JPH01208018A - 固体リレー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、入力信号を発光素子で光信号に変換し、発光
素子と光結合された光起電力ダイオードアレイで光信号
を電気信号に変換し、その電気信号によって、出力用の
金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ
）を駆動させ、出力用接点信号を得るようにした光結合
を用いた固体すレーに関するものである。

［従来の技術］ 第６図は従来の固体リレー（特願昭６１−２５５０２２
号）の回路図である。入力端子６−６°間には、発光ダ
イオード１が接続されている。光起電力ダイオードアレ
イ２は、発光ダイオード１と光結合されている。入力端
子６−６°間に入力電流が流れると、発光ダイオード１
が光信号を発生し、この光信号により光起電力ダイオー
ドアレイ２の両端に光起電力が発生する。

出力端子７−７°間には、絶縁ゲート型の電界効果トラ
ンジスタ３（以下ｒＭＯＳＦＥＴ３」という）のドレイ
ン及びソースがそれぞれ接続されている。このＭＯＳＦ
ＥＴ３の基板はソースと共通接続されている。前記光起
電力ダイオードアレイ２の両端に発生する光起電力は、
インピーダンス要素４を介して出力用のＭＯＳＦＥＴ３
のゲート・ソース間に印加されると同時に、ノーマリ・
オン型の静′：ｒＳ、誘導型トランジスタ（ＳＩＴ）又
は電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）よりなる駆動用ｌ
・ランジスタ５を介して流れる。したがって、ＭＯＳＦ
ＥＴ３のゲート容量を充電する電流と、駆動用トランジ
スタ５を介して流れる電流が、インピーダンス要素４を
介して流れる。このため、インピーダンス要素′４の両
端電圧降下により駆動用トランジスタ５のゲーＩ・・ソ
ース間に図示された極性のバイアス電圧が加わる。この
バイアス電圧により駆動用トランジスタ５が瞬時に高イ
ンピーダンス状態となる。それ故、駆動用トランジスタ
５の存在により出力用のＭＯＳＦＥＴ３のゲー！・・ソ
ース間の充電動作を遅延することはない、出方用ＭＯＳ
ＦＥＴ３がエンハンスメンＩ・モードである場合には、
ゲート・ソース間の電圧が上昇することにより、ドレイ
ン・ソース間のインピーダンス状態が高インピーダンス
状態がら低インピーダンス状態に変化する。したがって
、リレーの入力端子６−６°間に入力電流が流れると、
出力端子７−７°間が○ＦＦ状態がらＯＮ状態に変化し
、機械的な可動部分を持たずに、電気機械的なリレーと
同じ作用をすることになる。

入力端子６−６°間の入力電流が遮断されると、ＭＯＳ
ＦＥＴ３のゲート容量に蓄積されていた電荷は、駆動用
トランジスタ５を介して放電される。

このとき、駆動用１ヘランジスタ５のゲート・ソース間
には前記バイアス電圧が加わらないので、駆動用トラン
ジスタ５はオン状態であり、したがって、この放電動作
は極めて短時間で完了する。

［発明が解決しようとする課１Ｍ］ 上述の従来技術において、入力電流が入力端子６−６°
間に定常的に流れている場合には、駆動用トランジスタ
５を介してわずかな電流がインピーダンス要素４に流れ
、これにより駆動用トランジスタ５のゲート・ソース間
にバイアス電圧が加わり、高インピーダンス状態を維持
する。このとき、インピーダンス要素４に加わる電圧値
■、は、駆動用トランジスタ５の遮断特性とインピーダ
ンス要素４の値に応じて決まる。駆動用トランジスタ５
の遮断特性が一定であれば、光起電力のバイパスロス分
（つまり出力用ＭＯＳＦＥＴ３のゲート・ソース間に供
給されないで駆動用トランジスタ５を介して消費される
分）を少なくするには、インピーダンス要素４はできる
だけ大きな値とする方が良い、つまり、インピーダンス
要素４が大きい値であれば、入力端子６−６゛間の入力
電流が少なくてもリレーを感動動作させることができる
。しかしながら、インピーダンス要素４の抵抗値が大き
過ぎると、出力用ＭＯＳＦＥＴ３のゲー１へ・ソース間
の静電容及を充電する電流（ＭＯＳＦＥＴ３のゲート電
位を上昇させるための電流）もインピーダンス要素４を
介して流れるため、この電流値に制限を与えてしまう、
つまり、入力電流の立ち上がりに対する出力端子７−７
°間のインピーダンス変化の応答速度を高めるには、イ
ンピーダンス要素４の値は小さくしなければならない。

