(57)【要約】  同軸ゲート接続を備えた半導体スイッチング・デバイス：本発明は、半導体スイッチング・デバイスのカソード、アノード及びゲートがその上に堆積された基板、及び、半導体スイッチング・デバイスのゲートの中のカソードを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段、を有する半導体スイッチング・デバイスを提供する。前記接続手段は、半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有するカソード・ゲート接続ユニットを有している。【選択図】図５
2011507244.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部回路ユニットに対して、カソード・ディスクを有する半導体スイッチング・デバイスを電気的に接続するための接続デバイスであって：
当該接続デバイスは、半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有するカソード・ゲート接続ユニットを有し、
前記カソード・コンダクタは、カソード・コンダクタを前記カソード・ディスクに接続するように構成されたカソード接続ターミナルを有していること、
を特徴とする接続デバイス。
【請求項２】
下記特徴を有する請求項１に記載の接続デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタが、絶縁材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁されている。
【請求項３】
下記特徴を有する請求項２に記載の接続デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタは、ポリマーまたはセラミック・ベースの材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁されている。
【請求項４】
下記特徴を有する請求項２または３に記載の接続デバイス：
前記絶縁体は、５００μｍより小さい厚さを有している。
【請求項５】
半導体スイッチング・デバイスであって：
ａ）  当該半導体スイッチング・デバイスのカソード・ディスク、アノード及びゲートがその上に堆積された基板と；
ｂ）  当該半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段と；
を有し、
ｃ）  前記接続手段は、当該半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有するカソード・ゲート接続ユニットを有し、
前記カソード・コンダクタは、前記カソード・コンダクタを前記カソード・ディスクに接続するように構成されたカソード接続ターミナルを有していること、
を特徴とする半導体スイッチング・デバイス。
【請求項６】
下記特徴を有する請求項５に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタが、絶縁材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁されている。
【請求項７】
下記特徴を有する請求項６に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタは、ポリマーまたはセラミック・ベースの材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁されている。
【請求項８】
下記特徴を有する請求項６または７に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記絶縁体は、５００μｍより小さい厚さを有している。
【請求項９】
下記特徴を有する請求項６に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記同軸構造は、
当該半導体スイッチング・デバイスのゲートを外部回路ユニットに接続するためのゲート・コンダクタが、前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタとして形成され、
当該半導体スイッチング・デバイスのカソードを外部回路ユニットに接続するためのカソード・コンダクタが、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタとして形成され、または、
当該半導体スイッチング・デバイスのゲートを外部回路ユニットに接続するためのゲート・コネクタが、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタとして形成され、
当該半導体スイッチング・デバイスのカソードを外部回路ユニットに接続するためのカソード・コンダクタが、前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタとして形成される、
ようにデザインされている。
【請求項１０】
下記特徴を有する請求項５に記載の半導体スイッチング・デバイス：
当該半導体スイッチング・デバイスは、集積ゲート整流サイリスタである。
【請求項１１】
下記特徴を有する請求項５に記載の半導体スイッチング・デバイス：
当該半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための前記接続手段は、当該半導体スイッチング・デバイスのハウジングに取り付けられている。
【請求項１２】
