JPH0640581B2 - Switching element - Google Patents
Switching elementInfo
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- JPH0640581B2 JPH0640581B2 JP59054174A JP5417484A JPH0640581B2 JP H0640581 B2 JPH0640581 B2 JP H0640581B2 JP 59054174 A JP59054174 A JP 59054174A JP 5417484 A JP5417484 A JP 5417484A JP H0640581 B2 JPH0640581 B2 JP H0640581B2
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- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D62/00—Semiconductor bodies, or regions thereof, of devices having potential barriers
- H10D62/10—Shapes, relative sizes or dispositions of the regions of the semiconductor bodies; Shapes of the semiconductor bodies
- H10D62/17—Semiconductor regions connected to electrodes not carrying current to be rectified, amplified or switched, e.g. channel regions
- H10D62/192—Base regions of thyristors
- H10D62/199—Anode base regions of thyristors
Landscapes
- Thyristors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 本発明はサイリスタなどのnpnp4層構造を有するス
イツチング素子の改良に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an improvement of a switching element having an npnp four-layer structure such as a thyristor.
高耐圧のサイリスタなどは各種の電力変換装置に使用さ
れている。しかし、それらの素子が高耐圧になればなる
程装置内におけるそれら素子に対する保護回路が大きく
なり、装置の大型化あるいはコストアツプにつながる。
また回路内のリアクタンスによる逆起電力に対する安全
性のために必要以上の高耐圧素子を使うことが要求され
る場合もでてくる。High breakdown voltage thyristors and the like are used in various power conversion devices. However, the higher the breakdown voltage of these elements, the larger the protection circuit for those elements in the device, which leads to an increase in the size of the device or a cost increase.
In some cases, it is required to use an unnecessarily high withstand voltage element for safety against back electromotive force due to reactance in the circuit.
以上のことをさけるためには素子のターンオフ特性の改
良、特に(1)、逆回復特性のソフト化、(2)、逆回復電荷
Qrrのばらつきを小さくするの2点が重要である。(2)
のQrrのばらつきを小さくすることはQrrの値そのもの
を小さくすることで達成できると考える。これらの特性
は素子の内部の構成によりきまることが多い。逆回復特
性は低不純物層をより高抵抗化し、その厚みを増すこと
によりややソフト化の傾向があることが知られている。
しかしながらこれはオン電圧の大巾な上昇を招きそのた
め高耐圧素子においては低抵抗層の不純物濃度及び厚み
は設計上の余裕がなく、前記方法は現実には使うのが困
難である。In order to avoid the above, it is important to improve the turn-off characteristics of the device, especially (1), soften the reverse recovery characteristic, (2), and reduce the variation of the reverse recovery charge Qrr. (2)
It is considered that reducing the variation of Qrr can be achieved by reducing the value of Qrr itself. These characteristics often depend on the internal structure of the device. It is known that the reverse recovery characteristics tend to be slightly softened by increasing the resistance of the low impurity layer and increasing its thickness.
However, this causes a large increase in the on-voltage, and therefore, in the high breakdown voltage element, there is no design margin in the impurity concentration and thickness of the low resistance layer, and it is difficult to actually use the above method.
本発明は上記欠点に鑑みなされたもので、他の特性を損
うことなく、逆回復特性をソフト化しさらにQrrを小さ
くすることである。The present invention has been made in view of the above-described drawbacks, and is to soften the reverse recovery characteristic and further reduce Qrr without impairing other characteristics.
本願発明は、少なくともnpnpの4層構造を有するサ
イリスタなどのスイッチング素子において、ターンオフ
動作時に逆電圧の大半が印加されるpn接合を形成する
異なった導電型の2つの領域のうち、不純物濃度の低い
方の領域内の上記pn接合近傍に、他の部分に比べてラ
イフタイムが1/4〜1/50の領域が前記pn接合か
ら連続して形成されたことを特徴とするスイッチング素
子である。According to the present invention, in a switching element such as a thyristor having a four-layer structure of at least npnp, the impurity concentration is low among two regions of different conductivity types forming a pn junction to which most of the reverse voltage is applied during turn-off operation. The switching element is characterized in that, in the vicinity of the pn junction in one region, a region having a lifetime of 1/4 to 1/50 as compared with other portions is continuously formed from the pn junction.