このように、上述の従業技術においては、リレーを動作
させるために要する最低の入力電流、つまり、感動電流
（Ｉｐｏｎ）を小さくするためには、インピーダンス要
素４の値を大きく設定する必要があり、また、入力電流
が流れてから出力端子７−７′間がＯＮするまでの応答
時間Ｔｏｎを短くするためには、インピーダンス要素４
の値を小さく５ｑ定する必要がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、感動電流が小さく、しかも応答
速度が速い固体リレーを簡単な構成で提供することにあ
る。

［課題を解決するための手段］ 本発明にあっては、上記の課題を解決するために、添付
図面に示すように、入力信号に応答して光信号を発生す
る発光ダイオード１のような発光素子と、前記光信号を
受光して光起電力を発生する光起電力ダイオードアレイ
２と、光起電力ダイオードアレイ２と直列的に接続され
たインピーダンス要素４と、前記光起電力を前記インピ
ーダンス要素４を介してゲーＩ・・基板間に印加されて
、第１のインピーダンス状態から第２のインピーダンス
状態に変化する出力用Ｍ　ＯＳ　Ｆ　Ｆ、　Ｔ　３と、
出力用ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ　３のゲート・基板間に一対の
通電電極を接続され、前記インピーダンス要素４と光起
電力ダイオードアレイ２との接続点に制御電極を接続さ
れて、光起電力ダイオードアレイ２による光起電力の発
生時に前記インピーダンス要素４の両端に生じる電圧に
て高インピーダンス状態にバイアスされるノーマリ・オ
ン型の駆動用トランジスタ５とを有して成る固体リレー
において、インピーダンス要素４は低濃度の不純物半導
体領域或４４に導電型の異なる不純物を拡散さぜた拡散
領域４０の抵抗よりなり、不純物半導体領域４４と拡散
領域４０の間に生じるＰＮ接合が光起電力の発生時には
逆バイアスされるように不純物半導体領域４４を拡散領
域４０の一端（アルミニウム電極４２）に接続し、拡散
領域４０は所定の間隔で蛇行するように形成され、拡散
領域４０の蛇行する間隔は、光起電力による出力用ＭＯ
ＳＦＥＴ３のゲート・基板間容重の充電時に拡散領域４
０と不純物半導体領域４４の間に生じる空乏層がつなが
るような間隔に設定され、且つアルミニウム膜４９が拡
散領域を覆うように被着されていることを特徴とするも
のである。

［作用コ 本発明の作用を第３図（ａ）、（ｂ）により説明する。

光起電力の発生時には、インピーダンス要素４に光起電
力による電流が流れて、拡散領域４０と不純物半導体領
域４４の間のＰＮ接合は、逆バイアス状態となる。不純
物半導体領域４４の不純物濃度が低いので、印加電圧が
低くても、空乏層は第３図（ｉ＋）の破線で示すように
不純物半導体領域４４の側に大きく拡がる。しかも、拡
散領域４０の上には遮光を目的としたアルミニウム膜４
９が存在するために、このアルミニウム膜４９が電界印
加膜として作用し、空乏層をさらに拡げる。そして、前
記逆バイアス電圧が所定値を越えると、第３図（ｂ）の
破線で示すように、不純物半導体領域４４の中で空乏層
がつながってしまい、同図の矢印で示すように、電子が
流れ得る状慧となる。したがって、蛇行する拡散領域４
０を蛇行せずに電流が流れるようになり、インピーダン
ス要素４の抵抗値が下がる。このため、本発明にあって
は、入力信号の発生した過渡時にはインピーダンス要素
４の抵抗値が下がり、出力用ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ　３のゲ
ート・ソース間容量を急速に充電することができる。ま
た、入力信号が安定した定常時には、第３図（ａ）に示
すように、空乏層がつながる状想には至らないので、蛇
行する拡散領域４０により高抵抗が得られ、小さな入力
信号でノーマリ・オン型の駆動用トランジスタ５を高イ
ンピーダンス状態にバイアスすることができるものであ
る。