下記特徴を有する請求項１１に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記ハウジングは、絶縁材料で作られている。
【請求項１３】
下記特徴を有する請求項１２に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記ハウジングは、セラミック材料で作られている。
【請求項１４】
下記特徴を有する請求項５に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ディスクは、カソード・ポール・ピースを有している。
【請求項１５】
下記特徴を有する請求項５に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ディスクは、第一のカソード・ポール・ピース及び第二のカソード・ポール・ピースを有している。
【請求項１６】
下記特徴を有する請求項５に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットのカソード・コンダクタは、前記カソード・コンダクタを前記カソード・ディスクに接続するためのカソード接続ターミナルを有している。
【請求項１７】
下記特徴を有する請求項５に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットのゲート・コンダクタは、前記ゲート・コンダクタを外部回路ユニットに接続するためのゲート接続ターミナルを有している。
【請求項１８】
下記特徴を有する請求項１２に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記ハウジングは、アノードからカソード・ディスクへ沿面電流をそらせるために、その外側に、少なくとも一つの沿面部分を有している。
【請求項１９】
下記特徴を有する請求項５から１８の何れか１項に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記接続手段は、当該半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有する、少なくとも二つのカソード・ゲート接続ユニットを有していて、
前記少なくとも二つのカソード・ゲート接続ユニットは、カソード・ディスクの周りに対称的に配置されている。
【請求項２０】
下記特徴を有する請求項１９に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタは、絶縁材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁されている。
【請求項２１】
下記特徴を有する請求項２０に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタは、ポリマーまたはセラミック・ベースの材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁されている。
【請求項２２】
下記特徴を有する請求項２０または２１に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記絶縁体は、５００μｍより小さい厚さを有している。
【請求項２３】
下記特徴を有する請求項２０に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記同軸構造は、
当該半導体スイッチング・デバイスのゲートを外部回路ユニットに接続するためのゲート・コンダクタが、前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタとして形成され、
当該半導体スイッチング・デバイスのカソードを外部回路ユニットに接続するためのカソード・コンダクタが、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタとして形成され、または、
当該半導体スイッチング・デバイスのゲートを外部回路ユニットに接続するためのゲート・コンダクタが、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタとして形成され、
当該半導体スイッチング・デバイスのカソードを外部回路ユニットに接続するためのカソード・コンダクタが、前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタとして形成される、
ようにデザインされている。
【請求項２４】
下記特徴を有する請求項１９に記載の半導体スイッチング・デバイス：
当該半導体スイッチング・デバイスは、集積ゲート整流サイリスタである。
【請求項２５】
下記特徴を有する請求項１９に記載の半導体スイッチング・デバイス：
当該半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための前記接続手段は、当該半導体スイッチング・デバイスのハウジングに取り付けられている。
【請求項２６】
下記特徴を有する請求項２５に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記ハウジングは、絶縁材料で作られている。
【請求項２７】
下記特徴を有する請求項２５に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記ハウジングは、セラミック材料で作られている。
【請求項２８】
下記特徴を有する請求項１９に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ディスクは、カソード・ポール・ピースを有している。
