サイリスタ特性の基礎

サイリスタ特性の基礎

松田順一 群馬大学

令和元年度 集積回路設計技術・次世代集積回路工学特論 公開講座 第

385

令和元年６月１８日（火） １４：２０－１７：３０

概要１

（１）サイリスタの概要

・サイリスタの種類と用途、サイリスタの回路記号

（２）サイリスタ（

Thyristor

・構造と動作

・ブロッキング特性

逆方向ブロッキング特性、順方向ブロッキング特性、カソード短絡

・オン状態の特性

オン状態の動作、ゲートトリガー電流、保持電流

・スイッチング特性

ターンオン時間、ゲート設計、増幅ゲート設計、

dV/dt

（３）光トリガサイリスタ

・構造とターンオンメカニズム、ゲート領域設計、光誘起電流密度、増幅ゲート設計

（４）サイリスタの保護

・順方向ブレークダウン保護、

dV/dt

概要２

（５）ＧＴＯ（

Gate Turn‐Off Thyristor

・構造と動作

・ターンオフ解析

ターンオフ条件（１次元解析）、蓄積時間、アノード電圧上昇時間、アノード電流下降時間

・スイッチング損失

・最大ターンオフ電流

・セル設計とレイアウト

（６）Ｔｒｉａｃ（

Triode AC Switch

・構造と動作

・ゲートトリガモード１、ゲートトリガモード２

・

dV/dt

（７）サイリスタ終端領域の電界緩和

・ベベル終端（正ベベルと負ベベル）

（８）サイリスタ用ウエハと不純物ドーピング

サイリスタの概要

■ サイリスタ（

Thyristor

SCR (Silicon Controlled Rectifier)

・AC パワー回路に使用（順方向と逆方向の高電圧ブロッキングが可能 ）

・AC 電圧源の最初の半サイクル期間内で位相制御を行い、負荷への電力供給を行う

・比較的に小さなゲート制御電流でオン（一旦オンすると、ゲート駆動電流無しでもオン状態を保つ。）

・

AC

・高パワーレベルで使用（例えばブロッキング電圧

: 8kV

: 5kA

・光トリガサイリスタを直列に接続して非常に高い電圧の送電（

100 kV

■ ＧＴＯ（

Gate Turn-Off Thyristor

■Ｔｒｉａｃ（

Triode AC Switch

・DC パワー回路に使用

・大きな逆ゲート駆動電流印加により、

DC

・高速鉄道輸送用に使われる電車のモータ駆動

→ IGBT

・AC パワー回路に使用（順方向と逆方向の高電圧ブロッキングが可能 ）

・AC 電圧源の両半サイクルにおける位相制御により、負荷（家電製品）へ電力供給を行う

・負荷へ電力供給する Triac の動作効率は、サイリスタに比べて良い

・ターンオン期間に発生する EMI により Triacは使われなくなり、IGBT に置き換わった

（１）サイリスタの概要

サイリスタの回路記号

サイリスタ Ｔｒｉａｃ

Ｋ：カソード Ａ：アノード

Ｋ

Ｔ_１

Ｋ Ｋ

Ｋ

Ｋ Ｋ

Ａ

Ｇ

Ａ Ａ

Ａ

Ａ Ａ

Ｇ Ｇ

Ｇ Ｇ

Ｇ Ｇ

Ｇ

Ｔ_１

Ｔ_２ Ｔ_２

Ｇ：ゲート

サイリスタの構造

Distance (Linear scale)

Doping Concentration (Log scale)

アノード 端子（Ａ）

カソード 端子（Ｋ）

ゲート端子（Ｇ）

P

P

N

N

N-ドリフト（ベース）

J

J

J

N

x

N

N

N

x

x

カソード アノード

P-ベース

アノードP⁺: ウエハ裏面からP型不純物拡散により形成 カソードN⁺: ウエハ表面からN型不純物拡散により形成 P-ベース:ウエハ表面からP型不純物拡散により形成

