JPH0142507B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、第１の電極により接触されているｎ
エミツタとそれに境を接するＰベース層と第２の
電極により接触されているＰエミツタとそれに境
を接するｎベース層とを含む半導体ウエーハと、
横方向の光活性半導体範囲内のｎ（ｐ）エミツタ
に配置され制御可能なエミツタ・シヨート回路を
含みゲートを介して制御されるMIS構造とを有
し、そのエミツタ・シヨート回路がそれぞれ、第
１の（第２の）電極と接続された第１の伝導形式
の第１の半導体領域と、ベース層と接続された第
１の伝導形式の第２の半導体領域と、これらの領
域の間に位置し、半導体ウエーハに対して電気的
に絶縁されたゲートによりおおわれた第２の伝導
形式の半導体範囲とから成つている光点弧形サイ
リスタに関する。

このようなサイリスタは昭和55年特許願第
158067号明細書に記載されている。このサイリス
タでは、ｎ（ｐ）エミツタが横方向の光活性半導
体範囲の内部に、制御可能なエミツタ・シヨート
部を含みゲートを介して制御されるMIS構造を有
する。MIS構造の制御は、エミツタ・シヨート部
がサイリスタの阻止状態では、またはその点弧前
には安定化短絡の作用をするように行なわれる。
それにより、たとえば高い阻止電圧の生起の際ま
たは阻止電圧の急速な上昇の際に意図によらずし
て生ずる可能性のある点弧は防止される。点弧過
程の間は、エミツタ・シヨート部はしや断され、
それによりサイリスタの点弧感度を顕著に高める
ことができる。

本発明の目的は、冒頭に記載した種類の光点弧
形サイリスタとして、簡単かつ容易に製作可能な
ものを提供することである。

この目的は、本発によれば、制御可能なエミツ
タ・シヨート回路の第１の半導体領域がｎ（ｐ）
エミツタの縁範囲から成り、また第２の半導体領
域が、ｎ（ｐ）エミツタに境を接するベース層の
なかに接合されかつこのベース層と導電層を介し
て接続された短絡領域から形成されており、また
ゲートによりおおわれた半導体範囲がこのベース
層の部分範囲から成つていることにより達成され
る。

本発明により得られる利点は特に、制御可能な
エミツタ・シヨート部のために必要な短絡領域の
製作が、サイリスタの各半導体領域または層の製
作のためにいずれにせよ必要とされるドーピング
過程で同時に行われ得るので、エミツタ・シヨー
ト部に要する追加費用が非常に小さく保たれるこ
とである。

米国特許第3243669号明細書（特にその第９図）
およびドイツ連邦共和国特許第2625917号明細書
から、単にサイリスタの高速消弧の目的で有効状
態に切換えられる制御可能なエミツタ・シヨート
部を有するサイリスタは公知である。これらの明
細書から公知の制御可能なエミツタ・シヨート部
にはそれぞれ、ｎ（ｐ）エミツタの縁範囲から成
る第１の伝導形の第１の半導体領域と、ｎ（ｐ）
エミツタから間隔をおいてそれに隣接するベース
層のなかに接合された第１の伝導形の第２の半導
体領域と、これらの半導体領域の間に位置し第２
の伝導形を有し被絶縁ゲートによりおおわれてい
るベース層の部分範囲とが属している。しかし、
この明細書には、制御可能なエミツタ・シヨート
部をサイリスタの点弧前には安定化短絡のために
用い特に阻止電圧の生起に関係なく有効状態に切
換え、他方において点弧過程では無効状態に切換
えることは示されていない。

以下、図面により本発明を一層詳細に説明す
る。

第１図で光点弧形サイリスタのウエーハはドー
プされた半導体材料たとえばシリコンから成り、
交互の伝導形を有する４つの層が重なつている。
部分１ａ，１ｂおよび１ｃから成るｎ伝導形の層
はｎエミツタ、Ｐ伝導形の層２はｐベース層、ｎ
伝導形の層３はｎベース層、またｐ伝導形の層４
はｐエミツタと呼ばれる。ｎエミツタの部分１ａ
ないし１ｃは半導体ウエーハの境界面６で、共通
端子ｋと接続された第１の電極（カソード）の部
分Ｅ１１ないしＥ１４により接触されている。部
分Ｅ１１ないしＥ１４は導電性材料たとえばアル
ミニウムから成つている。ｐエミツタ４は半導体
ウエーハの反対側の境界面４ａで、導電性材料た
とえばアルミニウムから成り端子Ａと接続された
第２の電極（アノード）Ｅ２により接触されてい
る。

