[其他]門電路斷開可控硅

在審

• 申請號: 101985000005982
• 申請日: 1985-08-08
• 公開（公告）號: CN85105982B
• 公開（公告）日: 1988-03-30
• 發明（設計）人: 櫻田修六;池田裕彥
• 申請（專利權）人: 株式會社日立制作所
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利代理部
• 代理人: 杜日新

所提供的門電路斷開可控硅具有一塊半導體襯底、一個陽極和一個控制極。半導體襯底包含有，連接陽極的Ｐ發射層、鄰接于Ｐ發射層的Ｎ基區層、鄰接于Ｎ基區層且連接控制極的Ｐ基區層和鄰接于Ｐ基區層且連接陰極的Ｎ發射層。為了改善其電流截止性能，半導體襯底還包括在Ｐ發射層和Ｎ基區層之間設置的Ｐ型層，并且有低于Ｎ基區層的雜質濃度。

本發明涉及門電路斷開可控硅，特別是關于在可控硅結構中將晶體管元件之一的電流放大系數降至最小，使其電流截止特性得到改善的門電路斷開可控硅。

門電路斷開可控硅（以下簡稱為GTO）是一種半導體開關元件，能夠通過控制極的控制截止電流，即由控制極將電流吸走，因此具有廣泛的用途，例如，用在變換器中控制電動機的轉速。

可控硅的關斷增益Goff（即：可控硅導通時的開態電流與截止電流所需的門斷開電流之比），眾所周知，由下列公式給出：

Goff=α₃₂/α₁₂+α₃₂-1

上式中，α₃₂表示可控硅結構中一個晶體管元件的電流放大系數，該晶體管的基區連接于控制極控制端，α₁₂表示可控硅結構中另一晶體管元件的電流放大系數。

本說明書中，以下將敘述較為通用的P基極型可控硅，電流放大系統α₃₂和α₁₂分別表示為“α（n-p-n）”和“α（p-n-p）”。

有必要改善可控硅的電流截止特性，尤其是，為了增大GTO可控硅的關斷增益Goff，由上式可知，必須增大電流放大系數α₃₂、即增大電流放大系數α（n-p-n），使電流放大系數α₁₂，即電流放大系數α（p-n-p）降至最小值。

如《日立周報》（Hitachi Review）1980第29卷第三號第127-130頁，題為“門斷開可控硅和驅動電路”一文中所述，有兩種使電流放大系統α（p-n-p）減至最小的常規方法。

第一種方法的特點是摻入重金屬，例如金。摻入重金屬是以縮短N_D層中載流子壽命并由此降低載流子向基區的遷移率為目的，結果使電流放大系數α（p-n-p）減至最小。

第二種減少電流放大系數α（p-n-p）方法的特點是分流P發射極。這種結構等同于p-n-p晶體管的發射極和基極相互通過一個電阻分流的結構，其打算依靠等效分流電阻減少p-n-p晶體管發射極注入的效能，從而使得電流放大系數α（p-n-p）減至最小。

摻重金屬的方法能夠較好地改善可控硅元件的電流截止特性，而不損害可控硅的基本功能特性。但另一方面，摻重金屬的方法有這樣的缺點，在N_B層中較短的載流子壽命促成了開態電壓的增加和漏電流的增加，而且在高溫時摻入重金屬會帶來許多問題，包括降低可控硅元件的性能。

使P發射極短路的第二種方法，因為可以保持較高的載流子壽命，所以能夠較好地克服第一種方法的缺點。然而，第二種方法產生一個缺點，由于P_E層被N⁺型層分流，可控硅失去了阻塞反向電壓的功能。

在早期的應用中，GTO可控硅主要用于電壓型變換器。在這種器件中，僅對其中可控硅施加正向電壓，即根本沒有反向電壓作用于可控硅元件，因此早期的GTO可控硅不需要阻塞反向電壓能力。

但是，隨著GTO可控硅應用范圍的擴展，可控硅也應用于與電壓型變換器不同的器件，諸如電流型變換器、反相器和斬波器等。在這些器件中，相等于正向電壓大小的反向電壓也作用于可控硅元件。

因此，在高性能GTO可控硅采用P發射極短路的情況下，就需串接一個二極管，這樣作帶來了不利的后果，增大了器件的體積，降低了其工作效率。

為了克服上述缺點，要求GTO可控硅具有最小的電流放大系數α（p-n-p），并且仍具有阻塞反向電壓的功能，而沒有用重金屬摻雜。