本発明は次の数値計算と結果に基づいたものである。The present invention is based on the following numerical calculations and results.
まず、従来のサイリスタが第1図の回路(1はSCR、
2はL、3は電源VRである)でターンオフした場合の
シミユレーシヨン結果を示す。サイリスタ内部は一次元
exact モデルを使つた。計算に用いたサイリスタは第2
図のような不純物プロフアイルをもつものとする。この
第2図に示すサイリスタは、先ず不純物濃度2.4×1
013/cm3、厚さ1000μmのn−Si基板に両面よりp
型不純物を110μm程度拡散し、表面不純物濃度1×
1019/cm3のpエミツタ(12)及びpベース(13)となるp
層を形成する。この後、pベース(13)となるp層表面を
55μm程度エツチングし、pベース(13)を45μmと
してその表面から20μm程度n型不純物を拡散して表
面不純物濃度1×1021/cm3程度のnエミツタ(14)を
形成したものである。このサイリスタの少数キヤリアラ
イフタイムはnベース(11)では60μsec,Pエミツタ
(12)を領域では1.5μsecとする。素子の大きさは4
0cm3とし、100A/cm3のオン状態の素子に逆電圧5
00V印加し、dI/dt=10A/μsecでターンオフさせ
る。そのときの電流電圧及び素子内部における正孔分布
を第3図(a),(b)に示す。第3図(b)において、(イ)がt
=0,(ロ)がt=425μsec、(ハ)がt=435.5μs
ecの時である。nベース、pエミツタ接合付近のキヤリ
ア蓄積量が多く、空乏層が広がつて逆電流最大値をとる
までに多大な時間が必要である。そのため逆回復特性が
ソフトでなくQrrも大きくなつている。First, the conventional thyristor is the circuit of FIG. 1 (1 is SCR,
2 L, 3 denotes a Shimiyureshiyon results when turned off in a power supply V R). Inside the thyristor is one-dimensional
The exact model was used. Second thyristor used for calculation
It shall have an impurity profile as shown. The thyristor shown in FIG. 2 has an impurity concentration of 2.4 × 1.
0 13 / cm 3 and 1000 μm thick n-Si substrate with p from both sides
Type impurity diffused about 110μm, surface impurity concentration 1 ×
10 19 / cm 3 p emitter (12) and p base (13) p
Form the layers. Then, the surface of the p-layer serving as the p-base (13) is etched by about 55 μm, the p-base (13) is set at 45 μm, and the n-type impurities are diffused by about 20 μm from the surface, and the surface impurity concentration is about 1 × 10 21 / cm 3. N emitter (14) is formed. The minority carrier lifetime of this thyristor is 60 μsec for n-base (11), P emitter
The area (12) is set to 1.5 μsec. Element size is 4
0 cm 3 and 100 A / cm 3 on-state element with reverse voltage 5
00V is applied and turned off at dI / dt = 10 A / μsec. The current voltage and the hole distribution inside the device at that time are shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). In FIG. 3 (b), (a) is t
= 0, (b) t = 425 μsec, (c) t = 435.5 μs
It's ec time. A large amount of carriers accumulate near the n-base and p-emitter junctions, and it takes a long time for the depletion layer to spread and reach the maximum reverse current value. Therefore, the reverse recovery characteristic is not soft and Qrr is also large.
次に上述したモデルについて計算した結果を示す。上記
従来サイリスタと同じ不純物プロフアイルをもち、少数
キヤリアライフタイムが第4図のような分布をもつサイ
リスタについて、前記と同様な条件のもとにターンオフ
の計算を行つた。そのときの計算結果を第5図(a),(b)
に示す。Next, the calculation results of the above model will be shown. For a thyristor having the same impurity profile as the conventional thyristor and having a minority carrier lifetime distribution as shown in FIG. 4, turn-off calculation was performed under the same conditions as above. The calculation results at that time are shown in Fig. 5 (a) and (b).