J

: P

N-

J

: P-

N-

⇒順方向と逆方向で高耐圧達成

⇒エッジターミネーションで正と負のベベルを使用可能

（耐圧低下抑制）

傾斜型接合の形成

⇒

P

Ga, Al

B

⇒

Ga: P

⇒

Al: P-

（

P-

N-

傾斜型接合

構造と動作

（２）サイリスタ（

Thyristor

サイリスタの出力特性

オン状態

順方向

ブロッキング状態

逆方向ブロッキング状態

BV

BV

■ アノードに負バイアス印加

■ アノードに正バイアス印加

⇒

J

J

:

J

:

⇒逆バイアスは主に

J

⇒逆ブロッキング電圧は

N-

（オープンベーストランジスタブレークダウン電圧）

⇒

J

J

:

J

:

⇒順バイアスは主に

N-

入った場合の トランジション

サイリスタの等価回路

P

P

N

N

J

J

J

P N

Ｇ

Ａ

Ｋ

Ｇ

Ａ

ＰＮＰ トランジスタ

ＮＰＮ トランジスタ

I

I

I

I

I

I

ゲート電流

I

■ サイリスタの動作（オフ

→

ＰＮＰ

ＮＰＮ

J

（

N

P

→ NPN

→ NPN

→ PNP

→ PNP

正帰還（安定したオン状態：

I

オン状態の電流はオン電圧（アノードとカソード間の電圧）

と共に指数関数的に増大（PiNダイオードの特性に類似）

■ サイリスタの動作（オン

→

アノードに逆バイアス（負電圧）を印加

一旦サイリスタがオフ状態になるとアノードに 正電圧を印加してもオンしない。

ターンオフ期間に

PiN

サイリスタの位相制御

-15 -10 -5 0 5 10 15

-150 -100 -50 0 50 100 150

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

Anode Current (A)

Anode Voltage (V)

Time (ms)

100 V-rms, f = 60 Hz,

アノード電流

ゲートトリガー

■ サイリスタは、AC 電圧源の最初の半サイクル期間内で 位相制御を行い、負荷への電力供給を行う

■ 二番目の半サイクルの初めに、逆回復過程がある

■ その後、サイリスタは電流を流さないで、

逆アノードバイアスを支持できる 逆回復

過程

サイリスタによる

AC

逆方向ブロッキング特性

P

P

N

N

J

J

J

W

Ｋ Ａ

I

I

空乏 領域

E(y)

E(y) W

W

y

y

■ アノードに負電圧印加

J

J

J

ほとんどの逆バイアスはJ₁に掛かる

（

J

<50V

E

E

α

I

I

W

= W

W

> W

（２）

W

= W

BV

（１）

W

> W

BV

𝐵𝑉

= 5.34 × 10

𝑁

𝐵𝑉

(V) 𝑁

(cm

)

E

→ E

(N

)

リーチスルー

但し、この場合、

E

< E

J

J

J

（リーチスルーによるブレークダウン）

𝐵𝑉

= 𝑞𝑁

2𝜀

𝑊

𝑙

ブロッキング特性

逆方向ブロッキング時の実際のブレークダウン電圧

𝐼

= 𝛼

𝐼

+ 𝐼

= 𝐼

𝐼

= 𝐼

1 − 𝛼

𝛼

= 𝛾

𝛼

𝑀 = 1 𝛼

= 1

cosh Τ 𝑙 𝐿

𝑙 = 𝑊

− 2𝜀

𝑉

𝑞𝑁

𝑀 = 1

1 − 𝑉

Τ 𝐵𝑉

γ_E（≒1）: J₂における正孔の注入効率

α_PNP: PNPトランジスタのベース接地電流利得

α_T: ベース輸送ファクター⁽¹⁾ M: キャリア増倍係数

L_P: N-ドリフト領域の正孔の拡散長

■ オープン・ベース・トランジスタ・ブレークダウン電圧

・電流の関係式（ブロッキング状態）

・ブレークダウンの条件（

I

= ∞)