第１図によるサイリスタの半導体ウエーハは平
らな特に円形の板の形状を有し、他方ｎエミツタ
の部分１ａないし１ｃはそれぞれ帯状の細長い半
導体領域であり、第１図の紙面に対してほぼ垂直
に全サイリスタ横断面またはその部分にわたつて
延びている。

ｎエミツタ部分１ｂの左縁側にｎ伝導形の短絡
領域５が、半導体ウエーハの境界面６まで延びる
ようにｐベース層２のなかに接合されている。短
絡領域５はｎエミツタ部分１ｂから、ｐベース層
２の部分範囲７の幅により定められる間隔を有す
る。部分範囲７は、境界面６の上に設けられた薄
い電気絶縁性の層８によりおおわれており、その
上にゲート９が設けられている。このゲートは導
電性材料たとえば高濃度にドープされた多結晶の
シリコンもしくは金属たとえばアルミニウムから
成つており、制御端子Ｇと接続されている。短絡
領域５の左縁は導電層１０により接触されてお
り、この導電層が短絡領域５の左縁とｐベース層
２との間のpn接合を低抵抗で橋絡している。

ｎエミツタ部分１ｂの左縁範囲はMIS構造Ｍ１
の第１のｎ伝導形半導体領域をなし、このMIS構
造にはさらに第２のｎ伝導形半導体領域としての
短絡領域５、ｐ伝導形半導体領域としての部分範
囲７、絶縁層８およびゲート９が属している。Ｍ
１がデイプリーシヨン形式のMIS構造であれば、
ゲート９に電圧が与えられていないとき、ｎエミ
ツタ部分１ｂと短絡領域５との間を低抵抗で接続
するｎ伝導形チヤネル１１が存在する。このｎチ
ヤネル１１は、境界面６に存在し部分範囲７に影
響する電界により形成されている反転層、もしく
は追加的なｎドーピングにより直接的に境界面６
の部分範囲７に形成されている層であつてよい。
ｎチヤネル１１および短絡領域５は導電層１０と
共に、ｎエミツタ部分１ｂおよびｐベース層２を
低抵抗で互いに接続するエミツト・シヨート部を
構成する。端子Ｇに負の制御電圧を与えれば、ｎ
チヤネル１１が除かれ、または高抵抗に切換えら
れるので、上記のエミツタ・シヨート部はしや断
される。

同様に構成された第２のMIS構造Ｍ２がｎエミ
ツタ部分１ａの右縁に、また同様に構成された第
３のMIS構造Ｍ３が１ａの左縁に設けられてい
る。Ｍ２およびＭ３のゲート１２および１３は同
じく端子Ｇと接続されている。導電層１０は第１
図で左方に、Ｍ２の短絡領域１４の右縁と接触す
る位置まで延びており、それにより短絡領域１４
の右縁とｐベース層２との間のpn接合を低抵抗
で橋絡している。

第１図によるサイリスタは、第１図の紙面上に
直立し鎖線Ｓで示されている対称面に対して対称
に構成されている。MIS構造Ｍ１ないしＭ３に相
当する別のMIS構造Ｍ４ないしＭ６が第１図の右
半部に設けられている。これらのMIS構造のゲー
ト１５ないし１７も端子Ｇと接続されている。

制御可能な光源Ｌ、特に発光ダイオード、レー
ザーダイオードなどが制御入力端１８を経て電流
パルスＰ１を与えられ、それに伴い光源Ｌから発
せられ導光体１９たとえばガラスフアイバ導光体
を経て伝送される光線により半導体ウエーハの一
部分の照射が行われる。

作動時には端子ＡとＫとの間に、電圧源および
負荷抵抗の直列回路を含む外部負荷電流回路が接
続されている。この電圧源により端子Ａに端子Ｋ
よりも正の電位が与えられれば、第１図によるサ
イリスタは最初は阻止状態すなわちとるに足るほ
どの負荷電流が端子ＡとＫとの間に流れない状態
にある。ベース層２のなかで熱的に形成された正
孔は、MIS構造Ｍ１ないしＭ６の制御端子Ｇに電
圧が与えられていないときには有効状態に切換え
られているエミツタ・シヨート部たとえば１１，
５，１０を経てカソードの部分Ｅ１１ないしＥ１
４に導き出されるので、ｎエミツタ部分１ａない
し１ｃから、点弧に通ずるようなベース層２への
電荷キヤリア注入は行われない。