Shown in.
第3図(a)と比較するまでもなく第5図(a)は逆回復特性
がソフトでありQrrも小さく良好なオフ特性を示してい
る。これは第5図(b)と第3図(b)を比較するとわかりや
すい。第5図(b)において、(イ)がt=0,(ロ)がt=4
06μsec、(ハ)がt=413.5μsecの時である。サ
イリスタの逆回復特性に最も影響を及すのはnベース・
pエミツタ接合近傍のオン状態の過剰キヤリアの蓄積状
態である。同一電流密度でもこの部分の過剰キヤリアの
蓄積が小さいと、上記接合(これは逆電圧の大半が印加
される接合である)における空乏層がはやい時間に形成
され、その部分でのキヤリア排出も短時間で行われる。
その結果逆電流最大値に達する時間が短く逆回復特性が
ソフトになりさらにQrrも小さくなる。Needless to compare with FIG. 3 (a), FIG. 5 (a) shows a good reverse characteristic with a soft reverse recovery characteristic and a small Qrr. This is easy to understand by comparing FIG. 5 (b) and FIG. 3 (b). In FIG. 5 (b), (a) is t = 0, and (b) is t = 4.
06 μsec, when (c) is t = 413.5 μsec. N-base has the greatest effect on the reverse recovery characteristics of thyristors.
It is a state of accumulation of excess carriers in the ON state near the p-emitter junction. Even if the current density is the same, if the accumulation of excess carriers in this part is small, the depletion layer in the above junction (which is the junction to which most of the reverse voltage is applied) is formed in a short time, and the carrier discharge in that part is also short. Done in time.
As a result, the time required to reach the maximum reverse current is short, the reverse recovery characteristic becomes soft, and Qrr becomes small.
第6図に低ライフタイム層におけるライフタイムの値と
逆回復特性のソフト性S(tb/ta…イ)Qrr (ロ)、それ
にオン電圧VON (ハ)の関係を示す。低ライフタイム層の
ライフタイムの値が他のnベース領域のライフタイムの
値の1/4以下になれば、ソフト性が1.25倍程度とな
りかなり、逆回復特性が改善したといえる。また、ライ
フタイムが1/50 以下だとオン電圧が大きくなり通電時
のパワーロスが大きくなるため実用化にはむかない。従
つて低ライフタイム層のライフタイムの値は他のNベー
ス層ライフタイムの1/4〜1/50がよい。また逆回復特性
に影響を与えるのは殆どNベースPエミツタ接合付近の
逆電圧印加時に空乏層が広がる領域におけるキヤリア蓄
積状態であるため、低ライフタイム層は逆電圧印加によ
り形成される空乏層の巾以上であることが有効である。
従つて、低ライフタイム層は少なくとも所定逆電圧によ
り形成される空乏層の巾は必要である。さらにリアクタ
ンスによる逆起電力は定格耐圧の1/2にはおさえねばな
らないので、素子(サイリスタ)には定格耐圧の1/2以
上の逆耐圧が印加されないと考えられる。そこで逆回復
特性を決めるキヤリア蓄積状態は定格耐圧の1/2の逆耐
圧によつて生ずる空乏層の幅より外側の領域では特性に
大きく影響しないと考えられるので、低ライフタイム層
は広くとも定格耐圧の1/2の逆電圧による生ずる空乏層
の終端より内側にあれば良い。FIG. 6 shows the relationship between the lifetime value in the low lifetime layer, the softness S (tb / ta ... A) Qrr (b) of the reverse recovery characteristic, and the on-voltage V ON (c). When the lifetime value of the low lifetime layer becomes 1/4 or less of the lifetime value of the other n base region, the softness becomes about 1.25 times, and it can be said that the reverse recovery characteristic is improved considerably. If the lifetime is 1/50 or less, the on-voltage will increase and the power loss during energization will increase, making it unsuitable for practical use. Therefore, the lifetime value of the low lifetime layer is preferably 1/4 to 1/50 of the other N base layer lifetimes. Further, since the carrier accumulation state in the region where the depletion layer spreads at the time of applying a reverse voltage near the N-base P emitter junction almost affects the reverse recovery characteristic, the low lifetime layer is a depletion layer formed by the reverse voltage application. It is effective that the width is more than the width.
