一种可降低通态功耗的自关断晶闸管

摘要

本发明提供的是一种可降低通态功耗的自关断晶闸管，其内部结构为：一个PNPN型半导体主晶闸管，高掺杂P型层(1)经金属层(1M)引出阳极，在高掺杂P型层(1)上依次为低掺杂N型基区层(2)和P型基区层(3)，在P型基区层(3)上为高掺杂N型层(4)经金属层(4M)引出阴极，同时在P型基区层(3)经金属层(3M)引出门极；一个PNP型半导体晶体管，高掺杂P型层(1)经金属层(1M)引出发射极，在高掺杂P型层(1)上依次为低掺杂N型基区层(2)和P型基区层(3)，在P型基区层(3)上为高掺杂P型层(5)经金属层(5M)引出集电极。PNPN型主晶闸管和PNP型晶体管部分由N－区隔离。该晶闸管结构具有较低的导通电阻，从而达到提高晶闸管的通态电流的目的。

说明书

(一)技术领域

本发明涉及微电子技术和电力电子技术领域，具体地说是一种晶闸管结构，特别是一种可提高通态电流的自关断晶闸管结构。

(二)背景技术

在功率电子学领域，功率半导体器件作为关键的部件，其性能特征对系统性能的改善起着主要作用。自关断晶闸管一种施加适当极性的门极信号，可从通态转换到断态或从断态转换到通态的三端器件。在感应加热调节器、静止变频器、电力机车的电工设备等方面得到广泛应用，其发展方向是高频、高压、大电流。自关断晶闸管正向偏置时，阳极和阴极间加正压，若门极加正压，则在阳极电压小于转折电压时被门极触发导通。在晶闸管正向导通时，三个PN结均为正向偏置，由自关断晶闸管基区的双向电导调制效应，可认为晶闸管导通时的正向通态压降中结压降占有较大比例(近似为单个PN结压降)。此外，自关断晶闸管的通态压降随着阳极通态电流的增加而增加，只是趋势不尽相同。一般希望通态压降越小越好；管压降小，在功耗一定的情况下，自关断晶闸管的通态电流可获得提高。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种通态压降小，可提高通态电流能力的自关断晶闸管。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的可提高通态电流的晶闸管结构的内部结构为：一个PNPN型半导体主晶闸管，高掺杂P型层1经第一金属层1M引出阳极，在高掺杂P型层1上依次为低掺杂N型基区层2和P型基区层3，在P型基区层3上为高掺杂N型层4经第四金属层4M引出阴极，同时在P型基区层3经第三金属层3M引出门极；一个PNP型半导体晶体管，高掺杂P型层1经第一金属层1M引出发射极，在高掺杂P型层1上依次为低掺杂N型基区层2和P型基区层3，在P型基区层3上为高掺杂P型层5经第五金属层5M引出集电极。

本发明还可以包括：

1、所述的高掺杂N型层4和高掺杂P型层5具有相同的厚度，且第四金属层4M和第五金属层5M也处于同一平面上。该特点也使得器件电极(特别是阴极面)的压接与传统工艺相兼容。

2、所述的PNPN型半导体主晶闸管的门极金属层3M介于高掺杂N型层4和高掺杂P型层5之间，PNPN型半导体主晶闸管和PNP型半导体晶体管部分由N^-区隔离。该特点有助于提高门极的控制能力且有效防止门极与阴极短路。

3、若在PNPN型半导体主晶闸管和PNP型半导体晶体管之间的N型基区层2引入基极控制PNP型半导体晶体管的开关，可进一步提高器件的通流能力和器件的频率特性。

本发明的内部结构为：半导体主晶闸管部分和半导体晶体管部分。晶闸管的阳极和阴极分别与晶体管的发射极和集电极共面连接。主晶闸管的门极介于晶闸管的阴极和晶体管的集电极之间，且PNPN型半导体主晶闸管和PNP型半导体晶体管部分由N^-区隔离。

本发明所述的晶闸管结构可在门极触发下开通，高掺杂N型层4经P型基区层3向N型基区层2输运电子，而其中一部分电子电流可作为的基极触发电流而使PNP型半导体晶体管开通。因此，器件的通态电流由器件的主晶闸管部分和半导体晶体管部分共同承担。当晶闸管正向偏置时，阳极和阴极间加正压，若门极加正压，则在阳极电压小于转折电压时被门极触发导通。在正向导通时，该器件主晶闸管部分的三个PN结均为正向偏置，由自关断晶闸管基区的双向电导调制效应，可认为晶闸管导通时的正向通态压降中结压降占有较大比例(近似为单个PN结压降)。由于晶体管两端电压等于二个结压降代数和，即通态压降较小(结压降近似为0V)。则该晶闸管结构的导通电阻因主晶闸管部分和半导体晶体管部分导通电阻的并联而降低，从而达到降低晶闸管的通态功耗的目的，特别有助于该类器件在大功率电力电子领域中的应用。

(四)附图说明

图1本发明的晶闸管单元剖面结构示意图；

图2一种已有的晶闸管剖面结构示意图；

图3(a)本发明的晶闸管的电流分布，图3(b)已有的晶闸管的电流分布；

图4本发明与已有的晶闸管的通态电流比较。

(五)具体实施方式

下面结合图1举例对本发明做更详细地描述：

该晶闸管结构的内部构造分成两部分。一是PNPN型半导体主晶闸管部分：高掺杂P型层1经金属层1M引出阳极，在其上依次形成低掺杂N型基区层2和P型基区层3，在P型基区层3上高掺杂N型层4经金属层4M引出阴极，同时在P型基区层3经金属层3M引出门极。二是PNP型半导体晶体管部分：高掺杂P型层1经金属层1M引出发射极，在其上依次形成低掺杂N型基区层2和P型基区层3，在P型基区层3上高掺杂P型层5经金属层5M引出集电极。该晶闸管结构的高掺杂N型层4和高掺杂P型层5具有相同的厚度，且金属层4M和金属层5M也处于同一平面上。而且，主晶闸管的门极引出金属层3M介于高掺杂N型层4和高掺杂P型层5之间，且PNPN型半导体主晶闸管和PNP型半导体晶体管部分由N^-区隔离。

图3是本发明与已有的晶闸管的导通时电流分布，可以看出其导通电流由器件的主晶闸管部分和半导体晶体管部分共同承担。图4是本发明与已有的晶闸管的通态电流比较。结果表明，本发明提出的自关断晶闸管结构具有较高的通流能力，也即在相同电流下具有较低的导通电阻，可显著提高器件工作时的可靠性。

上述为本发明特举之实施例，并非用以限定本发明，在不脱离本发明的实质和范围内，可做些许的调整和优化，本发明的保护范围以权利要求为准。