DE3443784A1 - Gate-abschaltthyristor - Google Patents

Gate-abschaltthyristor

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DE3443784A1 DE19843443784 DE3443784A DE3443784A1 DE 3443784 A1 DE3443784 A1 DE 3443784A1 DE 19843443784 DE19843443784 DE 19843443784 DE 3443784 A DE3443784 A DE 3443784A DE 3443784 A1 DE3443784 A1 DE 3443784A1
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Description

-A-
Gate-Abschaltthyristor
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen Gate-Abschaltthyristor und insbesondere auf eine Elektrodenstruktur einer metallisierten Elektrode im Kontaktbereich des Anschlußdrahtes auf der Chipoberfläche eines Gate-Abschaltthyristors.
In der heutigen Zeit ist es von größter Bedeutung, wie dem wachsenden Verlangen, Energie und Rohstoffe einzusparen, begegnet werden kann. Im Hinblick auf eine solche Situation wurden im Bereich der Leistungselektronik neue Funktionselemente entwickelt und das Verlangen nach solchen Funktionsele/;enten ist in diesen Tagen bemerkenswert angestiegen. Gate-Abschaltthyristoren haben als Elemente für Inverter oder Unterbrecherschaltungen spezielle Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Dieses aus dem Grund, da ein Gate-Abschaltthyristor als Hochgeschwindigkeitsschaltelement ausgezeichnete und ideale Eigenschaften, verglichen mit jedem anderen herkömmlichen Transistor oder Hochgeschwindigkeitsschaltthyristor, besitzt. Die hauptsächlichen Charakteristiken eines Gate-Abschaltthyristors können wie folgt beschrieben werden.
(1) Da ein Gate-Abschaltthyristor die Fähigkeit der Selbstunterbrechung besitzt, wird ein wie im Falle eines herkömm-
lichen Hochgeschwindigkeitsschaltthyristors zwangsläufig notwendiger Unterbrecherschaltkreis nicht benötigt, und dementsprechend wird es möglich, Geräte kleiner und leichter zu machen.
(2) Die EIN-AUS-Steuerung eines Elementes kann mit geringer Steuerleistung durchgeführt werden.
(3) Ein Thyristor mit kurzer Ausschaltzeit kann, verglichen mit einem herkömmlichen Hochgeschwindigkeitsschaltthyristor, auf relativ einfache Weise erhalten werden.
(4) Ein Element mit großer Sperrspannung und großem Strom kann einfach hergestellt werden.
(5) Die Verträglichkeit für Stoßströme entspricht der Verträglichkeit eines Thyristors. Gate-Abschaltthyristoren, die die oben beschriebenen Vorteile besitzen, werden jetzt hauptsächlich in industriellen Elektromaschinen, Umformern, Leistungsversorgungen etc. verwendet und in Zukunft werden diese weitgehend auch auf anderen Gebieten Verwendung finden.
Ein Beispiel des Aufbaus eines solchen Gate-Abschaltthyristors ist in dem deutschen Patent N6449 E/42 DE32O0-807 beschrieben.
Im allgemeinen besitzt ein Thyristor einen PNPN-Vierschichtenaufbau mit einer Emitterschicht vom p-Typ, einer Basisschicht vom η-Typ, einer Basisschicht vom p-Typ und einer Emitterschicht vom η-Typ. Auf den Oberflächen der Emitterschicht vom p-Typ, der Basisschicht vom p-Typ und der Emitterschicht vom η-Typ sind z.B. in Ohm'schem Kontakt eine metallisierte Anodenelektrode (im folgenden als A-Elektrode bezeichnet), eine metallisierte Gate-Elektrode (im folgen-
den als G-Elektrode bezeichnet) und eine metallisierte Kathodenelektrode (im folgenden als K-Elektrode bezeichnet) vorgesehen. Fließt ein geringer Strom von der G-Elektrode zur K-Elektrode, so wird der Thyristor, wenn eine vorgeschriebene Spannung zwischen die A- und K-Elektroden so angelegt wird, daß die Α-Elektrode ein positives Potential aufweist, von dem AUS-Zustand in den AN-Zustand geschaltet und ein großer Hauptstrom (AN-Strom) fließt von der Α-Elektrode zur K-Elektrode. Dies bedeutet, daß der Thyristor als kontaktloser Schalter betrieben werden kann. Im Falle eines gewöhnlichen Thyristors bleibt die Steuerfunktion der G-Elektrode jedoch nicht erhalten, wenn der Thyristor von dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand geschaltet wurde. Um einen solchen gewöhnlichen Thyristor von dem AN-Zustand in den AUS-Zustand zurückkehren zu lassen, ist folgendes notwendig:
(1) Den AN-Strom kleiner zu machen als den Haltestrom oder umgekehrt,
(2) den Strom zwangsweise zu unterbrechen durch Umkehren der Stromflußrichtung zwischen den A- und K-Elektroden. Andererseits hat ein Gate-Abschaltthyristor denselben grundsätzlichen Aufbau wie ein gewöhnlicher Thyristor, unterscheidet sich aber von einem gewöhnlichen Thyristor stark dadurch, daß ein Gate-Abschaltthyristor die Fähigkeit der Selbstunterbrechung besitzt. Insbesondere kann, wenn ein umgekehrter Strom (Strom von der K-Elektrode zur G-Elektrode) zwischen den G- und K-Elektroden des Gate-Abschaltthyristors im AN-Zustand fließt, der Gate-Abschaltthyristor vom AN-Zustand in den AUS-Zustand geschaltet werden.