V_A: アノードへ印加された逆バイアス

ε_s: 半導体の誘電率 q: 電子の電荷の大きさ n: P⁺/N接合の場合6

N-ドリフト領域に 広がる空乏層幅

I_L: 空乏領域内でキャリア発生によるリーク電流

ブレークダウン条件を満たすV_Aがブレークダウン電圧 BV_PP,A: J₁接合のアバランシェブレークダウン電圧

Ｎ - ドリフト領域のドーピング濃度と幅の最適化

0 100 200 300 400 500

2E+13 3E+13 4E+13 5E+13 6E+13 7E+13

Drift Region Width (μm)

Drift Region Doping Concentration (cm^-3)

0 1000 2000 3000 4000

200 250 300 350 400 450 500

Open-Base Breakdown Voltage (V)

Drift Region Width (μm)

逆方向ブロッキング電圧とドリフト領域幅の関係 ドリフト領域幅とドーピング濃度との関係 5×10¹³cm^-3

7×10¹³cm^-3 3×10¹³cm^-3

最小値

逆方向ブロッキング電圧: 2000 V 逆方向ブロッキング電圧: 2000 V

（ライフタイムτ = 10 μsとして計算）

α_T増大

に起因 M増大

に起因

最適設計

→

（ドリフト領域幅

287μm

4.6

10

cm

（注）逆方向ブロッキング電圧は温度依存性あり

温度上昇

→α

M低下（∵インパクトイオン化低減）（一般に主モード）

→

N

順方向ブロッキング特性

P

P

N

N

J

J

J

W

Ｋ Ａ

I

I

空乏領域

E(y)

E(y) W

y

E

E

α

I

I

P-ベース リーチスルー

α

I

W

■ アノードに正電圧印加

P-ベース濃度 が低い場合

J

J

J

ほとんどの逆バイアスは

J

（２）

N-

BV

（１）

P-

BV

𝐵𝑉

= 𝑞 2𝜀

𝑁

𝑁

+ 𝑁

𝑁

𝑊

𝐵𝑉

= 𝑞𝑁

2𝜀

𝑊

(N

)

(N

)

𝑙

順方向ブロッキング時の実際のブレークダウン電圧

𝐼

= 𝛼

𝐼

+ 𝛼

𝐼

+ 𝐼

= 𝐼

𝐼

= 𝐼

1 − 𝛼

− 𝛼

𝛼

+ 𝛼

= 𝛾

𝛼

+ 𝛾

𝛼

𝑀 = 1 𝛼

= 1

cosh Τ 𝑙 𝐿

𝑙 = 𝑊

− 2𝜀

𝑉

𝑞𝑁

𝑀 = 1

1 − 𝑉

Τ 𝐵𝑉

■ オープン・ベース・トランジスタ・ブレークダウン電圧

・電流の関係式（ブロッキング状態）

・ブレークダウンの条件（

I

= ∞)

N-ドリフト領域に 広がる空乏層幅

α_NPN: NPNトランジスタのベース接地電流利得

順方向ブロッキング電圧＜逆方向ブロッキング電圧

BV_PP,B: J₂接合のアバランシェブレークダウン電圧 n: P⁺/N接合の場合6

ブレークダウン条件を満たすV_Aがブレークダウン電圧

V

→ PNP

: α

1

→ NPN

: γ

V

Ｎ - ドリフト領域のドーピング濃度と幅の最適化

0 1000 2000 3000 4000

200 250 300 350 400 450 500 550 600

Open-Base Breakdowm Voltage (V)

Drift Region Width (μm)

0 100 200 300 400 500 600

2E+13 3E+13 4E+13 5E+13 6E+13 7E+13

Drift Region Width (μm)

Drift Region Doping Concentration (cm^-3)

順方向ブロッキング電圧とドリフト領域幅の関係 5×10¹³cm^-3

7×10¹³cm^-3

3×10¹³cm^-3

順方向ブロッキング電圧: 2000 V

（ライフタイムτ = 10 μs, NPNトランジスタのα_NPN = 0.65 として計算）

最小値

順方向ブロッキング電圧: 2000 V

PNPトランジスタの

α_T増大に起因 M増大 に起因

最適設計

→

（ドリフト領域幅

435μm

5.5

10

cm

（注）順方向ブロッキング電圧は温度依存性あり

温度上昇

→α

N

カソード短絡構造 （順方向ブロッキング時のリーク電流）

P-

N

N

N

W

R

N-

アノード

P

J

I

カソード短絡

■ カソード短絡

→

I

P-

R

→ N

→

NPN

（耐圧低下の抑制）

カソード短絡構造の等価回路

P-

R

N-

N

I

I

I

I

カソード短絡

R

I

I

I

I

E B

C

NPN J

A

(E)

