JPS6013311B2 - 半導体制御整流装置 - Google Patents

半導体制御整流装置

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JPS6013311B2
JPS6013311B2 JP54127527A JP12752779A JPS6013311B2 JP S6013311 B2 JPS6013311 B2 JP S6013311B2 JP 54127527 A JP54127527 A JP 54127527A JP 12752779 A JP12752779 A JP 12752779A JP S6013311 B2 JPS6013311 B2 JP S6013311B2
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JP
Japan
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善則 行本
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/10Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
    • H10D62/17Semiconductor regions connected to electrodes not carrying current to be rectified, amplified or switched, e.g. channel regions
    • H10D62/192Base regions of thyristors
    • H10D62/206Cathode base regions of thyristors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D62/00Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
    • H10D62/60Impurity distributions or concentrations

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  • Thyristors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体制御整流装置、特にサイリス夕に関する
ものである。
従釆、一般に周知のサィリスタの構造を第1図に示して
説明すると、同図において、1は比較的濃度の低いn−
導燈形のベース層、2は前記ベース層1の一方の面に設
けられたp+導電形のアノード層、3は前記ベース層の
他方の面に設けられたp導電形のベース層、4はこのp
導電形ベース層3上に選択的に設けられたn十導電形の
カソード層である。
そして、5はアノード層2にオーム性接触をなすアノー
ド電極、6はカソード層4にオーム性接触をなすカソー
ド電極、7はp導電形のベース層3にオーム性接触をな
すゲート電極である。このような構造を有するサィリス
タの動作の概要を説明する。
主電流を通電するときにはカソード電極6に負バイアス
、アノード電極5に正バイアスを印加する。このときア
ノード層2とn導電形ベース層1の接合J,およびカソ
ード層4とp導電形ベース層3の間の接合J3は順方向
にバイアスされるが、n導電形ベース層1とp導電形ベ
ース層3の間の接合J2は逆方向バイアスになる。ゲー
ト電極7から正孔が注入され、カソード電極6からカソ
ード層4を経て電子がp導電形ベース層3に注入される
。注入された電子は接合J2を通ってn導軍形ベース層
1に集められる。このときアノード層2からn導電形ベ
ース層1に正孔が注入され、ベース層1を通ってp導電
形ベース層3に集められる。この正孔によって再びカソ
ード層4から接合J3を通って電子がp導電形ベース層
3に注入される。この過程を繰り返すことにより接合J
2の両側ベース層に正孔および電子が蓄積されることに
よって接合J2が逆バイアスから順バイアスに転換して
導適状態となる。この導適状態に移る過程をターンオン
と称し、その速さはゲート電極Tから注入された正孔が
カソード層4に入る速度、カソード層4からp導電形ベ
ース層3に注入された電子がn導電形ベース層1に伝達
する速さ、アノード層2からn導電形ベース層1に注入
された正孔がp導電形ベース層3に到達する速さなどに
よってさまる。また、逆バイアス電圧をカソード電極6
とアノード電極5の間に印加して鰭流を遮断した際に導
適状態から阻止状態に移る過程をターンオフと称し「
これは接合J2近傍に残留している正孔、電子が消失し
完全に順阻止状態を回復する速さでさまる。しかしなが
ら、上記した構造の従来のサィリス夕では、大電力の制
御能力はすぐれているが、その制御速度が小さく、高速
でかつ高耐圧のスイッチング装置が得うれなかった。
本発明はこのような点に鑑みでなされたもので「その目
的は制御速度を大きくするとともに高速動作に対するd
i/dtおよびdv/dtの耐量を大きくすることによ
り、高速でかつ高耐圧化を可能にした半導体制御整流装
置を提供することにある。
この目的を達成するために、本発明は、n導蚤形のベー
ス層と、このベース層の両面に設けられたp導電形のア
ノード層およびベース層と〜 このp導電形のベース層
上に設けられたn導電形のカソード層とからなる半導体
制御整流装置において、前記n導電形のベース層に前記
