン状態に導くには
、スイッチＳを閉じて電圧Ｅをゲート電極１０８とカソ
ード電極１０７に印加すると、ゲートトリガ電流Ｉｇは
補助エミツタ層１０５に流れ込み、補助エミツク層から
カソードベース層１０３へのキャリア（電子）の注入を
誘起する。

この注入キャリアはトランジスタの電流増幅作用により
増幅され、その結果補助エミツタ層１０５をエミツタ層
とする補助サイリスク部分はオン状態となり、オン電流
ＩＴ１がアノード電極１０６からカソード電極１０１へ
向って図示の矢印の経路で流れることになる。

次にこの補助サイリスク部分のオン電流ＩＴｔはカソー
ドエミツタ層１０４へ流れ込む際にカソードエミツタ層
１０４からキャリア（電子）のカソードベース層１０３
への注入を誘起する。

このキャリアの注入によりカソードエミツタ層に対応す
る主サイリスク部分は、補助サイリスク部分がオン状態
に導かれた場合と同様の作用によりオン状態となり、オ
ン電流ＩＴ２がアノード電極１０６から矢印の経路でカ
ソード電極１０４へと流れる。

以上の説明はサイリスクがオン状態に至るまでの過程を
示したものである。

次に第１図に示される構造のサイリスクが高いｄｉ／ｄ
ｔ特性を有するサイリスクに用いられている理由につい
て説明する。

すなわち、ゲート電流Ｉｇにより補助サイリスク部分を
オン状態に導き、補助サイリスクのオン電流を主サイリ
スク部分に対するゲートトリガ電流として用いて主サイ
リスタをオン状態に導くものである。

換言すれば、ゲート電流Ｉｇを補助サイリスク部分で増
幅して主サイリスク部分に対するゲートトリガ電流とす
るのである。

この時ゲート電流Ｉｇは１アンペア程度で、これに伴う
補助サイリスク部分のオン電流ＩＴ１は１００Ａ程度と
なるため、主サイリスタ部分に対するゲートトリガ電流
の電流密度は非常に大きな値となり、主サイリスク部分
は速やかにオン状態となって急峻な立上りの主電流を流
すことができるのである。

また、第１図の構造のサイリスクから補助エミツタ層１
０５を除いた場合には、ゲート電流Ｉｇが直接主サイリ
スタ部分に対するトリガ電流となるため、トリガ電流密
度は補助エミツタ層がある場合と比べて著しく小さな値
となり、このため主サイリスクをオン状態に導くのによ
り多くの時間を要し、急峻な立上りの主電極間電流を流
した場合には電流が一部分に集中し、サイリスクを破壊
してしまうおそれがある。

しかしながら第１図の構造を有するサイリスクにおいて
も高いｄｉ／ｄｔ値の主電極間電流によって補助エミツ
タ層の一部が破壊される現象が観測されている。

この理由は補助サイリスク部分のオン電流■Ｔ１が、そ
の流れ始める時点において比較的狭い部分に集中し温度
上昇により半導体基体が融解されるからである。

また、補助サイリスクの一部分にオン電流ＩＴ１が集中
する原因は、補助サイリスク部分の電流増幅率αの不均
一性や、ゲート電極と補助エミツタ電極間のインピーダ
ンスの１不均一性によるものであり、そして電流増幅率
αの不均一性は不純物拡散前の半導体基体の抵抗率の不
均一や不純物拡散の不均一によるものである。

一方上記インピーダンスの不均一はゲート電極、補助エ
ミツタ電極の位置的な偏りによるものであり、これらの
不均一性は現在のサイリスタ製造技術水準をもってして
も避けることのできない性質のものである。

第２図はオフ電圧を１５００Ｖとした第１図の構造のサ
イリスタにおいて、２００Ａ／μｓｅｃ程度の高いｄｉ
／ｄｔ値の電流を補助サイリスク部分に通電した場合の
電圧、電流波形を示すものであり、第３図はこの時のオ
ン時の電力損失の時間に対する依存度を示すものである
。

第４図は第３図に示される電力損失が補助サイリスク部
分で消費されるものとしてオン領域の面積に対するオン
領域の温度上昇変化を示すもので、この時使用される半
導体基体はシリコンであり、またオン領域の広がり速度
を零と仮定した。

この結果によれば、オン電流がすべて補助サイリスクの
一部分に集中した場合においても集中する部分の面積が
、例えば０．１ｍｍ２程度ある時、この部分の温度上昇
は８００℃程度で、１，４１２℃の融点を有するシリコ
ンに比し低く融解によるサイリスタの破壊は生じない。