(B)

(C)

ＮＰＮトランジスタの利得（カソード短絡構造）

■ エミッタ電流

I

𝐼

= 𝐼

𝑒

− 1

I

:

q:

D

:

n

: P-

L

: P-

A:

-

V

: A

-

を横切る順方向バイアス

k:

T:

α

: NPN

α

:

NPN

ベース接地電流利得

𝐼

= 𝑞𝐷

𝑛

𝐿

𝐴

■ エミッタ端子（カソード）に流れる全電流

I

𝐼

= 𝐼

+ 𝐼

= 𝐼

𝑒

− 1 + 𝑉

𝑅

■ ベース接地電流利得（エミッタ短絡状態）

𝛼

= 𝐼

𝐼

= 𝛼

𝑒

− 1

𝑒

− 1 + 𝑉

Τ 𝐼

𝑅

𝛼

= 𝐼

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

1E-03 1E-02 1E-01 1E+00 1E+01 1E+02

Current Gain αNPN,S

Current I_ES(A)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Current (A)

Emitter-Base Potential (V)

ＮＰＮトランジスタの電流成分と利得（カソード短絡構造の効果）

I

I

I

α

各電流（

I

, I

, I

V

α

I

V

< 0.6V

I

I

→

P-

V > 0.7V

I

I

I

→ α

→

オン開始リーク電流（カソード短絡）（１）

P-

R

N-

N

I

(x)

カソード短絡

J

W

/2

P

x dx

A B

J

J

J

J

J

J

■

P-

dx

dI

𝑑𝐼

= 𝐽

𝑍𝑑𝑥 _Z:

■

P-

x

I

(x) 𝐼

𝑥 = න

0 𝑥

𝐽

𝑍𝑑𝑥 = 𝐽

𝑍𝑥

■

P-

dx

𝑑𝑅

= 𝜌

𝑍 𝑑𝑥 ρ

: N

P-

■

P-

A-B

𝑑𝑉

𝑥 = 𝐼

𝑥 𝑑𝑅

= 𝐽

𝜌

𝑥𝑑𝑥

■ 上記小セグメントの電圧降下

dV

(x)

𝑊_𝐾𝑆Τ2

𝑊

N

（順方向ブロッキング時に 均一なリーク電流発生を仮定）

オン開始リーク電流（カソード短絡）（２）

𝐽

= 8𝑉

𝜌

𝑊

𝐼

= 𝐽

𝑍 𝑊

2 = 4𝑉

𝑍 𝜌

𝑊

V

(

0.8V):

N

P-

■ サイリスタがオンを開始するリーク電流密度

■ サイリスタがオンを開始するリーク電流

◇温度を上昇させても順方向ブロッキング耐圧を高く保持する場合

→

ρ

→N

W

カソード短絡の表面形状

カソード短絡

カソードメタル

デッドゾーン

D

d

D

カソード短絡の正方形配列

■ リーク電流により

P-

（カソード短絡が正方形配列の場合）

𝑉

= 𝐽

𝜌

𝐴

𝐴

= 1

16 𝑑

+ 𝐷

2ln 𝐷

𝑑 − 1

■ デッドゾーン： サイリスタとして正帰還動作（

Regenerative action

■ カソード短絡によって

N

𝐹

= 𝜋 4

𝐷

𝐷

2

カソード短絡を近づけて配列すると、伝導に寄与する領域

（N⁺エミッタ領域）が狭くなるため、オン電圧が上昇する

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

0 200 400 600 800 1000

Maximum Base Voltage VB,max(V)

Space D (μm)