Therefore, the low lifetime layer needs at least the width of the depletion layer formed by the predetermined reverse voltage. Further, since the counter electromotive force due to the reactance must be suppressed to 1/2 of the rated breakdown voltage, it is considered that the reverse breakdown voltage of 1/2 or more of the rated breakdown voltage is not applied to the element (thyristor). Therefore, it is considered that the carrier accumulation state that determines the reverse recovery characteristics does not significantly affect the characteristics in the region outside the width of the depletion layer caused by the reverse breakdown voltage of 1/2 of the rated breakdown voltage. It suffices if it is inside the end of the depletion layer generated by the reverse voltage of half the breakdown voltage.
本発明を用いると、第5図(b)のようにオン時のキヤリ
ア蓄積が少なく、また蓄積キヤリアの排出のはやいもの
が得られる。その結果、従来例に比較しオン特性を悪化
させることなく、逆回復特性をソフト化し、さらにQrr
を小さくした素子が実現できる。According to the present invention, as shown in FIG. 5 (b), there is little carrier accumulation at the time of turning on, and the stored carrier can be discharged quickly. As a result, compared to the conventional example, the reverse recovery characteristic is softened without deteriorating the ON characteristic, and Qrr
It is possible to realize an element having a small value.
以下図面を使用して本発明の一実施例を説明する。第7
図は本発明の一実施例のサイリスタの断面図である。製
造方法としてはまずn型Siに両面からGa等のp型不純物
を拡散し、pエミツタ(12)、nベース(11)、pベース(1
3)のpnp三層構造とする。次にpベース(13)の上にPOCl
3等の拡散によりnエミツタ(14)を形成する。従来例で
はこの4層形成後pエミツタ(11)側からAu等のライフタ
イムキラーを拡散することによりnベース(12)内のライ
フタイムをほぼ均一な値にする。しかし本発明ではたと
えばAuなどのライフタイムキラーを拡散する際に、時間
と拡散温度をコントロールすることによりライフタイム
キラーがnベース(11)の一部までしか到達できないよう
にし第4図に示すようにnベース(11)内のpエミツタ(1
2)に近い領域のみライフタイムが低くなる領域(15)を設
ける。これらのライフタイムコントロール後pエミツタ
(12)及びnエミツタ(14)の表面にアノード電極(16)とカ
ソード電極(17)を形成する。An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. 7th
The drawing is a cross-sectional view of a thyristor according to an embodiment of the present invention. As a manufacturing method, first, p-type impurities such as Ga are diffused from both sides into n-type Si to form a p-emitter (12), an n-base (11) and a p-base (1
3) pnp three-layer structure. Next, on the p base (13), POCl
An n emitter (14) is formed by diffusion of 3 or the like. In the conventional example, after the four layers are formed, the lifetime killer such as Au is diffused from the p-emitter (11) side to make the lifetime in the n-base (12) substantially uniform. However, in the present invention, when a lifetime killer such as Au is diffused, the lifetime killer can reach only a part of the n base (11) by controlling the time and diffusion temperature, as shown in FIG. P emitter (1) in the n base (11)
The area (15) where the lifetime is reduced only in the area close to 2) is provided. After these lifetime controls p.
An anode electrode (16) and a cathode electrode (17) are formed on the surfaces of (12) and the n emitter (14).
またライフタイムコントロールはAuだけでなく、Pt等の
拡散あるいは電子線照射により達成できる。The lifetime control can be achieved not only by Au but also by diffusion of Pt or the like or electron beam irradiation.