［実施例］ 図示実施例にあっては、第６図に示す構成の固体リレー
において、光起電力ダイオードアレイ２と、インピーダ
ンス要素４及び駆動用トランジスタ５を１チツプの誘電
体分離基板上に形成している。第１図はこの誘電体分１
１１ｆｆ基板におけるインピーダンス要素４の部分の斜
視図であり、第２図は第１図のＡ−Ａ’線についての断
面図である。誘電体分層基板は、多結晶シリコン基板４
６の上に、複数個の単結晶シリコン領域が、ＳｉＯ２の
ような絶縁膜４５に包まれて島のように存在する基板で
ある０本実施例では、インピーダンス要素４がＤ成され
る単結晶シリコン領域にＮ型の不純物を低濃度にドープ
して不純物半導体領域４４としている。また、表面には
、Ｐ型の不純物を高濃度に拡散された拡散領域４０が形
成されている。この拡散領域４０は、第１図に示すよう
に、蛇行して形成されている。拡散領域４０は不純物濃
度が高いので、低抵抗層となっており、その不純物濃度
に応じた抵抗率を有する。拡散領域４０及び不純物半導
体領域４４の表面は、ＳｉＯ２よりなる絶縁膜４７で覆
われている。拡散領域４０の両端にはオーミック接触で
アルミニウム電ｆ！４１．４２が接続されている。アル
ミニウム電［４１，４２間の抵抗値は、拡散領域４０の
抵抗率と、拡散領域４０の幅と長さでほぼ決まる。拡散
領域４０の不純物濃度は表面はど高く、Ｔ、液密度は表
面近くほど高い。したがって、拡散領域４０の深さは抵
抗値には余り関係しない、実施例では、Ｎ型の不純物半
導体領域４４の比抵抗は６０Ωｃｍ、　Ｐ型の不純物拡
散領域４０の幅は３μ晴、間Ｒ３は４μ【＾、不純物と
してはＢ（ボロン）を用い、濃度は２．５Ｘ１０　”ｄ
ｏｓｅとした。一方のアルミニウム７Ｉ！極４２は、Ｎ
型の不純物を低濃度に拡散された不純物半導体領域４４
にもオーミック接触している。したがって、Ｎ型の不純
物半導体領域４４は、駆動用１−ランジスタ５のソース
並びに出力端子７°と同じ安定な電位に保持される。な
お、アルミニウム電極４２と不純物半導体領域４４がオ
ーミック接触する部分には、Ｎ型の不純物を高濃度に拡
散した電極領域４３が形成されている。基板の」二には
、アルミニウム電［４１，４２の形成後に、ＣＶＤ法を
用いてＳｉＯ□よりなる５０００人程度０バッシベーシ
ョン膜４８が被着されている。また、光起電力ダイオー
ドアレイ２以外の部分には、光によるリーク電流の発生
を防止するために、遮光用のアルミニウム膜４９を被着
している。ただし、第１図においては、遮光用のアルミ
ニウム膜４つを被着する前の状態を図示している。

上述のように、光起電力の発生時には、インピーダンス
要素４に光起電力による電流が流れて、一方のアルミニ
ウム電極４２が他方のアルミニウム電極４１よりも高電
位となるので、拡散領域４０と不純物半導体領域４４の
間のＰＮ接合は、逆バイアス状態となる。不純物半導体
領域４４の不純物濃度が低いので、印加電圧が低くても
、空乏層は第３図（ａ）の破線で示すように不純物半導
体領域４４の側に大きく拡がる。しかも、拡散領域４０
の上には遮光を目的としたアルミニウム膜４つが存在す
るために、このアルミニウム膜４つが電界印加膜として
作用し、空乏層をさらに拡げる。

そして、前記逆バイアス電圧が所定値を越えると、第３
図（１」）の破線で示すように、不純物半導体領域４４
の中で空乏層がつながってしまい、同図の矢印で示すよ
うに、電子が流れ得る状態となる。

したがって、拡散領域４０の蛇行する抵抗パターンをＡ
−Ａ’線方向にバイパスして電流が流れるようになり、
インピーダンス要素４の抵抗値が下がる。

第４図は、インピーダンス要素４の印加電圧と通電電流
との関係を示す０図中、光起電力の発生時における印加
電圧と通電電流の関係は、第１象眼に示された特性のよ
うになり、所定値（ここでは約ＩＶ）以上の印加電圧が
加わると、通電電流が急速に増加する。したがって、入
力信号が立ち上がって、出力用ＭＯＳＦＥＴ３のゲート
・ソース間容量が充電されるときに、インピーダンス要
素４に加わる電圧が前記所定値よりも大きければ、イン
ピーダンス要素４の通電電流は著しく増大し、ゲート・
ソース間容量が急速に充電されるものである。

第５図は入力信号が立ち上がった場合におけるインピー
ダンス要素４の印加電圧の変化を示している。同図（ａ
）に示すように、入力信号が立ち上がると、光起電力ダ
イオードアレイ２が光起電力を発生ずるが、出力用ＭＯ
８ＦＥＴ３のゲーＩ・・ソース間容量の充電電圧が上昇
するまでは、光起電力の大部分がインピーダンス要素４
に分担されるので、インピーダンス要素４の印加電圧は
高い。