しかし、サイリスタのオン領域の広がり速度は零ではな
く、実際には０．０５ｍｍ／μｓｅｃ程度の速度を有し
、したがって実際の温度上昇は第４図に示す温度よりも
相当低くなっているものと想像できる。

そこで、この発明は増幅ゲート構造を有するサイリスク
、すなわち半導体装置において、初期のオン電流をある
一部分に集中させる一方、このオン電流集中部分の面積
を一定以上に確保することより半導体装置の破壊を防止
し、優れたｄｉ／ｄｔ特性を実現し得る半導体装置を提
供するものである。

増幅ゲート構造を有するサイリスタ、すなわち補助サイ
リスクの一部に電流を集中させるには精助エミツタ層の
一部の電流増幅率を他の部分より高める方法と、ゲート
電極と補助エミツタ電極間のインピーダンスを一部分低
くしておく方法が考えられる。

この発明は特にゲート電極と、カソードベース層一補助
エミツタ層間の接合との距離を部分的に変えることによ
りゲート電極と補助エミツタ電極間のインピーダンスを
一部低くする方式のものである。

以下、この発明の実施例を第５図、第６図について説明
する。

第５図ａ，ｂはこの発明にかかわる半導体装置、すなわ
ち補助サイリスクを備えたサイリスクへの一実施例を示
すもので、半導体基体２００は、アノードエミツタ層２
０１、アノードベース層２０２、カソードベース層２０
３およびカソードエミツタ層２０４からなる主サイリス
タ部分と、アノードエミツタ層２０１、アノードベース
層２０２、カソードベース層２０３および補助エミツタ
層２０５からなる補助サイリスク部分とから構成され、
そしてアノードエミツタ層２０１にはアノード電極２０
６が、カソードエミツタ層２０４およびカソードベース
層２０３にはカソード電極２０７およびゲート電極２０
８がそれぞれ形成され、さらに補助エミツタ層２０５お
よびカソードベース層２０３にまたがってドーナツ状の
補助エミツタ電極２０９が形成されていると共に、上記
ゲート電極２０８が形成されるカソードベース層２０３
と補助エミツタ層２０５との円形状接合Ｊ１の一部を第
５図ａのように弦状に形成し、ゲート電極２０８と弦状
接合Ｊ１′との距離ｄ１を円形状接合Ｊ１との距離ｄ２
より小さくしてゲート電極２０８と補助エミツタ電極２
０９間のインピーダンスを一部低くする。

したがってサイリスク部分に対するゲー のインピーダンスは電路ｂのインピーダンスより低くな
る。

なぜなら、各電路ａ，ｂのインピーダンスはカソードベ
ース層２０３と補助エミツタ層２０５及びカソードエミ
ツタ層２０４の抵抗率によって決定されるのであるが、
このうちカソードベース層２０３の抵抗率がエミツタ層
２０５の１０〜１００倍の値であるので、そのインピー
ダンスはカソードペース層２０３の抵抗によってほとん
ど決定されるからである。

また、電路ａのカソードベース層２０３の抵抗は電路ｂ
のそれよりも小さく、電路ａのインピーダンスの方が電
路ｂのインピーダンスよりも小さくなるので、ゲ一 部分においては電路ｂの部分よりも相当程度高くなり、
電路ａの付近の補助サイリスク部分が他の補助サイリス
タ部分よりもオン状態に移行し易くなっている。

それ故、補助サイリスク部分の初期オン電流ＩＴ１は電
路ａに相当する部分に対応して図示のように流れること
になる。

初期オン電流ＩＴ１が流れる部分の面積Ｓ０がある一定
の値以上であれば、この部分が電流の集中による温度上
昇では破壊されないことが第４図の温度上昇特性から明
らかである。

しかも面積Ｓ０をある一定の値、例えば０．１ｍｍ２以
上にすることによりこの発明の目的を容易に達成できる
。

以上のようにこの発明のサイリスクはゲート電極と接合
Ｊ１およびＪ１′との距離について部分的に差をもたせ
る構造といえるが、この距離の差と、この発明の効果と
は互いに関係している。

すなわち、上記距離のうち最小の値をｄ１、最大の値を
ｄ２とすると、この両者の比ｄ２／ａ１を極端に大きく
した場合は、距離の最大の部分とその近傍の部分のゲー
ト電流密度が非常に少なくなるため、オン状態にならな
くなってしまう。

