[发明专利]可关断晶闸管

说明书

本发明涉及功率半导体领域。本发明以可关断晶闸管(CateTurn Off Thyristor GTO门控可关断晶闸管)为基础。

由大量公开文献人们已熟悉这种类型的GTO。这里涉及一种典型的GTO，例如在欧洲专利文献EP-B1-0159797中所述的那种GTO。在阳极一侧和阴极一侧主平面之间这种可关断晶闸管从阳极开始包括一个P⁺掺杂的阳极发射区、一个n-基区、一个P-基区和一个n⁺掺杂的阴极区。由阴极区的接触区引出阴极，由P-基区的接触区引出控制板，用此电极启动和关断此器件。

为了改进GTO的电学特性，可以在阳极发射区设置阳极短路区。例如在欧洲专利文献EP-A1-0327901中叙述了这种技术措施。

当今这些GTO在大功率领域是新型变换器驱动装置的主要组成部件。此种器件及其在电路和控制方面的技术都已达到很高水平。各厂家在这方面都以一种相同的GTO基本方案为基础：在最大允许阻断电压下阳极前的耗尽区进入n-基区的准中性非耗尽区约100μm至200μm。这种结构英文专业术语一般表示为“non-punchthrough(非穿通)”方案(NPT-方案，NPT-GTO)。所以实际上阻断电压为4.5KV的器件需要基片厚度约800μm。这样的厚度使各厂家以很小的差别都达到最高开关频率300Hz至500Hz。这种频率的绝对高度由附带产生的开关损耗和冷却散热的物理限制所决定。

然而由于种种原因，用户倾向于使用更高的开关频率。原因之一是要求在供电网中减少高次谐波，NPT-方案已被充分利用，因而不可能期望对已达到的开关频率再有重大改进。

然而，如果在阳极一侧引入一个抑止层，那么就有可能使用低本底掺杂的基片。在这种结构中，在关断过程中，电荷在电场的作用下排出器件之外。因此与非穿通方案(NPT)相反，人们称这种结构为穿通方案(PT)。此方案在一个有关SiTh(StaticInduction Thyristor静态感应晶闸管)的美国专利US.5,001,535中已有论述。但是如果在这样一种PT方案中再引入有良好作用的阳极短路区，那么由于高掺杂的抑止层的作用这些短路区特别有效。于是低值导通和可靠的触发只有当阳极短路区面积所占比例在1％至3％时才有可能。但是实验表明，在此情况下关断损耗上升到了一种不可接受的高度。就提高开关频率而言，这种方案也没有什么可称谓的。这也就是为什么没有生产厂家把这种穿通方案的GTO开发成批量生产。

本发明的任务是提供一种GTO，可以提高开关频率而不增加开关损耗，同时可以减薄其基片厚度。

本发明的核心是，设计一种透明的、中间有阳极短路区的阳极发射区和一个抑止层的组合。

在小功率器件上已经使用了透明发射区，如光电池、二极管或者晶体管(见例如IEEE Transactions on Electron Devices，Vo1.ED-26，NO.6，June 1979，第959-965页)。简言之，透明阳极发射区可以理解为注入比较弱的阳极一侧的发射区。然而对此却可以把阴极一侧大部分电子流无复合地抽出，也就是抽出时不导致空穴的注入。

通常的技术观点认为，有透明发射区的PT GTO，由于其透明性，触发灵敏度很低，与此相反，在本发明的范围内，经深入的模拟和实验证实，透明发射区中阳极短路区与抑止层的组合导致出人意料的良好结果。与最初的估计相反，实验结果表明，一个透明的发射区在低电流密度范围内，在触发时，也能提供基本上与常规发射区同样高的注入效率。

这里的原因在于GTO的触发条件：由晶闸管的理论可知，器件的触发条件主要由各分晶体管的电流放大系数之和所决定。由于电流放大系数对阳极电流密度的依赖关系，电流放大系数不是常数。对于常规的商品NPT GTO而言，电流放大系数之和与阳极电流密度的关系显示出一种接近恒定的分布与明显的触发阈值。从此阈值开始，电流放大系数之和迅速增大。例如此阈值出现在大约0.07A/cm²。然而一个具有透明阳极发射区的GTO却显示出另一种特性：电流放大系数之和基本上随阳极电流密度的增大而线性增大。触发阈值无关紧要。因此，在启动时出现了问题，因为只有明显的阈值才能保证在整个横截面上均匀的启动。

只有引入了发射极短路区之后才重新出现明显的触发阈值。这一点可以用大量的模拟和实验予以证实。

因此只有当使用本发明的透明的、中间有阳极短路区的发射区与抑止层的组合时才能达到所希望的特性。