[其他]具有控制電極的半導(dǎo)體器件

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 85101390
• 申請日: 1985-04-01
• 公開（公告）號: CN85101390B
• 公開（公告）日: 1988-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 八尾勉;長野隆洋;及川三郎;佐藤行正;木村新;福井宏
• 申請（專利權(quán)）人: 株式會社日立制作所
• 主分類號: H01L29/74
• 分類號: H01L29/74
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進委員會專利代理部
• 代理人: 劉暉,趙越

本發(fā)明涉及到一種具有控制電極的半導(dǎo)體器件，能用控制信號切斷主電流，例如：門關(guān)斷半導(dǎo)體閘流管（下面簡稱為“GTO”）或半導(dǎo)體體管（下面簡稱為“TRS”），能夠用控制電流關(guān)斷其導(dǎo)通狀態(tài)，更具體地說，本發(fā)明涉及到控制電極的結(jié)構(gòu)和PN結(jié)的結(jié)構(gòu)，用以改進半導(dǎo)體器件切斷電流的特性。

垂直型的半導(dǎo)體器件能使主電流橫穿半導(dǎo)體基片厚度流動，從而適宜做大功率器件。

垂直型的GTO或TRS一般有如下結(jié)構(gòu)：一個發(fā)射極層，至少用一個有一定寬度的條狀區(qū)域形成，該發(fā)射極層制作在一個基極層上，并與半導(dǎo)體基片的一個主表面相聯(lián)通，同時與鄰近發(fā)射極的基區(qū)層相聯(lián)通，在條狀區(qū)域上形成一個主電極，并與之保持電接觸;在基極層上形成一個控制電極，并與之保持電接觸，從而在條狀區(qū)域的寬度方向上的兩端形成控制電極，因此條狀區(qū)域?qū)嵸|(zhì)上用控制電極環(huán)繞著。同時另一個主電極在半導(dǎo)體基片的另一個主表面上形成，并與之保持電接觸。每個主電極都與一對主末端中相應(yīng)的一個連接，控制電極與控制端相連接。具有這種結(jié)構(gòu)的GTO在美國專利號3，474，303中予以公布。

現(xiàn)在，將在下面用實例詳細解釋GTO。圖1表示一個通用的GTO的實例。參見圖1，在半導(dǎo)體基片1的一個主表面上相間隔地制成一個陰極電極2和一個門電極3，且分別與陰極端5和門極端6相連接。進而，在半導(dǎo)體基片1的另一個主表面上制成一個陽極，且與陽極端7相連接。圖2是圖1中表示的GTO部分垂直剖視圖。在圖2用同一標號表示與圖1中相同的部分。如圖2所示，半導(dǎo)體基片1包括一個n型發(fā)射極層20，一個P型基極層30，一個n型基極層10，和一個P型發(fā)射極層40。

圖2所示的結(jié)構(gòu)可認為是GTO的一個單元結(jié)構(gòu)，圖1的GTO可以用許多平行的GTO單元結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)在一起形成。也就是說，每個n型發(fā)射區(qū)20都有一個條形區(qū)域，陰極電極2與每個條狀的n型發(fā)射區(qū)20保持歐姆30接觸。一對門電極3都與P型基極層30保持歐姆接觸，而P型基極層是位于每個n型條狀區(qū)域20沿其寬度方向上的兩端，并直接與門端6相連接，陽極電極4與P型發(fā)射層40保持歐姆接觸。進一步，在半導(dǎo)體基片1露出PN結(jié)的表面部分制作一層鈍化膜，諸如二氧化硅膜，玻璃膜或硅膠膜，此鈍化膜在圖1和圖2中未示出。此外，在半導(dǎo)體基片1摻雜壽命時間抑制劑，例如金。

下一步，將參見圖2解釋一下通用的GTO的關(guān)斷情況。為了關(guān)斷已經(jīng)進入導(dǎo)電狀態(tài)的GTO，必須從門電極6輸出一個門電流。與此同時，在P型基區(qū)層30中使GTO繼續(xù)保持導(dǎo)通狀態(tài)的積累的剩余載流子那些最鄰近門電極3的載流子首先流出去，然后那些高門電極3有一定空間距離的載流子再流出去。結(jié)果，允許多數(shù)載流子流過半導(dǎo)體基片1的導(dǎo)電區(qū)，逐漸地從門電極端變成關(guān)斷狀態(tài)。因此，在通用的GTO中，從n型發(fā)射區(qū)20的兩端等量地將門電流抽出，最后，只有在n型發(fā)射區(qū)20的中央部位留下導(dǎo)電區(qū)C₁。也就是說，多數(shù)載流子被集中到一個窄的導(dǎo)電區(qū)。位于n型發(fā)射區(qū)20下面的P型基區(qū)層30就變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)，即變成沒有剩余載流子，因此，這部分的電阻變成等同于熱平衡時的阻值。這樣一來，從門電極3到位于n型發(fā)射區(qū)20中央部位下方的導(dǎo)電區(qū)由門電流通路形成的電阻r變成大于關(guān)斷作用初期的阻值。從而門電流很難抽取。在上述狀態(tài)下足以完全關(guān)斷GTO的門電流不能被抽出時，在電流集中區(qū)域由于功率損耗使溫度上升變得很快，導(dǎo)至產(chǎn)生熱破壞。

為此，采用安全操作面（下面簡稱為“ASO”），用來指示GTO是否在沒有破壞的情況下關(guān)斷的。ASO是這樣一個面積，它是分別用陽極與陰極之間的電壓為橫座標，以不損壞GTO且能夠關(guān)斷GTO的陽極電流為縱坐標得到的。因此，一個GTO有一個比較大的ASO為佳。圖3表示ASO的一個示例。圖3中，劃陰影線的區(qū)域表示ASO。只要表示陽極電流和陽極-陰極電壓的工作點位于關(guān)斷邊線內(nèi)用陰影表示的面積之中，就能安全地關(guān)斷GTO。也就是說，ASO可以用在陽極電流區(qū)中的陰極電流密度來表示。另外，在規(guī)定的陰極電流密度下關(guān)斷GTO的情況中，不損壞GTO就能關(guān)斷它的一個最大陽極-陰極電壓可以用來表示ASO的大小。