JPS5895865A - ゲ−トタ−ンオフサイリスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はゲートターンオフサイリスタの素子構造に係り
、特に中小容量素子の電流しゃ断限界性能を向上するに
好適なノくターン配置並びに半導体ペレットの形状に関
する。

ゲートターンオフサイリスタ（以下ＧＴＯと略す）は負
のゲート信号によりターンオフ動作をさせるため、一般
に、カソード側のエミツタ層は細長い短冊状の形状をな
し、その周辺をゲート電極がとり囲んだ単位要素がＧＴ
Ｏの電流容量に応じた数だけ複数個並置された構造にな
っている。この場合、単位要素の長さは必ずしも１個の
ＧＴＯの中で一定であるとは限らないが、動作の均一性
の点から一定の方が望ましい。さて従来の小中容量のＧ
ＴＯの半導体ベレットの形状は縦、横の各辺の長さが略
に等しい云わゆる正方形形状が一般的である。それは、
（１）製造工程で常用される丸形シリコンウエノ・から
できるだけ沢山のベレットを採ること、（２）ベレット
の最も長い部分の寸法でも一定のゾ１倍ですむので、ベ
ース電極などへの半田接着に際して機械的応力が小さく
できること、（３）シリコンウエノ・からのペレタイズ
が丸形に比べて容易にできること、などの理由からであ
る。

第１図は可制御電流２ＯＡ級の従来のＧＴＯを示す。−
辺が約４．０閣の正方形のシリコンベレット１の中に長
さ約２．　Ｏｍｍ　ｒ幅約０．２　ｔｔｍの細長いエミ
ッタ短冊２が４個並置され、それらにオーミック接触す
るカソード電極３及びこれに噛合いの形４を具え、さら
にこれらの電極にアルミニウム線のワイヤボンディング
にてそれぞれカソードＩＪ−ド５．ゲートリード６が取
り付けられている。この例に見られる如く、対向せるカ
ソードリード５及びゲートリード６のワイヤポンプイン
グツくット面積（３，４の一部）を確保するため、エミ
ッタ短冊２の長さはベレット辺の約半分の長さに短かく
制限されている。これは、ＧＴＯペレットの外形を正方
形形としたためである。第２図は可制御電流６０Ａ級の
更に容量の大きなＧＴＯペレットの例である。−辺の長
さが約６Ｂの正方形をなし、長さ約１．５鰭のエミッタ
短冊２が合計１２個、２列に並べられている。この場合
、カソードリード５及びゲートリード６は各々２本ずつ
接続されている。電流容易が大きくなり、ベレットのサ
イズが増大したＧＴＯでは、この例のようにエミッタ短
冊２の配列を２列あるいはそれ以上に並べる方法が一般
に採られている。

この理由の１つはエミッタ短冊が長くなるとその上のオ
ミツク電極３の横抵抗により短冊内の動作の不均一が発
生するからである。

ところで、かかる従来のＧＴＯベレットでは次のような
電流しゃ断限界に係る欠点があることを発明者らは発見
した。すなわち、ＧＴＯが破壊することなく安全に電流
しゃ断できる限界耐量は、ＧＴＯＫ課せられた重要な性
能であるが、この限界値はエミッタ短冊の個数をいくら
増加しても相応して向上しないことを見出したのである
。第３図はＧＴＯが安全にターンオフ動作できる電圧。

電流限界（この限界内を安全動作領域と呼ぶことにする
）の測定結果で、エミッタ短冊の長さを一定としてその
本数を１．４．８本と変えたときの安全動作領域を示し
ている。各々の線の左側が安全領域であり、ターンオフ
時の電圧、電流ローカスがこの線の右側に出ると即座に
ＧＴＯが破壊を引き起こす境界を示している。図かられ
かるように電圧が低い領域ではエミッタ短冊の個数に応
じて限界電流も増大するが、電圧が高くなるとエミッタ
短冊の個数に関係なく低い電流でＧＴＯが破壊をおこす
。これは電圧が高い場合、ターンオフ時には著しい電流
集中現象を呈するためと思われる。２００ｖ電源電圧で
使用される場合、この限界電圧は４００ｖ以上が望まし
く、かかる高電圧では従来例の如く、長手方向寸法の短
かいエミッタ短冊の並置数を増加しても安全にしゃ断で
きる電流の上限が増大しないという問題があった。

本発明の目的は、安全にターンオフ動作のできる電流し
ゃ断限界を高くシ、その安全動作領域の拡大を図ったＧ
ＴＯを提供することにある。

かかる目的を奏する本発明ＧＴＯの特徴とするところは
、半導体ベレットの主表面を一方の対辺が他方の対辺よ
り長い方形形状とし、エミッタ短冊の長手方向と主表面
の長手方向とを一致させた点にある。好ましい実婢例の
特徴は、エミッタ短冊は主表面の長手方向と直角方向に
複数個並置し、長手方向には並置せず許される範囲で長
くした点にある。