サイリスタを点弧するためには、制御入力端１
８に電流パルスＰ１が与えられる。同時に制御端
子ＧにMIS構造Ｍ１ないしＭ６のｎチヤネルたと
えば１１，５，１０をしや断する負の電圧パルス
Ｐ２が与えられる。それにより導光体１９の終端
２０の下側で光の作用によりベース層２のなかに
電荷キヤリアが形成され、これらの電荷キヤリア
は熱的に形成された電荷キヤリアと共に光活性半
導体範囲に位置するｎエミツタ部分１ｂのPn接
合に到達し、そこからベース層２への電荷キヤリ
アの注入を生じさせる。それによりサイリスタは
光源Ｌの光パワが小さい場合にも点弧する。１ｂ
から出発してサイリスタの被点弧部分は、エミツ
タ・シヨート部が無効状態に切換えられているた
め、サイリスタ横断面の外側範囲すなわちｎエミ
ツタ部分１ａおよび１ｃが配置されている範囲に
非常に急速に広がるので接続されている負荷電流
回路の負荷電流は非常に急速に全サイリスタ横断
面により負担され得るようになる。サイリスタの
消弧は、たとえば負荷電流回路のしや断により負
荷電流が保持値以下に減少したとき、または、負
荷電流回路内の電圧源が交流電圧源であれば、そ
れが次回に零を通過するときに行われる。

いくつかの用途では、エンハンスメント形式の
MIS構造Ｍ１ないしＭ６を使用するのが望しい場
合がある。この場合、端子Ｇには、これまでに説
明した駆動の仕方と異なり、MIS構造Ｍ１ないし
Ｍ６にｎ伝導形反転チヤネル１１を形成するため
端子Ｋに対して正の電圧が与えられていなければ
ならず、この電圧は点弧過程の継続中のみしや断
される。

制御される光源Ｌと光学的に接触している光電
変換器２１たとえばフオトダイオードが設けられ
ていることは有利である。変換器２１の出力端２
２からパルスＰ２が直接的に取出され得るので、
端子２２が端子Ｇと接続されていれば、デイプリ
ーシヨン形式のMIS構造Ｍ１ないしＭ６の自動的
な駆動が行われる。

Ｍ１ないしＭ６がエンハンスメント形式のMIS
構造の場合には、端子２２とＧとの間に、点弧過
程の間に生じて端子２２から取出され得る負の電
圧パルスから制御端子Ｇに与えられる制御電圧
U_Gを導き出す追加回路２３を設ける必要がある。
第２図に時間的経過を示されている制御電圧U_G
はサイリスタの阻止状態では、ｎ伝導形反転チヤ
ネル１１を形成するのに十分な振幅たとえば＋
5Vの振幅を有する。時間t₁〜t₂の間に進行する点
弧過程の間は、制御電圧U_Gはしや断される。追
加回路２３は第３図のように差動増幅器２４から
成り、その正入力端に端子２２から取出され得る
負のパルスの振幅に相当する振幅たとえば＋5V
の電圧Ｕを与えられ、その負入力端で端子２４と
接続され、またその出力端で端子Ｇと接続されて
いることは目的にかなつている。

第４図には本発明の他の実施例として、第１の
電極の部分Ｅ１３′およびＥ１４′によりおおわれ
たｎエミツタ部分１b′および１c′を有する光点弧
形サイリスタが示されている。部分１b′の縁側に
MIS構造Ｍ４′およびＭ５′が設けられており、そ
れらのゲートは参照記号１５′および１６′を付さ
れている。これらの回路部分は第１図の部分１
ｂ，１ｃ，Ｅ１３，Ｅ１４，Ｍ４，１５および１
６にほぼ相当する。これらの部分との相違点とし
て、第４図の部分Ｅ１３′およびＥ１４′は相互に
は接続されているけれども、端子Ｋとは接続され
ていない。さらに、第１図のMIS構造Ｍ６のかわ
りに、第４図では導電層２５がｎエミツタ部分１
c′の右縁におけるpn接合を低抵抗で橋絡してい
る。この変更の結果、ｎエミツタ部分１b′および
１c′はいわゆる補助エミツタをなし、他方電極部
分Ｅ１３′およびＥ１４′は導電層２５と共に補助
エミツタ電極（増幅ゲート）をなしている。さら
に、第４図では、サイリスタの主エミツタをなす
ｎエミツタ部分１ｄが設けられている。この主エ
ミツタに、導電性材料たとえば高濃度にドープさ
れた多結晶のシリコンもしくは金属たとえばアル
ミニウムから成り端子Ｋと接続されたカソード２
６が設けられている。第４図のそれ以外の回路部
分は構成および作動の仕方の点で第１図中の同一
参照記号を付されている部分に相当する。ｎエミ
ツタ部分１ｄはその左縁に、構成および作動の仕
方の点で第１図中のMIS構造たとえばＭ１に相当
するMIS構造Ｍ７を設けられている。ｎエミツタ
部分１ｄが穴２７を設けられており、ｐベース層
２の突起２８がこの穴を貫いて境界面６まで延び
カソード２６により接触されていることは目的に
かなつている。穴２７および突起２８はいわゆる
固定的エミツタ・シヨート部をなし、主エミツタ
１ｄの範囲内の安定性を高める。