Der Aufbau des Chips eines herkömmlichen Gate-Abschaltthyristors kann nun mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 beschrieben werden. Fig. 1 ist eine Aufsicht auf ein Gate-Abschaltthyristorchip 100. Eine Glaspassivierung 109 ist am Rande des Chips 100 vorgesehen. Eine metallisierte Gate-Elektrode 106 ist innerhalb der Glaspassivierung 109 und eine metallisierte Kathodenelektrode 107 ist weiter innerhalb vorgesehen, wobei diese in die Elektrode 106 in Form der Zähne eines Kammes paßt. Diese Elektroden sind gegeneinander durch einen schützenden Oxidfilm 108 isoliert. Ein Beispiel eines solchen kammförmigen Elektrodenaufbaus ist in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 117276/1982 und 37658/1981 offenbart.
Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die entlang der Linie 2-2 in dem in Fig. 1 gezeigten Chip 100 aufgenommen wurde. Eine Basisschicht 103 vom p-Typ und eine Emitterschicht 102 vom p-Typ werden z.B. auf und unter einer Basisschicht 101 vom η-Typ eines Siliziumeinkristallsubstrats vom n-Typ gebildet. Als Verunreinigung vom p-Typ wird Gallium, Bor oder ähnliches diffundiert. Eine Emitterschicht 104 vom n-Typ, die Verunreinigungen vom η-Typ, wie Phosphor, enthält, wird durch Diffusion in Teilbereichen auf der oberen Oberfläche der Basisschicht 103 vom p-Typ gebildet. Auf den Oberflächen der Emitterschicht 102 vom p-Typ der Basisschicht 103 vom p-Typ und der Emitterschicht 104 vom n-Typ werden z.B. in Ohm'schem Kontakt eine metallisierte Anodenelektrode 105, eine metallisierte Gate-Elektrode 106 und eine metallisierte Kathodenelektrode 107 gebildet. Fig. 3 ist eine Schnittansicht des Aufbaus, die entlang der Linie
3-3 des Chips 100 in Fig. 1 aufgenommen wurde. Im allgemeinen hat die metallisierte Schicht der metallisierten Anodenelektrode 105 einen mehrfach metallisierten Aufbau aus z.B. Al-Mo-Ni-Au, Al-Zn-Ni-Au oder Cr-Ni-Au, so daß der Chip 100 auf einem Kühlblech oder ähnlichem durch Löten befestigt werden kann. Für die metallisierten Schichten der metallisierten Gate-Elektrode 106 und der metallisierten Kathodenelektrode 107 wird Al verwendet, da Al zur Bildung der Feinstruktur, die notwendig ist, um die gewünschten Funktionen des Gate-Abschaltthyristors zu erhalten, geeignet ist.
Der Übergang von dem AN-Zustand zum AUS-Zustand des Gate-Abschaltthyristors, nämlich die Änderungen des Anodenstroms (AN-Strom) i_, des Gate-Stroms In und der Anoden-Kathoden-Spannung v. in Beziehung zum Zeitverlauf des Ausschaltvorganges, sind z.B. auf den vertikalen Achsen als Funktion der Zeit t auf den horizontalen Achsen in den Fig. 6A, 6B und 6C aufgetragen. Fig. 6D zeigt die positionsmäßige Beziehung von i , i und v.. Als ein Faktor zur Entwicklung der Leistungsfähigkeit eines Gate-Abschaltthyristors kann die Abschaltverstärkung (G „„) angesehen werden. G „„ wird durch ein Verhältnis von Ιφπη (steuerbarer AN-Strom) und Ι-,π (Spitzenwert des Gate-Umkehrstroms) wie in der folgenden Gleichung (1) gezeigt, repräsentiert.