【請求項２９】
下記特徴を有する請求項１９に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ディスクは、第一のカソード・ポール・ピース及び第二のカソード・ポール・ピースを有している。
【請求項３０】
下記特徴を有する請求項１９に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットのカソード・コンダクタは、前記カソード・コンダクタを前記カソード・ディスクに接続するためのカソード接続ターミナルを有している。
【請求項３１】
下記特徴を有する請求項１９に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記カソード・ゲート接続ユニットのゲート・コンダクタは、前記ゲート・コンダクタを外部回路ユニットに接続するためのゲート接続ターミナルを有している。
【請求項３２】
下記特徴を有する請求項２６に記載の半導体スイッチング・デバイス：
前記ハウジングは、アノードからカソード・ディスクへ沿面電流をそらせるために、その外側に、少なくとも一つの沿面部分を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、カソード・アノード・ゲート構造を有する半導体スイッチング・デバイスに係り、特に、半導体スイッチング・デバイスを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続デバイスに係る。特に、この半導体スイッチング・デバイスは、半導体スイッチング・デバイスのカソード、アノード及びゲートがその上に堆積された基板、及び半導体スイッチング・デバイスのカソード、アノード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段、を有している。
【背景技術】
【０００２】
半導体スイッチング・デバイスの外部回路ユニットへの電気的接続は、重要な問題であって、特に、半導体スイッチング・デバイスが大きな電流及び電圧を取り扱わなければならない場合に、重要な問題である。そのような半導体スイッチング・デバイスの例は、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）である。ＩＧＣＴは、ゲート・コントロール式のターンオフ・スイッチであって、これは、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）のように切断するが、最も低いコンダクタ損失を備えたサイリスタのように電流を伝える。
【０００３】
集積ゲート整流サイリスタは、大電力の用途を要求するための電力スイッチング・デバイスであって、その用途は、例えば、中電圧駆動装置、牽引、風力コンバータ、ＡＣ励磁システム、電池によるエネルギー貯蔵システム、固体状態ブレーカ、牽引ライン・ブースター、牽引電力補償器、及び誘導加熱などである。ＩＧＣＴとして構成された半導体スイッチング・デバイスは、今日、その汎用性、効率及びコスト効率のために、様々な用途で使用されている。
【０００４】
従来のＩＧＣＴデバイスは、図１に示された構造のような、リング状の構造を有している。カソード・ディスクＣＤは、図１の下側の面として示されている。カソード・ディスクＣＤの上に、ゲート・ディスクＧＤが配置され、半導体デバイスへのゲート接続をもたらす。アノード・フェーズＡは、外側に沿面距離（creepage distance）Ｃｒを有するハウジングＨの上面に配置されている。
【０００５】
図２は、図１に示された装置の断面である。沿面距離Ｃｒは、アノードＡとカソード・ディスクＣＤの間に形成される。沿面距離Ｃｒは、この場合には、セラミックスなどのような絶縁材料から形成されるハウジングＨの一部である。カソード・ディスクＣＤ及びゲート・ディスクＧＤを外部回路ユニットに接続するために、カソード・コンダクタＣ及びゲート・コンダクタＧが設けられている。本質的に、従来技術に基づくこれらの接続は、二枚のディスク使用して、即ち、ゲート・ディスクＧＤ及びカソード・ディスクＣＤを使用して、行われる。これらのディスクは、ハンダ付けされて、セラミックスをパッケージする。機械的な理由のために、ゲート・ディスクをカソード・ディスクからを分離するセラミックの厚さは、約１００Ｖの電圧で分離される二つの電位を絶縁するために要求されるであろう厚さと比べて、遥かに大きい。
【０００６】
不都合なことに、このことは、ゲート電極とカソード電極の間に、大きな距離をもたらし、それによって、全体としてのループ・インダクタンスが増大を招くことになる。半導体スイッチング・デバイスを外部回路ユニットに接続するために、不都合なことに従来の接続装置の中に形成されるインダクタンス・ループの例が、図２の中の参照符号ＩＬにより示されている。図２に示された漂遊インダクタンスＩＬのような漂遊インダクタンスは、不都合なことに、半導体スイッチング・デバイスのターンオフ性能を低下させる。従来技術による半導体スイッチング・デバイスの他の弱点は、ゲートとカソード・ディスクを分離するセラミック・ハウジングの厚さが大きいために、半導体スイッチング・デバイスのサイズが大きいと言うことである。
【発明の概要】
【０００７】
このようにして、本発明の目的は、カソード・ディスクを有する半導体スイッチング・デバイスを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段を提供することにあり、この接続手段は、低い漂遊インダクタンスを有している。更にまた、コンパクトなサイズを有する半導体デバイスを提供することが、望ましい。