p導蟹形べ−ス層と隣接して所定のパターンで形成され
た該p導電形ベース層より高い不純物濃度を有するp導
電形のゲート領域を設け、かつ前記n導電形ベース層と
前記アノード層との間に該ベース層より高い不純物濃度
を有する高濃度ベース領域を設け「前記ゲート領域の相
互間隔を2aト前記p導電形ベース層の厚みおよび不純
物濃度をそれぞれW8およびNa、前記n導電形ベース
層の不純物濃度をNdとしたとき、Nd・a2<Na・
WB2 になるようにしたことを特徴としている。以下
、図面を用いて本発明の実施例を説明する。第2図は本
発明の一実施例を示すサィリスタの要部断面図であり、
第1図と同一又は相当部分は同一番号を用いてある。
ここで第1図のサィリスタ構造と異なる点は、n導電形
ベース層1上にp導電形ベース層3aと隣接して縦横に
細かいパターンで櫛の歯状またはメッシュ状に形成され
たp十導電形のゲート領域8を設け、かつn導電形ベー
ス層竃とp+導電形アノード層2との間にこのベース層
翼よりも高濃度の不純物を含むn十導電形のベース層領
域9を設けたことである。この場合、p導電形ベース層
3aは第1図におけるp導電形べ−ス層3よりも十分薄
く形成されており、その厚みは耐圧を同一に保つときは
従来構造のIJIの壁度に形成できる。そして「 p導
電形ベース層38の厚みWBは、ゲート領域8の相互間
隔2aとp導電形ベース層3aの不純物濃度Naしn導
電形ベース層富の不純物濃度Ndとの間において「Nd
a2<Na。W82の関係を満足するように決められる
なお〜 p導電形ベース層3aの厚みはゲート領域8の
相互間隔、p導電形ベース層3aの低抗率および装置の
印加電圧などにより異なってくるが「従来構造の1〜1
′5の塁度まで形成できる。上記実施例の構造のサイリ
スタによると、ターンオン時にゲート電極?から注入さ
れた正孔は、D導電形べ−ス層3aを経てカソード層亀
内に注入されようとするがtゲ−ト領域8が高不純物濃
度で構成されかつ縦横に細かいパターンで櫛の歯状また
はメッシュ状に形成されているので、ゲ−ト領域8は低
抵抗となり、このゲート領域8を通じて素子全面にすば
やく伝達する。
このためカソード層4からの電子の注入が速く起こり「
かつ注入された電子は従来構造より薄いp導電形ベース
層3a中を遠く通過してn導電形ベース層1に到達する
ことになる。この結果トアノード層2からの正孔の注入
を遠くさせ、ターンオンに要する時間を従来の1′2〜
1′10まで低下させることができる。すなわち、第1
図に示すサィリスタ構造において「 サイリスタのター
ンオン時間はp導電形ベース層3の厚みWB,およびn
導電形ベース層1の厚みWB2 に依存し、このnおよ
びp導電形べ−ス層内の少数キャリア走行時間をとする
と、夕−ンオン時間(ton)は近似的にtonニゾし
・t2となる。
ただし「Dn、Dpは前記各ベース層内での少数キャリ
アの拡散定数である。したがって、前記ベース層が厚く
なるとターンオン時間は長くなり、また、p導電形ベー
ス層3の厚みがWB,が小さくなると、サイリスタの順
阻止電圧はそのベース層のパンチスルー‐電圧VpTに
よって制御される問題が起こる。これに対して、本発明
は、p導電形ベース層3a内に空乏層の延びを抑制する
ことによりその厚みW8,を4・さくし、かつn+導電
形のベース層領域9によりn導電形ベース領域1の厚み
WB2を4・さくしようとするものであり、第2図の実
施例構造では、p導電形ベース層3a内の空乏層の延び
が第1図の構造のものに比べて近似的に1ノムになる。
ただし岬xp(号)であり、ここ側まゲ−ト領域8の間
隔、Lはその深さである。
それ故、p導電形ベース層3aの厚み(=WB,を1/
叫こすることができ、したがって、ターンオン時間は1
ノ叫こすることができる。たとえば裏:。‐7の時には
ターンオン時間は約1/甥茎度に短くなる。また、p導
鶴形ベース層3aの厚みWB,が一定であると考えると
、第2図の構造では第1図のものに比べて山倍の電圧を
印加することできるので「順阻止電圧を仏倍にできる。
一方、電流の遮断時にカソード電極6とアノード電極5
間には逆バイアス電圧が印加されるが、このとき接合J
,およびJ3には逆バイアスが印加されるのに対し、接
合J2は反転したままで順バイアスが印加されるので、
従来の構造では、前記接合J2近傍の過剰キャリャは再
結合による自然消滅をまたねばならず、ターンオフに要
する時間が長くかかっていた。
本発明では、n導電形ベース層1とアノード層2との間
に設けられたn十導電形ベース層9によりァノード層2
から前記ベース層2への正孔の注入を制御しており「で
きる限り正孔の注入量を少なくして夕−ンオンする構造
をn+導電形ベース層9の厚みおよび不純物濃度を適当
に選ぶことによって可能とすることができる。このため
、ターンオフ時に消滅するキャリャが少なくてすむこと
になり「 ターンオフ速度を早くすることができる。次
にdiノdtおよびdv/dtの耐量を第3図および第
4図を参照して説明する。
ここで、第3図は第1図に示す従来のサィリスタに、第
4図は第2図に示す本発明のサィリス外こそれぞれ対応
する。従来のサィリスタ構造において、サィリスタがオ
フ状態からオン状態に移る場合には第3図に示すA部分
すなわちカソード(ェミッタともいう)層4の周辺部で
ゲ−電極7に近いところに電流が集中して流れ、時間の
経過とともに、電流の流れ面積がカソード層全面に速度
vsで広がる。一方、本発明の構造では第4図に示すB
部分すなわちp+導霧形ゲート領域8の周辺部に電流が