カソード短絡スペース D と V _B,max との関係

d (μm) 10

25 50

J

= 1 A/cm

ρ

= 500 Ω/

例えば、

d = 25 μm

V

< 0.5 V

→ D < 550 μm

（

D = 550 μm

D

= 100 μm

F

= 0.026

2.6

順方向伝導特性

V

I

v

V

I

i

オン状態

ゲートトリガー による遷移

順方向ブロッキング状態

V

:

I

:

■ 順方向ブロッキング状態からのオン開始

(1)

(2) NPN

(3) NPN

PNP

が再生アクション（

Regenerative action

(4)

i

I

（順方向伝導特性は

PiN

ドリフト領域に伝導度変調発生）

(5) i

I

i

:

v

:

オン状態の特性

ゲートトリガー後のサイリスタ内部の動作

ゲートトリガー後のサイリスタ内部の動作（正帰還動作

(Regenerative action)

（１）少数キャリアの注入が順方向バイアスの掛かっている

J

P

N-

J

N

P-

（２）

P

N-

N-

J

N-

P-

（３）集められた正孔が

P-

NPN

（４）そのベース電流により、

N

P-

（５）その電子は

P-

J

（６）集められた電子が

N-

PNP

（７）そのベース電流により、

P

N-

ゲートトリガー後、サイリスタがオン状態に入ると、外部からのゲート駆動電流が無くても、

上記（２）から（７）までの正帰還の動作（

Regenerative action

オン状態のキャリア分布

P

N-

P N

J

J

J

Ｋ Ａ

W

W

2d

N

N

n p

n=p p n

n

p

キャリア密度（対数）

オン状態

■

J

, J

, J

（

N-

P-

■

AK

→

J

J

J

■キャリア分布は

PiN

𝑛 𝑥 = 𝑝 𝑥 = 𝜏

𝐽

2𝑞𝐿

cosh Τ 𝑥 𝐿

sinh 𝑑 𝐿 Τ

− sinh Τ 𝑥 𝐿

2cosh Τ 𝑥 𝐿

𝑑 = 𝑊

+ 𝑊

2

L

:

τ

:

J

:

最小のオン電圧降下は、

L

= d

典型的なオン電圧降下

→

1 V at J

= 100 A/cm

0 x

ゲートトリガー電流（１）（線形ゲート形状）

P

P

N

N

J

J

J

Ｋ

α

I

I

α

I

I

I

空乏領域

I

𝐼

= 𝛼

𝐼

+ 𝛼

𝐼

+ 𝐼

𝐼

= 𝐼

+ 𝐼

𝐼

= 𝛼

𝐼

+ 𝐼

1 − 𝛼

− 𝛼

カソード短絡がある場合のゲートトリガー電流

P-

N

N

N

W

R

N-

ゲート カソード

アノード

P

J

W

𝛼

+ 𝛼

= 1 → 𝐼

= ∞

𝐼

𝑅

= 𝐼

𝜌

𝑊

𝑍 I

ゲート電流 I_G による電圧降下I_GR_BG がビルトイン 電位 V_biを超えると、サイリスタはターンオンする

𝐼

= 𝑉

𝑍 𝜌 𝑊

I

R

>V

Ｇ

ゲートトリガー電流（２）（円形ゲート形状）

r

r

P-

N

N

N

R

N-

カソード

I

カソード

ゲート

r dr

■ セグメント

dr

dR

𝑑𝑅

= 𝜌

𝑊

𝑑𝑟

2𝜋𝑟 = 𝜌

2𝜋

𝑑𝑟 𝑟

ρ

: P-

W

: N

P-

■

P-

𝑅

= න

𝑟_𝐾1

𝑟_𝐾2

𝜌

2𝜋

𝑑𝑟

𝑟 = 𝜌

2𝜋 ln 𝑟

𝑟

■ ゲートトリガー電流

I

𝐼

= 2𝜋𝑉

𝜌

ln 𝑟

Τ 𝑟

Ex. I

= 30 mA

at ρ

= 500 Ω/

, r

= 0.3 cm, r

= 0.42 cm, V

= 0.8 V

（大面積サイリスタの典型的な値）

カソード短絡

保持電流

P-

R

N-

N

I

(x)