【０００８】
この目的は、半導体スイッチング・デバイスを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続デバイス、及び独立請求項に基づく半導体スイッチング・デバイスにより実現される。
【０００９】
本発明の更に好ましい発展は、従属請求項に基づく。
【００１０】
本発明第一のアスペクトによれば、カソード・ディスクを有する半導体スイッチング・デバイスを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続デバイスが提供され、この接続デバイスは、半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有するカソード・ゲート接続ユニットを有し、ここで、前記カソード・コンダクタは、前記カソード・コンダクタを前記カソード・ディスクに接続するように構成されたカソード接続ターミナルを有している。
【００１１】
本発明の他のアスペクトによれば、半導体スイッチング・デバイスが提供され、この半導体スイッチング・デバイスは、当該半導体スイッチング・デバイスのカソード・ディスク、アノード及びゲートがその上に堆積された基板；及び、当該半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段；を有し、ここで、前記接続手段は、当該半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有するカソード・ゲート接続ユニットを有し、ここで、前記カソード・コンダクタは、前記カソード・コンダクタを前記カソード・ディスクに接続するように構成されたカソード接続ターミナルを有している。
【００１２】
本発明の更に他のアスペクトによれば、半導体スイッチング・デバイスが提供され、この半導体スイッチング・デバイスは、当該半導体スイッチング・デバイスのカソード、アノード及びゲートがその上に堆積された基板；及び、当該半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段；を有し、ここで、前記接続手段は、当該半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有する少なくとも二つのカソード・ゲート接続ユニットを有し、ここで、前記少なくとも二つのカソード・ゲート接続ユニットは、カソード・ディスクの周りに対称的に配置されている。
【００１３】
本発明の実施形態が、図面の中に描かれ、且つ以下の説明の中で詳しく説明される。
【００１４】
これらの図の中で、同一の参照符号は、同一のまたは同様な部分またはステップを示している。
【００１５】
本発明は、従来の半導体スイッチング・デバイス、例えば集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）デバイスにおいて、漂遊インダクタンスは、主として、接続ユニットの中に形成されるインダクタンス・ループにより生ずると言うアイデアに基づいている。本発明のコアとなるコンセプトは、漂遊インダクタンスが半導体スイッチング・デバイスを外部回路ユニットに接続するインダクタの適切な配置により回避されることが可能であると言う事実に基づいていて、ここで、コンダクタ装置は、アノード、カソード及びゲート・コンタクトを有している。漂遊インダクタンスを最小化するために、半導体スイッチング・デバイスを外部回路ユニットに接続するゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタは、同軸配置により互いに対して関係付けられる。
【００１６】
この種類の同軸配置は、半導体スイッチング・デバイスのゲートを外部回路ユニットに接続するためのゲート・コンダクタが、カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタとして形成され、半導体スイッチング・デバイスのカソードを外部回路ユニットに接続するためのカソード・コンダクタが、カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタとして形成されるようにデザインされても良く、また、その反対の構造であっても良い。前記ゲート・カソード接続ユニットの外側のコンダクタ及び内側のコンダクタは、同軸構造として設けられる。このようにして、漂遊インダクタンスが最小化されることが可能であると言うことが、本発明に基づくカソード・ゲート接続ユニットの優位性である。
【００１７】
本発明第一のアスペクトによれば、カソード・ディスクを有する半導体スイッチング・デバイスを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続デバイスは、半導体スイッチング・デバイスのゲート及びカソードを外部回路ユニットに電気的に接続するところの、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有するカソード・ゲート接続ユニットを有し、ここで、前記カソード・コンダクタは、カソード・コンダクタをカソード・ディスクに接続するように構成されたカソード接続ターミナルを有している。
【００１８】
本発明の好ましい発展によれば、前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタは、絶縁材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁される。
【００１９】