集中し、その面積が速度vsで広がる。そのため、本発
明では実効的なェミッタ周辺長が長くなり「dv/dt
耐量が改善される。また、上記vsはn導電形ベース層
1の厚みWB2に逆比例するので、本発明ではこのvs
が大きくなり、これもdi/dt耐量の改善に寄与する
ことになる。また、n導電形カソード(ェミツタ)層4
、p導電形ベース層3およびn導電形ベース層1からな
るn−p−nトランジスタの電流増幅率Qはサィリスタ
を流れる電流の密度に依存し、一般に電流密度の増加と
ともにQが大きくなる。
このQの電流密度依存性を小さくすれば、dv/dt耐
量が改善される。p導電形ベース層3aの厚みWB,が
薄くなると、n−p−nトランジスタのベース輸送効率
はキャリャの拡散によって支配されるようになり、相対
的に電界によるドリフトの影響が少なくなる。したがっ
て、本発明の構造ではQの電流依存性が小さくなり〜d
v/dt耐量が改善されることになる。以上説明したよ
うに、本発明による半導体制御整流装置によれば、n導
霞形ベース層にp導電形ベース層を隣接して所定のパタ
ーンで形成されたp導電形のゲート領域を設けて該p導
電形ベース層内の空乏層の延びを抑制することによりそ
のベース層の厚みを小さくし、かつ前記ベース層とp導
電形アノード層との間に設けた該ベース層より高い不純
物濃度を有する高濃度ベース領域により前記n導電形ベ
ース層の厚みを小さくした構造としたので、前記ゲート
領域によってp導電形べ−ス層の厚みを十分薄くしてし
かも日頃方向耐圧を大きくすることができ、高速でかつ
高耐圧の半導体制御整流装置を提供することができると
いう効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のサィリスタを示す要部断面図、第2図は
本発明の一実施例を示すサィリスタ要部断面図、第3図
および第4図はそれぞれ従釆と本発明とのdi/dLd
v/dtの耐量の説明に供する説明図である。 1…・・・n‐導電形ベース層「 2・・…・p+導電
形アノード層、3,3a・・・・・・p導電形ベース層
、4……n+導電形カソード層、5……アノード電極、
6・・・・・・カソード電極、7・・・・・・ゲート電
極、8・・・・・・p+導電形のゲート領域、9・・…
,げ導電形のべ−ス領域。 第1図 第2図 第3図 第4図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 n導電形のベース層と、このベース層の両面に設け
    られたp導電形のアノード層およびベース層と、このp
    導電形のベース層上に設けられたn導電形のカソード層
    とからなる半導体制御整流装置において、前記n導電形
    のベース層に前記p導電形のベース層と隣接して所定の
    パターンで形成された該p導電形ベース層より高い不純
    物濃度を有するp導電形ゲート領域を設け、かつ前記n
    導電形ベース層と前記アノード層との間に該ベース層よ
    り高い不純物濃度を有する高濃度ベース領域を設け、前
    記ゲート領域の相互間隔を2a、前記p導電形ベース層
    の厚みおよび不純物濃度をそれぞれW_BおよびNa、
    前記導電形ベース層の不純物濃度をNdとしたとき、N
    d・a^2<Na・W_B^2 になるようにしたことを特徴とする半導体制御整流装置
JP54127527A 1979-10-01 1979-10-01 半導体制御整流装置 Expired JPS6013311B2 (ja)

Priority Applications (2)

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CA000361937A CA1159158A (en) 1979-10-01 1980-10-01 Semiconductor controlled rectifier

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JP54127527A JPS6013311B2 (ja) 1979-10-01 1979-10-01 半導体制御整流装置

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JPS5650565A JPS5650565A (en) 1981-05-07
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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IE53895B1 (en) * 1981-11-23 1989-04-12 Gen Electric Semiconductor device having rapid removal of majority carriers from an active base region thereof at device turn-off and method of fabricating this device
JPS60142559A (ja) * 1983-12-29 1985-07-27 Fujitsu Ltd プログラマブル・リ−ド・オンリ・メモリ
GB8901342D0 (en) * 1989-01-21 1989-03-15 Lucas Ind Plc Semiconductor device
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