カソード短絡

J

W

/2

P

dx x

A B

J

N

J

J

J

J

J

:

■ カソードの中心から

x

𝐼

(𝑥) = 1 − 𝛼

𝐽

𝑍𝑥

■

x

dx

𝑑𝑉

𝑥 = 𝐼

𝑥 𝜌

𝑍 𝑑𝑥 = 1 − 𝛼

𝐽

𝜌

𝑥𝑑𝑥

■

A

𝑉

𝐴 = න

0

Τ 𝑊_𝐾𝑆 2

1 − 𝛼

𝐽

𝜌

𝑥𝑑𝑥 = 1 − 𝛼

𝐽

𝜌

𝑊

8

■ 保持電流（正帰還）が消失する条件

V

(A) < V

■ 保持電流密度

J

𝐽

= 8𝑉

1 − 𝛼

𝜌

𝑊

J : 温度上昇に伴い低下（∵V が低下し、ρ が上昇するため）

（小さい

J

スイッチング特性

■ スイッチオン

→

■ ターンオン時に遅れが発生

→

Regenerative action

（最初の正帰還はゲート端子周辺で発生）

→

■ ターンオフ時に遅れが発生

→

スイッチング特性

ターンオン時間（１）

■

N

P-

P-

NPN

𝑡

= 𝑊

2𝐷

W

: P-

D

:

■

P-

N-

J

P

N-

（∵

N-

■

P

N-

N-

PNP

𝑡

= 𝑊

− 𝑊

2𝐷

W

: N-

W

: N-

D

:

典型的な

t

50 ns

典型的な

t

at W

= 350 μm

上記 は、アノード電圧 が空乏層にのみ掛かると仮定し、正孔が ベースの中性領域を拡散する場合の値

ターンオン時間（２）

・

N-

E

𝐸

= 𝑉

𝑊

^V

^:

・

N-

𝑣

= 𝜇

𝐸

= 𝜇

𝑉

𝑊

・正孔の

N-

𝑡

= 𝑊

𝑣

= 𝑊

𝜇

𝑉

^t

^{at W}

= 350 μm, μ

= 493 cm

/V/s, V

= 500 V

■ 伝導度変調がある場合の正孔の

N-

V

N-

（

P

N-

N

P-

ドリフト速度による電子の通過時間は、拡散によるものより非常に短い

ターンオン時間（３）

・ターンオン期間に

N-

Q

𝑑𝑄

𝑑𝑡 = 𝛼

𝐽

(𝑡)

J

:

∵電子は

N

NPN

・ターンオン期間に

P-

Q

J

:

𝑑𝑄

𝑑𝑡 = 𝛼

𝐽

𝑡 + 𝐽

^P

^PNP

J

:

・

NPN

Q

𝐽

= 𝛼

𝐽

𝑡 = 𝑄

𝑡

^t

^:

^NPN

・

PNP

Q

t

:

PNP

𝐽

= 𝛼

𝐽

𝑡 = 𝑄

𝑡

(1)

(4)

(3)

(2)

ターンオン時間（４）

・

(1)

(3)

𝑑𝑄

𝑑𝑡 = 𝑄

𝑡

(5)

・

(5)

𝑑

𝑄

𝑑𝑡

= 1 𝑡

𝑑𝑄

𝑑𝑡 (6)

・

(6)

(2)

(4)

𝑑

𝑄

𝑑𝑡

− 𝑄

𝑡

𝑡

= 𝐽

𝑡

(7)

・

(7)

𝑄

𝑡 = 𝐽

𝑡

𝑒

− 1 (8)

・

(8)

(4)

𝐽

𝑡 = 𝐽

𝛼

𝑒

− 1

アノード電流は正帰還までの遅れ時間の後、

指数関数的に増大する

(9)

■ アノード電流密度のライズタイム

t

（

J

J

𝑡

= 𝑡

𝑡

ln 𝛼

𝐽

𝐽

+ 1 (10)

J

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