本発明他の好ましい発展によれば、前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタは、ポリマーまたはセラミック・ベースの材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁される。
【００２０】
好ましくは、前記接続デバイスは、５００μｍより小さい厚さを有する絶縁体を有している。
【００２１】
本発明の第二のアスペクトによれば、半導体スイッチング・デバイスが提供され、この半導体スイッチング・デバイスは、半導体スイッチング・デバイスのカソード・ディスク、アノード及びゲートがその上に堆積された基板；及び、半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段；を有し、ここで、前記カソード・コンダクタは、カソード・コンダクタをカソード・ディスクに接続するように構成されたカソード接続ターミナルを有している。
【００２２】
前記接続手段は、半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有するカソード・ゲート接続ユニットを有している。
【００２３】
本発明の更に他の発展によれば、前記同軸構造は、半導体スイッチング・デバイスのゲートを外部回路ユニットに接続するためのゲート・コンダクタが、カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタとして形成され、半導体スイッチング・デバイスのカソードを外部回路ユニットに接続するためのカソード・コンダクタが、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタとして形成されるようにデザインされる。その代わりに、前記カソード・コンダクタが、内側のコンダクタとして形成され、前記ゲート・コンダクタが、外側のコンダクタとして形成されても良い。
【００２４】
好ましくは、半導体スイッチング・デバイスは、集積ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）である。
【００２５】
本発明の更に他の発展によれば、半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段は、半導体スイッチング・デバイスのハウジングに取り付けられる。好ましくは、半導体スイッチング・デバイスのハウジングは、絶縁材料で作られる。
【００２６】
もし、ハウジングがセラミック材料で作られていれば、好ましい。
【００２７】
本発明の更に他の好ましい発展によれば、前記カソード・ディスクは、カソード・ポール、特に、第一のカソード・ポール・ピース及び第二のカソード・ポール・ピースを有している。
【００２８】
本発明の更に他の好ましい発展によれば、前記カソード・ゲート接続ユニットのカソード・コンダクタは、前記カソード・コンダクタをカソード・ディスクに接続するためのカソード接続ターミナルを有している。好ましくは、前記カソード・ゲート接続ユニットのゲート・コンダクタは、更に、前記ゲート・コンダクタを外部回路ユニットに接続するためのゲート接続ターミナルを有している。
【００２９】
本発明の更に他の好ましい発展によれば、半導体スイッチング・デバイスのハウジングは、アノードからカソード・ディスクへ沿面電流（creepage currnets）をそらせるために、その外側に、少なくとも一つの沿面部分（creepage section）を有している。
【００３０】
本発明第三のアスペクトによれば、半導体スイッチング・デバイスが、半導体スイッチング・デバイスのカソード、アノード及びゲートがその上に堆積された基板；及び、半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための接続手段；を有している。
【００３１】
前記接続手段は、好ましくは、半導体スイッチング・デバイスのカソード及びゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための、ゲート・コンダクタ及びカソード・コンダクタを含む同軸構造を有する少なくとも二つのカソード・ゲート接続ユニットを有し、ここで、少なくとも二つのカソード・ゲート接続ユニットは、カソード・ディスクの周りに対称的に配置されている。
【００３２】
本発明の更に他の好ましい発展によれば、前記カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタは、絶縁材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁される。好ましくは、前記カソード・ゲート接続の内側のコンダクタは、ポリマーまたはセラミック・ベースの材料を有する絶縁体により、前記カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタから絶縁される。好ましくは、絶縁体は、５００μｍより小さい厚さを有している。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１は、従来技術に基づく半導体スイッチング・デバイスの正面図である。
【図２】図２は、図１に示された従来技術に基づく半導体スイッチング・デバイスの断面である。
【図３】図３は、本発明に基づく第一の好ましい実施形態の半導体スイッチング・デバイスの正面図である。
【図４】図４は、本発明に基づくカソード・ゲート接続ユニットの構造を示している。
【図５】図５は、図３に示された半導体スイッチング・デバイスを示し、アノードが取り除かれて、半導体スイッチング・デバイスの内側が見えるようになっている。