この印加電圧が前記所定値を越えている間は、インピー
ダンス要素４の抵抗値が低下し、ゲート・ソース間容量
が急速に充電される。出力用ＭＯ８ＦＥＴ３のゲート・
ソース間容量の充電電圧が上昇すると、インピーダンス
要素４に分担される電圧は低くなるので、インピーダン
ス要素４の抵抗値が増大し、少ない通電電流で大きなバ
イアス電圧を発生することができるようになる。

なお、実施例においては、出力用ＭＯＳＦＥＴ３がエン
ハンスメントモードである場合を例示したが、デプリー
ションモードであっても良い。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、入力信号の発生した過渡時には
出力用ＭＯＳ　Ｆ　ＥＴのゲート・ソース間容量に充電
電流を流し、入力信号が安定した定常時には出力用ＭＯ
ＳＦＥＴのゲート・ソース間に接続されたノーマリ・オ
ン型の駆動用ｌ・ランジスタにバイアス電圧を与えるイ
ンピーダンス要素として、低濃度の不純物半導体領域に
導電型の異なる不純物を拡散させた拡散領域の抵抗を使
用し、不純物半導体領域と拡散領域の間に生じるＰＮ接
合が光起電力の発生時には逆バイアスされるように不純
物半導体領域を拡散領域の一端に接続し、拡散領域は所
定の間隔で蛇行するように形成し、拡散領域の蛇行する
間隔は、光起電力によるＨ１力用ＭＯＳＦＥＴのゲーＩ
・・基板間容量の充電時に拡散領域と不純物半導体領域
の間に生じる空乏層がつながるような間隔に設定し、且
つアルミニウム膜が拡散領域を覆うようにしたから、単
にインピーダンス要素の構成を工夫するだけで、入力信
号の発生した過渡時には蛇行する拡散領域をバイパスし
て大きな電流が流れることにより出力用ＭＯ８ＦＥＴの
ゲート・ソース間８呈を急速に充電することができ、ま
た、入力信号が安定した定常時には、蛇行する拡散領域
により高抵抗が得られるので、小さな入力信号でノーマ
リ・オン型の駆動用トランジスタをバイアスすることが
できるものであり、したがって、高感度で且つ高速応答
性を有する固体リレーを実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に用いるインピーダンス要素
の斜視図、第２図は同上のＡ−Ａ’線についての断面図
、第３図（ｎ）、（ｂ）は同上の動作説明図、第４図は
同上の電圧−電流特性を示す図、第５図は同上の動作波
形図、第６図は従来例の回路図である。 １は発光ダイオード、２は光起電力ダイオードアレイ、
３は出力用、ＭＯＳＦＥＴ、４はインピーダンス要素、
５は駆動用Ｉ・ランジスタ、４０は拡散領域、４１．４
２はアルミニウム電極、４４は不純物半導体領域、４つ
はアルミニウム膜である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）入力信号に応答して光信号を発生する発光素子と
   、前記光信号を受光して光起電力を発生する光起電力ダ
   イオードアレイと、光起電力ダイオードアレイと直列的
   に接続されたインピーダンス要素と、前記光起電力を前
   記インピーダンス要素を介してゲート・基板間に印加さ
   れて、第１のインピーダンス状態から第２のインピーダ
   ンス状態に変化する出力用ＭＯＳＦＥＴと、出力用ＭＯ
   ＳＦＥＴのゲート・基板間に一対の通電電極を接続され
   、前記インピーダンス要素と光起電力ダイオードアレイ
   との接続点に制御電極を接続されて、光起電力ダイオー
   ドアレイによる光起電力の発生時に前記インピーダンス
   要素の両端に生じる電圧にて高インピーダンス状態にバ
   イアスされるノーマリ・オン型の駆動用トランジスタと
   を有して成る固体リレーにおいて、前記インピーダンス
   要素は低濃度の不純物半導体領域に導電型の異なる不純
   物を拡散させた拡散領域の抵抗よりなり、不純物半導体
   領域と拡散領域の間に生じるＰＮ接合が光起電力の発生
   時には逆バイアスされるように不純物半導体領域を拡散
   領域の一端に接続し、拡散領域は所定の間隔で蛇行する
   ように形成され、拡散領域の蛇行する間隔は、光起電力
   による出力用ＭＯＳＦＥＴのゲート・基板間容量の充電
   時に拡散領域と不純物半導体領域の間に生じる空乏層が
   つながるような間隔に設定され、且つアルミニウム膜が
   拡散領域を覆うように被着されていることを特徴とする
   固体リレー。