Goff
Dementsprechend fließt der Gate-Strom i zum Zeitpunkt des Ausschaltens entgegengesetzt in einer Stärke von i„M.„ = 1IGR = 1TGoZ0Of " In einem Element mit Ζ·Β·
und G ~~ = 4 wird der Wert von In~ 5OA und somit fließt ein
Oil liK
großer Gate-Umkehrstrom. Der steuerbare AN-Strom Imp0 des Gate-Abschaltthyristors wird durch die Gleichung (2), in der sich der Strom I_-o umgekehrt proportional zur effektiven Weite (S) der Kathodenelektrode verhält, ausgedrückt.
1TGQ = 4
In dieser Gleichung bezeichnet VR„ die Gate-Umkehrspannung, V/p die Dicke der Basisschicht 103 vom p-Typ, T die Länge der Kathodenelektrode 107, S die Weite der Kathodenelektrode 107 und 5 bezeichnet den mittleren spezifischen Widerstand der Basisschicht 103 vom p-Typ unter der Emitterschicht 104 vom η-Typ.
Folglich ist es, um einen vorbestimmten Widerstand des Gate-Abschaltthyristors bei gleichzeitig großem steuerbaren AN-Strom Im/-,n zu erhalten, notwendig, die effektive Kathodenelektrodenweite (S) so klein wie möglich zu machen und dementsprechend ist es notwendig, eine feine Struktur zu bilden. Aus diesem Grund ist Al geeignet und wird im allgemeinen für die metallisierten Schichten der metallisierten Kathodenelektrode 107 und der metallisierten Gate-Elektrode 106 angewendet. Andererseits wird aus Kostengründen beim Zusammenbau eines Gate-Abschaltthyristors, der ein It_,q von ungefähr 200A oder weniger besitzt, eine Methode zum Löten der metallisierten Anodenelektrode 105 auf ein Kühlblech angewandt, und im Hinblick auf die metallisierten Kathoden- und Gate-Elektroden 107, 106 wird im allgemeinen eine Methode angewandt, bei der, wie in Fig. 7A in ver-
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größerter Weise gezeigt, ein dünner, nach außen führender Al-Draht 300 mit einem Durchmesser von ungefähr 300 bis μπι auf der Al-metallisierten Oberfläche durch Ultraschall-Schweißen befestigt wird.Da jedoch beide Ljqq und I wie oben beschrieben große Werte annehmen, ist es notwendig, wenn dünne Al-Drähte verwendet werden, eine Mehrzahl von Drähten parallel durch Ultraschall-Schweißen anzuordnen, was eine uneffiziente Zusammenbauarbeit zur Folge hat.
Um die oben beschriebenen Nachteile eines herkömmlichen Gate-Abschaltthyristors zu vermeiden, ist es Aufgabe der Erfindung, einen Gate-Abschaltthyristor vorzusehen, bei dem die Verbindungsdrähte zur metallisierten Kathode und/ oder Gate-Elektrode mit hoher Zuverlässigkeit und hoher Effizienz des Zusammenbaus ohne die Leistungsfähigkeit des Gate-Abschaltthyristors zu verschlechtern, angebracht werden können.