【図６】図６は、図５に示された半導体スイッチング・デバイスの断面図である。
【図７】図７は、本発明第二の好ましい実施形態に基づく半導体スイッチング・デバイスの上面図である。
【図８】図８は、本発明第二の実施形態に基づく半導体スイッチング・デバイスの結合された上面図／断面図である。
【図９】図９は、様々な半導体スイッチング・デバイスに対するシミュレイションの結果を示し、ここで、漂遊インダクタンスが動作周波数の関数として示されている。
【図１０】図１０は、様々な半導体スイッチング・デバイスに対するコンダクタ抵抗を、動作周波数の関数として示している。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図３は、本発明の好ましい実施形態に基づく半導体スイッチング・デバイス１００を示している。図３に示されているように、半導体スイッチング・デバイスは、カソード・ディスク１０２、及び、カソード・ディスク１０２の上面のゲート・ディスク１０３を有し、ゲート・ディスクは（カソード・ディスク１０２から絶縁されている）。セラミック材料などのような絶縁材料で作られたハウジング１０４が、カソード・ディスク１０２の上面に配置されている。ハウジングは、ハウジング１０４の上面に配置されたアノード１０１から、カソード・ディスク１０２を絶縁するために使用される沿面部分１０５を有していても良い。この沿面部分１０５は、アノード１０１からカソード・ディスク１０２までの沿面距離を提供し、それによって、沿面電流が、アノード１０１からカソード・ディスク１０２までの拡大された距離に支配されるようになる。このようにして、カソード１０１とアノード・ディスク１０２の間の絶縁が改善される。
【００３５】
本発明の第一の好ましい実施形態によれば、カソード・ゲート接続ユニット２００が、ハウジング１０４の一方の側に設けられる。このカソード・ゲート接続ユニットは、半導体スイッチング・デバイスの外部回路ユニットに対する電気的接続のために使用される。接続デバイスは、ゲート及び半導体スイッチング・デバイスのカソードの外部回路ユニットに対する接続のために使用される。カソード１０１は、従来技術の場合と同様に、外部回路ユニットに接続される。
【００３６】
インダクタンス・ループ（図２参照方）を回避するために、ゲート及びカソード接続は、以下において図４を参照しながら説明されるように、同軸配置として設けられている。カソード・ゲート接続は、アノード及び半導体スイッチング・デバイスのゲートを外部回路ユニットに電気的に接続するための同軸構造を有している。カソード・ゲート接続ユニット２００は、図３に示されているように、カソード・コンダクタ２０２及びゲート・コンダクタ２０３を有している。カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタ２００は、ゲート・コンダクタ２０３として設けられ、これに対して、カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタ２００は、カソード・コンダクタ２０２として設けられている。カソード・ゲート接続ユニット２００の内側のコンダクタ２０２は、カソード・ゲート接続ユニット２００の外側のコンダクタ２０２から絶縁されている。
【００３７】
この絶縁は、絶縁材料で作られた絶縁体を有していても良い。更にまた、カソード・ゲート接続２００の内側のコンダクタ２０３は、ポリマーまたはセラミック・ベースの材料を有する絶縁体により、カソード・ゲート接続ユニット２００の外側のコンダクタ２０２から絶縁されても良い。本発明の好ましい発展によれば、絶縁体は、５００μｍより小さい厚さを有している。
【００３８】
図４は、カソード・ゲート接続ユニット２００をより詳細を示している。先に説明したように、ゲート・コンダクタ２０３は、カソード・ゲート接続ユニットの内側のコンダクタ２００として設けられ、ここで、カソード・コンダクタ２０２は、カソード・ゲート接続ユニットの外側のコンダクタ２００として設けられている。カソード・ゲート接続ユニットの断面は、円形であって、それによって、図４に示されているように、同軸配置がもたらされるようになる。カソード・コンダクタ２０２は、以下において図６を参照しながら示されたように、カソード・コンダクタ２０２をカソード・ディスクに接続するためのカソード接続ターミナル３０２を有している。更にまた、ゲート・コンダクタ２０３は、ゲート・コンダクタ２０３を外部回路ユニット（示されていない）に接続するためのゲート接続ターミナル３０３を有している。
【００３９】
絶縁体２０４は、カソード・コンダクタ２０２をゲート・コンダクタ２０３から絶縁するために、設けられている。この絶縁は、空気、ポリマーまたはセラミック・ベースの材料などのような絶縁材料、または従来から知られている他の絶縁材料であっても良い。カソード・ゲート接続ユニット２００の構造のために、例えばゲート・カソード・ループ・インダクタンスのような、漂遊インダクタンスが最小化される。ここで留意すべきことは、ゲート・カソード・ループ・インダクタンスは、ＩＧＣＴ（集積ゲート整流サイリスタ）のターンオフ性能に対する最も適切なパラメータであると言うことである。
【００４０】
図５は、図３に示された半導体１００の正面図であって、ここで、半導体スイッチング・デバイス１００は、アノード１０１が取り除かれた状態で示されている。このようにして、ハウジング１０４の内側が、より詳細に示されている。ここで留意すべきことは、以上において既に説明された部品またはコンポーネントは、説明を簡潔にするために、この更なる説明においては、詳しく説明されないと言うことである。