このことはｄｉ／ｄｔ特性を劣化させることになる。

そこで、この発明では、距離の最大値ｄ２を持つ補助サ
イリスタ部分とその近傍部をオン状態にし得るゲート電
流を確保し、かつ距離の最小値ｄ１を持つ補助サイリス
ク部分は他の部分より高いゲート電流密度でトリガされ
ることが必要となる。

したがって、距離ｄ１，ｄ２の種々の値について補助サ
イリスクに高いｄｉ／ｄｔ値の電流を通電して試験を行
った結果、ｄ１とｄ２との比がｄ２／ｄ１＝１．５〜４
．０の範囲にある時最も優れたｄｉ／ｄｔ特性を示すこ
とが確認された。

第６図はこの発明の他の実施例を示すもので、第５図と
同一の符号で示される部分は同様に構成されている。

そしてカソードベース層２０３の中央に形成されるゲー
ト電極２１０を十字形状にし、これにより接合Ｊ１との
距離を部分的に変えてゲート電極２１０と補助エミツタ
電極２０９間のインピーダンスを部分的に低くするよう
にしたもので、第５図の場合と同様の効果を得ることが
できる。

また、上記の実施例は補助サイリスタを有するサイリス
クについて説明したが、補助サイリスクを有しないもの
においてもこの発明の構造を採用し得ることは勿論であ
り、さらにアノードエミツタ層とアノードベース層の一
部をアノード電極により短絡した、いわゆる逆導電サイ
リスタにも適用でき、優れたｄｉ／ｄｔ特性も得ること
ができる。

以上のようにこの発明の半導体装置によれば、半導体基
体における補助エミツタ層とカソードベース層間の接合
とゲート電極間の距離を円弧とこの円弧の両端を結ぶ弦
とから成る外形あるいは十字形のゲート電極により部分
的に異ならしめ、そしてその最小値と最大値さの比が所
定の範囲（１．５〜４．０）にあたるようにしたので、
急峻な立上りの主電極間電流を十分流し得る優れたｄｉ
／ｄｔ特性が得られるほか、初期オン電流が集中して流
れても半導体装置を破壊することがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は補助エミツタ層を有する従来のサイリスタ構造
の説明図、第２図は従来におけるサイリスクの補助サイ
リスクに高いｄｉ／ｄｔ値の電流を流した時の電圧−電
流波形図、第３図は第２図の電圧−電流による電力損失
の特性図、第４図は第３図の電力損失による温度上昇特
性図、第５図はこの発明にかかるサイリスタ構造の一例
を示すもので、同図ａはその平面図、同図ｂはその断面
図である。 また第６図はこの発明にかかわるサイリスクの他の実施
例を示すもので、同図ａはその平面図であり、同図ｂは
その断面図である。 ２００・・・・・・ＰＮＰＮ半導体基体、２０１・・・
・・・アノードエミツタ層、２０２・・・・・・アノー
ドベース層、２０３・・・・・・カソードベース層、２
０４・・・・・・カソードエミツタ層、２０５・・・・
・・補助エミッタ層、２０６・・・・・・アノード電極
、２０７・・・・・・カソード電極、２０８・・・・・
・ゲート電極、２０９・・・・・・補助エミツタ電極、
Ｊ１・・・・・・接合、ｄ１，ｄ２・・・・・・距離。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一方の面に互いに分離されかつ同一導電形を有する
   カソードエミツタ層と補助エミツタ層とを有し、他方の
   面にアノードエミツタ層を有するＰＮＰＮ半導体基体、
   上記アノードエミツタ層表面に形成されたアノード電極
   、上記カソードエミツタ層表面に形成されたカソード電
   極、上記補助エミツタ層表面とカソードエミツタ層側の
   カソードベース層表面間にまたがって形成よれた補助エ
   ミツタ電極、上記補助エミツタ層で包囲される上記カソ
   ードベース層表面に円弧とこの円弧の両端を結ぶ弦から
   成る外形あるいは十字形に形成されたゲート電極を備え
   てなり、上記補助エミツタ層とカソードベース層との接
   合と上記ゲート電極との間の距離を上記円弧とこの円弧
   の両端を結ぶ弦とから成る外形あるいは十字形の上記ゲ
   ート電極により部分的に異ならしめ、その最小値と最大
   値との比が１．５ないし４．０の範囲内にあるようにし
   たことを特徴とする半導体装置。