Die Erfindung weist einen Gate-Abschaltthyristor auf mit einer ersten Basisschicht eines ersten Halbleiterleitfähigkeitstyps, einer zweiten Basisschicht eines zweiten Halbleiterleitfähigkeitstyps die der einen Oberfläche der ersten Basisschicht benachbart vorgesehen ist, einer ersten Emitterschicht des zweiten Halbleiterleitfähigkeitstyps die der entgegengesetzten Oberfläche der ersten Basisschicht benachbart vorgesehen ist und einer zweiten Emitterschicht des ersten Halbleiterleitfähigkeitstyps, die auf Teilbereichen auf der Oberfläche der zweiten Basisschicht gebildet ist, wobei der Oberflächenverlauf der zweiten Emitterschicht entsprechend der Zähne eines Kammes geformt ist, metallisierte Elektroden so geformt sind, daß sie jeweils
Ohm'sehen Kontakt mit den Oberflächen der ersten Emitterschicht, der zweiten Basisschicht und der zweiten Emitterschicht besitzen, und der oben beschriebene Gate-Abschaltthyristor dadurch gekennzeichnet ist, daß mindestens ein Kontaktbereich zum Anschluß eines Verbindungsdrahtes an die metallisierte Elektrode auf der zweiten Emitterschicht einen lötbaren metallisierten Elektrodenaufbau aufweist.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Aufsicht auf ein herkömmliches Gate-Abschal tthyristorchip ;
Fig. 2 eine Schnittansicht des Aufbaus, die entlang der Linie 2-2 des in den Fig. 1 und 4 gezeigten Chips aufgenommen ist;
Fig. 3 eine Schnittansicht des Aufbaus, die entlang der Linie 3-3 des in Fig. 1 gezeigten Chips aufgenommen ist;
Fig. 4 eine Aufsicht auf das Gate-Abschaltthyristorchip einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
Fig. 5 eine Schnittansicht des Aufbaus, die entlang der Linie 5-5 des in Fig. 4 gezeigten Chips aufgenommen ist;
Fig. 6A, 6B und 6C Änderungen des Anodenstroms i„, Gatestroms α« und der Anoden-Kathodenspannung v., z.B. als Funktion der Zeit des Absc'haltvorganges
und Fig. 6D eine positionsmäßige Beziehung von
1G und VA;
und
Fig.7A ein herkömmliches Verfahren zum Anschluß eines Verbindungsdrahtes an eine metallisierte Kathoden-■'·*.-♦ '-"
elektrode oder eine metallisierte Gate-Elektrode und Fig. 7B ein erfindungsgemäßes Verfahren.'"
In den Zeichnungen kennzeichnen identische Bezugszeichen identische oder entsprechende Teile.
Ein Chipaufbau eines Gate-Abschaltthyristors gemäß der Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. 2, 4 und 5 beschrieben. Fig. 4 ist eine Aufsicht auf ein Chip eines Gate-Abschaltthyristors gemäß der Erfindung. Der Aufbau im Querschnitt des in Fig. 4 gezeigten Chips entlang der Linie 2-2 ist der gleiche wie der von Fig. 2 und der in Fig. 5 entlang der Linie 5-5 gezeigte Aufbau im Querschnitt, Der Aufbau des Hauptteils des Gate-Abschaltthyristors gemäß der Erfindung ist derselbe wie der eines herkömmlichen Gate-Abschaltthyristors und daher wird eine detaillierte Beschreibung darüber weggelassen. Der erfindungsgemäße Gate-Abschaltthyristor unterscheidet sich im Aufbau, verglichen mit einem herkömmlichen Gate-Abschaltthyristor, dadurch, daß der metallisierte Aufbau der Kontaktbereiche der Verbindungsdrähte 107a, 106a der metallisierten Kathode und Gate-Elektroden 107, 106 als lötbare metallisierte Schicht zum Anschluß der Verbindungsdrähte gebildet ist, und daß der metallisierte Aufbau der metallisierten Kathode und Gate-Elektroden 107, 106, die die Kontaktbereiche
107a, 106a der Anschlußdrähte ausschließen, als Al-Schicht gebildet sind, die dazu geeignet ist, eine feine Struktur zu bilden, so daß die gewünschte Leistungsfähigkeit des Gate-Abschaltthyristors erzielt werden kann. Als lötbarer metallisierter Aufbau der Kontaktbereiche 107a und 106a der Verbindungsdrähte wird ein mehrfach metallisierter Aufbau aus Al-Mo-Ni-Au oder Al-Zn-Ni-Au zum Beispiel angewendet. Als Verfahren zur Bildung des mehrfach metallisierten Aufbaus in diesen Teilen wird ein Aufdampfverfahren oder ein kombiniertes Verfahren aus Aufdampfen, Überziehen u.a. angewendet. Als Verfahren zur Bildung der metallisierten Schichten in diesen Bereichen kann ein Verfahren angewendet werden, bei dem während der Zeit der Bildung der Al-metallisierten Schicht, die die Kontaktbereiche 107a und 106a der Verbindungsdrähte ausschließt, die Almetallisierte Schicht ebenfalls unter den metallisierten Bereichen 107a und 106a durch einen Aufdampfprozeß gebildet werden und dann wird ein geschichteter metallisierter Aufbau der metallisierten Bereiche 107a und 106a gebildet. Alternativ kann auch ein Verfahren angewandt werden, bei dem die metallisierten Bereiche 107a und 106a durch einen,von dem Prozeß der Bildung der Al-metallisierten Schicht der Bereiche 107 und 106 abweichenden Prozeß, gebildet werden, so daß die metallisierte Schicht in den jeweiligen Bereichen verbunden werden kann. Ein Beispiel eines Verfahrens zur Verbindung der Anschlußdrähte mit den Kontaktbereichen 107a und 106a der Anschlußdrähte ist in Fig. 7B gezeigt. Ein lötbarer nickelüberzogender Verbindungsdraht 400, der aus relativ dünnem Kupferblech o.a. hergestellt ist, ist mit einem Lötmaterial 200 auf die metallisierte Kathodenelektrode 107a oder die metallisierte
Gate-Elektrode 106a, die zum Anschluß der Verbindungsdrähte gebildet sind, gelötet. Es muß nicht näher erwähnt werden, daß in Abhängigkeit vom Betrag von IGR» den man aus dem Betrag der Strombelastungsgrenze (Betrag von ITG0) des verwendeten Gate-Abschaltthyristors erhält, die Erfindung nur auf einen metallisierten Kathodenelektrodenteil angewendet werden kann.