【００４１】
半導体スイッチング・デバイス１００の内側図に示されているように、カソード・ディスク１０２は、第一のカソード・ポール・ピース３０４及び第二のカソード・ポール・ピース３０５を、ハウジング１０４の内側に有していて、それらは、同軸配置状態になっている。第一のカソード・ポール・ピース３０４と第二のカソード・ポール・ピース３０５の間に、ゲート・リング２０１が設けられ、このゲート・リングは、ゲート・ディスク１０３と電気的に接触している。カソード・ゲート接続ユニット２００のゲート・コンダクタ２０３により、接触されなければならないのは、このゲート・リング２０１である。
【００４２】
接続が、以下において、図６を参照しながら詳しく説明される。この図６は、半導体スイッチング・デバイス１００の一部と共に、カソード・ゲート接続ユニットの断面を示している。図５に示されているように、カソード・コンダクタ２０２は、ハウジング１０４の内側の方へ、絶縁ハウジング１０４を通って到達し、ここで、ゲート・コンダクタ２０２は、カソード・ディスク１０２に電気的に接続されている。更にまた、カソード・ゲート接続ユニットがカソード・トレンチ３０１の中に配置されていることが示されている。
【００４３】
ここで留意すべきことは、図５には、唯一つのカソード・ゲート接続ユニット２００が示されているが、一つよりも多いカソード・ゲート接続ユニット２００が、ハウジング１０４の周囲に設けられても良いということであって、それは、以下において、本発明の第二の好ましい実施形態の説明に関係して、図７及び８を参照しながら示されることになる。
【００４４】
図６は、図３に示された半導体スイッチング・デバイス１００の一部の、Ａ−Ａ線（図３参照方）に沿う断面である。本発明に基づく同軸ゲートのコンセプトが、明瞭に見られることが可能である。図６は、カソード・ディスク１０２及びアノード１０１の一部を示している。更にまた、基板１１２が図の中心部に示されている。更にまた、ハウジング１０４及び沿面部分１０５の一部が描かれている。ハウジング１０４と基板１１２の間に、絶縁ユニット１０６が設けられている。上面側には、基板１１２が、アノード１０１に接触するためのアノード・コンタクト・レイヤ１０７として設けられている。基板１１２の下部には、第一のカソード・ポール・ピース３０４及び第二のカソード・ポール・ピース３０５が、カソード・ディスク１０２に接触するために設けられている。更にまた、ゲート・リング２０１が、示されていて、このゲート・リングは、ゲート・コンダクタ２０３により接触される。更にまた、図６の中には、カソード・コンダクタ２０２がカソード・ディスク１０２に接続されるところが描かれている。
【００４５】
このようにして、図６の断面は、ハウジング１０４の貫通孔の中に取り付けられたカソード・ゲート接続ユニット２００を有している。沿面部分１０５を介してアノード１０１からカソード・ディスク１０２まで、沿面電流が流れることを可能にするために、アノード接続１１０が、ハウジング１０４をアノード１０１に接続するために設けられている。更にまた、カソード接続１１１が、ハウジング１０４を通って、カソード・ディスク１０２を接続するために設けられている。
【００４６】
外部回路ユニット（示されていない）に対するゲート・リング２０１の接続を可能にするために、ゲート・コンダクタ２０３には、その左端に、ゲート接続ターミナル３０３が設けられている。更にまた、カソード・コンダクタ２０２は、カソード接続ターミナル３０２を使用することにより、カソード・ディスク１０２に電気的に接続されている。このようにして、図６の中に描かれているように、電気的接続が、カソード・コンダクタ２０２とカソード・ディスク１０２の間に、直接的に且つカソード接続１１１及びカソード接続ターミナル３０２を介して設けられる。ゲート・リング２０１は、絶縁レイヤ１０９により、周囲から、特にカソード・ディスク１０２から、絶縁されている。
【００４７】
ここで留意すべきことは、これらの図の中に（特に、図３，４及び５の中に）、円形の断面のカソード・ゲート接続ユニット２００が示されているが、カソード・ゲート接続ユニット２００及びカソード・コンダクタ２０２並びにゲート・コンダクタ２０３は、矩形の断面などのような、円形以外の断面を有していても良いと言うことである。本発明は、カソード・ゲート接続ユニットの断面２００の特定のデザインに限定されない。図３，４，５及び６に示されている、本発明の第一の実施形態によれば、カソード・コンダクタ２０２とゲート・コンダクタ２０３の間の距離が、ループの全体に沿って最小値に維持されることが可能であり、このようにして、最小のループ・インダクタンスが確保される。
【００４８】
カソード・ゲート接続ユニット２００は、第二のカソード・ポール・ピースの既存のカソード・トレンチの中に配置される（図５参照方）。それ故に、カソード・ディスク１０２は、カソード・コンダクタ２０２に接続され、ここで、ゲート・コンダクタ２０３は、ゲート・リング２０１に接続され、それによって、半導体スイッチング・デバイスの全体の容易な構築及びコスト効率の良い製造が可能になる。ここで留意すべきことは、同軸接続の内側の電気的絶縁、即ち、絶縁体２０４は、非常に薄くても良いと言うことである。その理由は、予想されるピーク電圧が、高々約１００Ｖの範囲内にあるからである。主要な要求は、それ故に、絶縁材料が、セラミック・ハウジング１０４の残りの部分と同様な密封性を有していなければならないと言うことである。２０〜３０ｍｍの全長（ＩＧＣＴ基板／パッケージの直径に依存する）及び数１００μｍの厚さの絶縁体２０４で、大半のポリマー系またはセラミック系の材料が使用されることが可能である。