本発明の目的を更に確実に奏させるためには、カソード
電極をエミッタ短冊と略同形状を有し各エミッタ短冊に
接着する第１の導電部材と第１の導電部材相互を電気的
に接続する第２の導電部材とから構成し、ゲート電極を
エミッタ短冊の周縁に沿ってエミッタ短冊に隣接する層
に接着する第１の導電部材とその上に接着した第２の導
電部材とから構成するのが望ましい。

本発明の他の目的及び特徴は以下の実施例の説明から明
らかとなろう。

第３図は可制御電流２０Ａ級のＧＴＯに本発明を適用し
た場合の実施例である。シリコンよりなるＧＴＯベレッ
ト２１は一方の対辺が約６．　Ｏｔｍ　。

他方の対辺が約２．０の長方形形状をなしている。

ペレット２１は互いに反対側に位置する一対の主表面２
１１，２１２の間にＰＫ　、　ｎＢ　、　Ｐａｌ、　ｎ
Ｅの４層構造を有し、一方の主表面２１１にはｎＥ　・
層−ＰＢ層が、他方の主表面２１２にはＰＢ層がそれぞ
れ露出している。ｎ、層は主表面の長手方向にその長手
方向を一致させて並置した複数個の細長い短冊領域２１
３（エミッタ短冊と称す）から成っている。図ではこの
エミッタ短冊２１３は幅約０．３　ｍ　、長さ約４．０
簡の寸法で２個並置されている。２個のエミッタ短冊２
１３にはカソード電極２２が低抵抗接触し、エミッタ短
冊２１３を囲むＰＢ層の表面にはゲート電極２３が低抵
抗接触し、反対のｐｇ層表面にはアノード電極２４が低
抵抗接触している。これらカソード電極２２．ゲート電
極２３には、例えばアルミニウム線のカソードリード２
５．ゲートリード２６が取り付けられている。かかるＧ
ＴＯベレット２１はアノード電極２４を介して、図示し
ないパッケージペースに半田付けされ組立てられる。２
７はペレット２１の周縁に設けた環状溝２１４に被着し
たガラスである。

第５図は第４図の実施例のターンオフ時の安全動作領域
を（実線）第１図に示す従来例（点線）と比較して示し
たものである。図から明らかなごとく、アノード電圧４
００Ｖでの破壊しない限界の最大しゃ断電流は約１０Ｏ
Ａと従来例の３ＯＡにくらべて飛躍的に増大した。この
ように連続の可制御電流、ｎＥ層の実効面積がほぼひと
しいＧＴＯペレットでありながら、高電圧の電流しや断
性能が著しく改善された。この改善によってＧＴＯに異
常の電流が流れた場合の保護回路の例えば限流用インダ
クタンス、スナバ回路のＣＲ，などを大幅に小形、低価
格でき、装置の小形化低価格化に貢献すると共に、信頼
性の向上を図ることができる。さて、かかるしゃ断耐量
の向上の直接的な原因は、エミッタ短冊の長さを長くし
たことにある。他の実験によれば、エミッタ短冊の長さ
をさらに長くした場合にも一層の改善が図られることが
確認された。この理由は、ターンオフ時のアノード電流
は多数のエミッタ短冊が並置された場合でも、最終的に
は一個の短冊に集中し、そこが限界値を超えて破壊する
ものと考えられる。したがって、エミッタ短冊−個当り
の電流しゃ断耐量を高くすればよい。すなわち、ターン
オフ時には並置されたエミッタ短冊間では電流集中を緩
和する働らきの相互作用は全く期待できないが、同一の
エミッタ短冊内ではこの相互作用が期待できるというこ
とである。発明者らの実験によれば、このエミッタ短冊
−個当りの耐量はエミッタの幅を一定とすれば、エミッ
タの長さが長いほど向上することがわかった。

第６図は本発明をさらに電流容量の大きなＧＴＯに適用
した他の実施例で、第２図に示したと同じ程度の可制御
電流のＧＴＯである。この場合は長さ約４．０咽のエミ
ッタ短冊２１３が４個並置され、ペレットは一方の対辺
が約６．０咽他方の対辺が約４．０咽の長方形形状をし
ている。このＧＴＯのクランプ電圧４００Ｖでの最大し
ゃ断可能電流は約１０ＯＡである。

