[其他]门电路断开可控硅

说明书

所提供的门电路断开可控硅具有一块半导体衬底、一个阳极和一个控制极。半导体衬底包含有，连接阳极的Ｐ发射层、邻接于Ｐ发射层的Ｎ基区层、邻接于Ｎ基区层且连接控制极的Ｐ基区层和邻接于Ｐ基区层且连接阴极的Ｎ发射层。为了改善其电流截止性能，半导体衬底还包括在Ｐ发射层和Ｎ基区层之间设置的Ｐ型层，并且有低于Ｎ基区层的杂质浓度。

本发明涉及门电路断开可控硅，特别是关于在可控硅结构中将晶体管元件之一的电流放大系数降至最小，使其电流截止特性得到改善的门电路断开可控硅。

门电路断开可控硅（以下简称为GTO）是一种半导体开关元件，能够通过控制极的控制截止电流，即由控制极将电流吸走，因此具有广泛的用途，例如，用在变换器中控制电动机的转速。

可控硅的关断增益Goff（即：可控硅导通时的开态电流与截止电流所需的门断开电流之比），众所周知，由下列公式给出：

Goff=α₃₂/α₁₂+α₃₂-1

上式中，α₃₂表示可控硅结构中一个晶体管元件的电流放大系数，该晶体管的基区连接于控制极控制端，α₁₂表示可控硅结构中另一晶体管元件的电流放大系数。

本说明书中，以下将叙述较为通用的P基极型可控硅，电流放大系统α₃₂和α₁₂分别表示为“α（n-p-n）”和“α（p-n-p）”。

有必要改善可控硅的电流截止特性，尤其是，为了增大GTO可控硅的关断增益Goff，由上式可知，必须增大电流放大系数α₃₂、即增大电流放大系数α（n-p-n），使电流放大系数α₁₂，即电流放大系数α（p-n-p）降至最小值。

如《日立周报》（Hitachi Review）1980第29卷第三号第127-130页，题为“门断开可控硅和驱动电路”一文中所述，有两种使电流放大系统α（p-n-p）减至最小的常规方法。

第一种方法的特点是掺入重金属，例如金。掺入重金属是以缩短N_D层中载流子寿命并由此降低载流子向基区的迁移率为目的，结果使电流放大系数α（p-n-p）减至最小。

第二种减少电流放大系数α（p-n-p）方法的特点是分流P发射极。这种结构等同于p-n-p晶体管的发射极和基极相互通过一个电阻分流的结构，其打算依靠等效分流电阻减少p-n-p晶体管发射极注入的效能，从而使得电流放大系数α（p-n-p）减至最小。

掺重金属的方法能够较好地改善可控硅元件的电流截止特性，而不损害可控硅的基本功能特性。但另一方面，掺重金属的方法有这样的缺点，在N_B层中较短的载流子寿命促成了开态电压的增加和漏电流的增加，而且在高温时掺入重金属会带来许多问题，包括降低可控硅元件的性能。

使P发射极短路的第二种方法，因为可以保持较高的载流子寿命，所以能够较好地克服第一种方法的缺点。然而，第二种方法产生一个缺点，由于P_E层被N⁺型层分流，可控硅失去了阻塞反向电压的功能。

在早期的应用中，GTO可控硅主要用于电压型变换器。在这种器件中，仅对其中可控硅施加正向电压，即根本没有反向电压作用于可控硅元件，因此早期的GTO可控硅不需要阻塞反向电压能力。

但是，随着GTO可控硅应用范围的扩展，可控硅也应用于与电压型变换器不同的器件，诸如电流型变换器、反相器和斩波器等。在这些器件中，相等于正向电压大小的反向电压也作用于可控硅元件。

因此，在高性能GTO可控硅采用P发射极短路的情况下，就需串接一个二极管，这样作带来了不利的后果，增大了器件的体积，降低了其工作效率。

为了克服上述缺点，要求GTO可控硅具有最小的电流放大系数α（p-n-p），并且仍具有阻塞反向电压的功能，而没有用重金属掺杂。