【００４９】
更にまた、カソード・ゲート接続ユニット２００の挿入は、半導体スイッチング・デバイス１００のためのあまり高価でないハウジング１０４を可能にし、それによって、製造コストが減少される。
【００５０】
図７及び８は、本発明の第二の好ましい実施形態に基づく、半導体スイッチング・デバイス１００の上面図及び断面図を示している。先に述べたように、本発明は、単一のカソード・ゲート接続ユニット２００を備えた構成のみに限定されない。多数の（少なくとも二つの）カソード・ゲート接続ユニット２００を設けることも可能である。図７に示されているように、半導体スイッチング・デバイス１００のハウジング１０４の外周の周りに、複数のカソード・ゲート接続ユニット２００を配置することが好ましい。
【００５１】
図７に示されているように、１２個のカソード・ゲート接続ユニット２００が、半導体スイッチング・デバイス１００のハウジング１０４の外周の周りに対称的に配置されている。このようにして、外部回路ユニットに対する半導体スイッチング・デバイス１００の電気的接続が、改善されることが可能である。図７に示されたカソード・ゲート接続ユニット２００のそれぞれは、図３から６に関係して以上において説明されたやり方で構築される。
【００５２】
図８の中に、本発明の第二の好ましい実施形態に基づく半導体スイッチング・デバイス１００が、より詳細に示されている。この目的のために、上面図（図８（ａ））に加えて、カソード・ゲート接続ユニット２００の中心を通る断面図が、図８（ｂ）の右側に示されている。
【００５３】
図９及び１０は、インダクタンス及び抵抗のシミュレイションを、本発明の第一の好ましい実施形態に基づくカソード・ゲート接続ユニット２００を有する半導体スイッチング・デバイスに対して、図１及び２に示された従来の半導体スイッチング・デバイスと比較して、示している。図９及び１０において、“同軸ゲート”とは、本発明の第一の好ましい実施形態に基づくカソード・ゲート接続ユニット２００の様々な装置が分析されたことを意味している。図９及び１０の中で、“オリジナル・カット”とは、図１及び２に示された従来の半導体スイッチング・デバイスインダクタンス及び抵抗挙動がシミュレートされたことを意味している。
【００５４】
図９に示されているように、インダクタンス４０２は、動作周波数４０１の関数としてプロットされている。周波数は、１０Ｈｚから１ＭＨｚまでが示され、これは、ＩＧＣＴに対する該当する動作周波数範囲である。参照符号４０４を有する曲線は、従来技術の中と同様に同軸ゲートを使用しない場合のインダクタンス分布を示している。参照符号４０５を有する曲線、同軸ゲート１、同軸ゲート２、同軸ゲート３及び同軸ゲート４は、同軸ゲートを使用する場合のインダクタンス分布を示している。図から分かるように、漂遊インダクタンスは、特に高い周波数範囲において、４０％まで減少される。
【００５５】
更にまた、図１０を参照しながら示されたように、本発明に基づくカソード・ゲート接続ユニット２００を使用する装置の抵抗が、従来の半導体スイッチング・デバイスにおいて使用される従来の接続と比較して、シミュレートされた。図１０に示されているように、図９に示されたものと同一の周波数範囲で、即ち、１０Ｈｚと１ＭＨｚの間の、関心の周波数範囲で、抵抗４０３が、動作周波数４０１の関数としてプロットされた。曲線４０６は、従来技術の場合と同様に同軸ゲートを使用しない場合の抵抗分布を示していて、ここで、参照符号４０７は、同軸ゲートを使用する場合の、即ち、先の図９に関して示されたように、同軸ゲート１、同軸ゲート２、同軸ゲート３及び同軸ゲート４を使用する場合の、抵抗分布を示している。
【００５６】
図１０に示された抵抗プロットから、本発明の好ましい実施形態に基づくカソード・ゲート接続ユニット２００によりもたらされる抵抗４０３の増大が、曲線４０６により示される従来の装置の抵抗と比較して、無視できる程小さいと結論付けることが可能である。
【００５７】
当業者にとって明らかなように、上記の教えに基づいて、変更及び変形が、発明の開示及びその広範なアスペクトから離れること無しに行われても良い。即ち、以上において説明された全ての例は、例として意図されたものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
【符号の説明】
【００５８】
１００…半導体スイッチング・デバイス、１０１…アノード、１０２…カソード・ディスク、１０３…ゲート・ディスク、１０４…ハウジング、１０５…沿面部分、１０６…絶縁ユニット、１０７…アノード・コンタクト・レイヤ、１０８…カソード・コンタクト・レイヤ、１０９…絶縁レイヤ、１１０…アノード接続、１１１…カソード接続、１１２…基板、２００…カソード・ゲート接続ユニット、２０１…ゲート・リング、２０２…カソード・コンダクタ、２０３…ゲート・コンダクタ、２０４…絶縁体、３０１…カソード・トレンチ、３０２…カソード接続ターミナル、３０３…ゲート接続ターミナル、３０４…第一のカソード・ポール・ピース、３０５…第二のカソード・ポール・ピース、４０１…動作周波数、４０２…インダクタンス、４０３…抵抗、４０４…同軸ゲートを使用しない場合のインダクタンス分布（従来技術）、４０５…同軸ゲートを使用する場合のインダクタンス分布、４０６…同軸ゲートを使用しない場合の抵抗分布（従来技術）、４０７…同軸ゲートを使用する場合の抵抗分布。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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