Darüber hinaus ist die Erfindung selbstverständlich nicht durch den oben beschriebenen Gate-Abschaltthyristor begrenzt und kann auch auf ein Halbleiterelement wie einen Leistungstransistor, der eine feinstrukturierte metallisierte Elektrode besitzt, angewendet werden.
Die Erfindung ermöglicht es, wie beschrieben, einen Gate-Abschaltthyristor einer hohen Zuverlässigkeit vorzusehen, bei dem die Anschl'ußdrähte während der Zusammenbauarbeit leistungsfähig miteinander verbunden werden kernen, ohne daß dabei die Charakteristiken des Gate-Abschaltthyristors verschlechtert werden.

Claims (5)

  1. PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8OOO MÜNCHEN 90
    FO 57-3235 3 A4 3784 P/Ka/hu
    Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha, Tokyo / Japan
    Gate-Abschaltthyristor
    PATENTANSPRÜCHE
    1 Λ Gate-Abschaltthyristor mit einer ersten Basisschicht
    (101) aus einem Halbleitermaterial eines ersten Leitfähigkeitstyps, einer zweiten Basisschicht (103) aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die zweite Basisschicht (103) benachbart einer Oberfläche der ersten Basisschicht (101) vorgesehen ist, einer ersten Emitterschicht (102) aus einem Halbleitermaterial des zweiten Leitfähigkeitstyps, wobei die erste Emitterschicht
    (102) benachbart der gegenüberliegenden Oberfläche der ersten Basisschicht (101) vorgesehen ist, und einer zweiten Emitterschicht (104) aus einem Halbleitermaterial des ersten Leitfähigkeitstyps, wobei die zweite Emitterschicht (104) im Teilbereich der Oberfläche der zweiten Basisschicht
    (103) gebildet ist, die Oberflächenstruktur der zweiten
    PATENTANWALT DIPL.-PHYS. LUTZ H. PRÜFER · D-8000 MÜNCHEN 90 - HARTHAUSER STR. 25d · TEL (089) 640 640
    Emitterschicht (104) entsprechend den Zähnen eines Kammes geformt ist, und metallisierte Elektroden (105, 106 und 107) so vorgesehen sind, daß diese jeweils Ohm'sehen Kontakt mit den Oberflächen der ersten Emitterschicht (102), der zweiten Basisschicht (103) und der zweiten Emitterschicht (104) haben,
    dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Kontaktbereich (107a) zur Verbindung eines Anschlußdrahtes mit dem metallisierten Elektrodenaufbau vorgesehen ist.
  2. 2. Gate-Abschaltthyristor nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Kontaktbereich (106a) zur Verbindung eines Anschlußdrahtes mit der metallisierten Elektrode auf der zweiten Basisschicht (103) einen lötbaren metallisierten Elektrodenaufbau aufweist.
  3. 3. Gate-Abschaltthyristor nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß der lötbare metallisierte Elektrodenaufbau des Kontaktbereiches (107a oder/und 106a) ein mehrfach metallisierter Aufbau aus Al-Mo-Ni-Au oder Al-Zn-Ni-Au ist, in der Reihenfolge beginnend auf der Seite des Halbleiters des ersten oder des zweiten Leitfähigkeitstyps.
  4. 4. Gate-Abschaltthyristor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp ein η-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ein p-Typ ist.
    — ο —
  5. 5. Gate-Abschaltthyristor nach einem der Ansprüche 1
    dadurch gekennzeichnet, daß der erste Leitfähigkeitstyp ein p-Typ und der zweite Leitfähigkeitstyp ein n-Typ
DE19843443784 1983-11-30 1984-11-30 Gate-abschaltthyristor Granted DE3443784A1 (de)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
JP58228043A JPS60119777A (ja) 1983-11-30 1983-11-30 ゲ−トタ−ンオフサイリスタ

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