第1図はサイリスタがターンオフした場合のシミユレー
シヨンに用いた回路、第2図はサイリスタの不純物プロ
フアイルを示す図、第3図は従来のターンオフさせた時
の電流電圧及び素子内部における正孔分布を示す図、第
4図は本発明のライフタイム分布を示す図、第5図は本
発明のターンオフさせた時の電流電圧及び素子内部にお
ける正孔分布を示す図、第6図は低ライフタイム層のラ
イフタイムの値とソフト性S,Qrr及びオン電圧VONと
の関係を示した図、第7図は本発明の一実施例を説明す
るためのサイリスタ断面図である。 11……nベース、12……pエミツタ 13……pベース、14……nエミツタ 15……ライフタイムが低くなる領域 16……アノード電極、17……カソード電極FIG. 1 is a circuit used for the simulation when the thyristor is turned off, FIG. 2 is a diagram showing an impurity profile of the thyristor, and FIG. 3 is a conventional current voltage when turned off and hole distribution inside the device. Fig. 4 is a diagram showing the lifetime distribution of the present invention, Fig. 5 is a diagram showing the current-voltage and hole distribution inside the device when the present invention is turned off, and Fig. 6 is a low lifetime layer. FIG. 7 is a diagram showing the relationship among the lifetime value of S, Qrr and the on-voltage V ON, and FIG. 7 is a thyristor sectional view for explaining an embodiment of the present invention. 11 …… n base, 12 …… p emitter 13 …… p base, 14 …… n emitter 15 …… area where life time is low 16 …… anode electrode, 17 …… cathode electrode
Claims (3)
イッチング素子において、ターンオフ動作時に逆電圧の
大半が印加されるpn接合を形成する異なった導電型の
2つの領域のうち、不純物濃度の低い方の領域内の上記
pn接合近傍に、他の部分に比べてライフタイムが1/
4〜1/50の領域が前記pn接合から連続して形成さ
れたことを特徴とするスイッチング素子。1. A switching element having a four-layer structure of at least npnp, which has a lower impurity concentration of two regions of different conductivity types forming a pn junction to which most of the reverse voltage is applied during turn-off operation. The lifetime is 1 / near the pn junction in the region compared to other parts.
A switching element having a region of 4 to 1/50 formed continuously from the pn junction.
れるpn接合を形成する異なった導電型の2つの領域の
うち、不純物濃度の低い方の領域内でライフタイムの低
い領域が前記pn接合から定格耐圧の1/2の電圧より
生じる空乏層の終端より内側にあることを特徴とする特
許請求の範囲第1項記載のスイッチング素子。2. Of the two regions of different conductivity types forming the pn junction to which most of the reverse voltage is applied at the time of turn-off operation, the region having the lower lifetime in the region having the lower impurity concentration is the pn junction. 3. The switching element according to claim 1, wherein the switching element is located inside a termination of a depletion layer generated by a voltage of 1/2 of the rated breakdown voltage.
じまり所定逆耐圧より生じる空乏層の終端より外側まで
存在することを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
スイッチング素子。3. The switching element according to claim 1, wherein the low lifetime region starts from the pn junction and extends to the outside of the end of the depletion layer generated by a predetermined reverse breakdown voltage.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP59054174A JPH0640581B2 (en) | 1984-03-23 | 1984-03-23 | Switching element |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
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|---|---|
| JPS60198778A JPS60198778A (en) | 1985-10-08 |
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ID=12963175
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59054174A Expired - Lifetime JPH0640581B2 (en) | 1984-03-23 | 1984-03-23 | Switching element |
Country Status (1)
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Families Citing this family (4)
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| JPS58114467A (en) * | 1981-12-28 | 1983-07-07 | Toyo Electric Mfg Co Ltd | High speed diode |
-
1984
- 1984-03-23 JP JP59054174A patent/JPH0640581B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| JPS60198778A (en) | 1985-10-08 |
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