第７図は本発明のさらに改良された他の実施例テする。

シリコンペレット２１の中に、長さ約５、８　ｍｍ　ｒ
幅約０．３叫のエミッタ短冊２１３が４個並置されてそ
の表面にクロム、ニッケル、銀からなる厚さ約４μｍの
オーミック電極層２２１が低抵抗接触され、このエミッ
タ短冊２１３に並行して幅約０．２　ｍｍ　、長さが約
５．８　ｍのゲート電極層２３１がエミッタ短冊２１３
を狭む形で設けられている。これらのオーミック電極層
２２１及び２３１の上にさらに、銅電極リード２２２及
び２３２が半田付けされる。これら電極リード２２２゜
２３２は厚さ約３０〜５０μｍの銅箔をペレット上のエ
ミッタ短冊表面の電極層２２１及びゲート電極層２３１
の形に従って各々くし形状に成形し、半田を介して、こ
れらに接続したものである。この場合、各エミッタ短冊
上に設けられた電極層２２１は電極リード２２２によっ
て相互に電気的に接続され外部に引き出される。

かかる構成の実施例では、エミッタ短冊上の電極層並び
にゲート電極層に沿う横方向の電極抵抗は、各々の上に
給酸される厚さ数１０μｍの銅箔によって著しく低減さ
れており、横方向の電極層内の電位降下による動作の不
均一は著しく改善される。これによって、エミッタ短冊
の長さは本実施例の５．８簡にとどまらずさらに７．８
　ｒｒｒｍと一層長くすることも可能であり、電流のし
ゃ断限界は一層改善できる。この改良された実施例はさ
らに、第４図及び第６図の実施例に示す、アルミニウム
線のワイヤボンディングに必要となるボンデインクハツ
トの占める面積を省略できるのでベレットサイスは約７
５％に縮少できるという経済上の利点がある。この実施
例では、クラップ電圧４００Ｖでの電流しゃ断限界は約
２５ＯＡと大幅に向上した。

以上説明したように本発明に、よれば、ＧＴｏの安全動
作領域の拡大が図られ、素子の電流しゃ断時の破壊限界
を決める電流、電圧が増大するという性能向上の効果が
ある。・また、この性能向上は、ＧＴＯをインバータな
どの実回路に使用する際、アーム短絡などの異常時に対
するＧＴＯの保護回路を簡単化できる。すなわち、ＧＴ
ｏに流れる電流を制限する役目の限流用インダクタンス
を小形・低価格化でき、また異常検出、指令回路を簡単
化できる。さらに、クランプ電圧４００Ｖで２５ＯＡ以
上の電流を安全にしゃ断できるので、従来、ＧＴＯの保
護のため必要とした、０．１〜０．２μＦのスナバコン
デンサ、有極性ダイオードなどのスナバ回路を省略でき
るなど、ＧＴｏ応用装置の小形、簡略、低価格化など経
済的効果は勘大である。

又、本発明のＧＴＯベレットは必ず長方形形状となるの
で、ペレットの方向９位置検知が容易となり、自動マウ
ント、選別などが簡単になる等という副次的効果もある
。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は従来のＧＴＯの従来例を示す平面図
並びに断面図、第３図は従来例のＧＴＯの安全動作領域
を示す特性図、第４図は本発明の一実施例を示す平面図
及び断面図、第５図は第４図に示すＧＴＯの安全動作領
域を示す特性図、第６図及び第７図は本発明の他の実施
例を示す概略図である。 ２１・・・ペレット、２１１・・・エミッタ短冊、２２
・・・カノード電極、２３・・・ゲート電極、２４・・
・アノー第　１　図 （（Ｌ〕 （ｂ） （Ｃ１，） →アノー　ド°電ＩＥ　ひＡに　　（Ｖ）第　　４　　
図 （ｂン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、互いに反対側に位置する一対の主表面がそれぞれ一
   方の対辺が他方の対辺より長い方形形状をなし、一対の
   主表面間にＰＮＰの連続した４層を有し、一方の主表面
   には外側のＮ層とそれに隣接する中間のＰ層とが露出し
   、他方の主表面には少なくとも外側のＰ層が露出し、外
   側のＮ層は長手方向を一方の主表面の長手方向と一致さ
   せて並設した複数個の短冊状領域から成っている半導体
   ペレットと、 一方の主表面において、外側のＮ層に低抵抗接触したカ
   ソード電極と、 一方の主表面において、外側のＮ層の周縁に沿って中間
   のＰ層に低抵抗接触したゲート電極と、他方の主表面に
   おいて、少なくとも外側のＰ層に低抵抗接触したアノー
   ド電極と、 を具備することを特徴とするゲートターンオフサイリス
   タ。 ２、特許請求の範囲第１項において、上記カソード電極
   は上記カソード層の上記短冊状領域と略同形状を有し上
   記短冊状領域に接着した複数個の第１の導電部材と、第
   １の導電部材相互を電気的に接続する第２の導電部材と
   から成り、上記ゲート電極は中間のＰ層に接着した第１
   の導電部材とその上に接着した第２の導電部材とから成
   ることを特徴とするゲートターンオフサイリスタ。 ３、特許請求の範囲第２項において、上記カソード電極
   の上記第１の導電部材及び上記ゲート電極の上記第１の
   導電部材を銅箔としたことを特徴とするゲートターンオ
   フサイリスタ。