第４図によるサイリスタの阻止状態ではMIS構
造Ｍ４′，Ｍ５′およびＭ７のエミツタ・シヨート
部は有効状態に切換えられており、これは、第１
図と同じくデイプリーシヨン形式のMIS構造であ
れば、それらの制御端子Ｇに電圧が与えられてい
ない場合である。サイリスタを点弧するために
は、端子１８に電流パルスＰ１を与え、同時に制
御端子Ｇに負の電圧パルスＰ２を与える。それに
より、一方では導光体１９の終端２０の下側の光
活性範囲が制御可能な光源Ｌにより再び照射さ
れ、他方では同時にMIS構造Ｍ４′，Ｍ５′および
Ｍ７のエミツタ・シヨート部が除去またはしや断
される。それにより第４図のサイリスタは光源Ｌ
の小さな光パワにより最初に補助エミツタ１b′お
よび１c′の範囲で点弧する。補助エミツタを経て
流れる電流は導電層２５を経て主エミツタ１ｄの
方向に偏向され、このサイリスタ部分に対する点
弧電流を大きくするので、主エミツタ１ｄの範囲
のサイリスタ横断面で高速かつ大面積の点弧が行
われる。続いて、補助エミツタ１b′，１c′の範囲
でサイリスタは再び消弧され、その際に全負荷電
流はサイリスタ横断面のうち主エミツタ１ｄを含
む部分により負担される。従つて、全サイリスタ
横断面の点弧が行われた後、主エミツタ１ｄの範
囲を流れている電流に影響を与えることなく、電
圧パルスＰ２を端子Ｇから除き、MIS構造Ｍ４′，
Ｍ５′およびＭ７のエミツタ・シヨート部を再び
有効状態に切換えることができる。

制御端子Ｇへの電圧印加が、先に第１図で説明
したように、光電変換器２１の出力端２２を介し
て行われることは有利である。MIS構造Ｍ４′，
Ｍ５′およびＭ７がデイプリーシヨン形式であれ
ば、端子２２およびＧは直接に互いに接続されて
よく、他方これらのMIS構造がエンハンスメント
形式であれば、第３図のように構成された追加回
路２４が端子２２とＧとの間に挿入される。

本発明の他の実施例では、第１図および第４図
によるサイリスタが、これまでの説明とは異な
り、回転対称に構成されている。この場合、鎖線
Ｓは対称軸線を表わすことになり、図示されてい
る部分構造はいずれも円環状に構成され、また破
線で第１図および第４図に横方向に記入されてい
る接続導線は省略される。

本発明の範囲内で、ｎエミツタのかわりにｐエ
ミツタ４に、制御可能なエミツタ・シヨート部を
含むMIS構造を設けることもできる。第１図およ
び第４図は、端子ＡおよびＫの記号を交換し、半
導体領域の伝導形をこれまでの説明と反対の伝導
形に交換し、また電圧または電圧パルスの極性を
これまでの説明と反対の極性に交換すれば、この
変形側の図面としても利用され得る。

ｎエミツタ領域１ａ，１ｂおよび１ｃならびに
短絡領域たとえば５および１４がｐベース層２の
なかに入込んでいる深さはたとえば3μｍであつ
てよい。この場合、短絡領域５および１４とそれ
に対応するｎエミツタ領域１ｂおよび１ａとの間
の間隔はそれぞれたとえば5μｍであつてよい。
第１図の紙面内の短絡領域５，１４などの横寸法
はそれぞれたとえば10μｍであつてよい。第１図
および第４図によるサイリスタの半導体ウエーハ
の厚みはたとえば200μｍないし１mmの範囲であ
つてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の横断面図、第
２図は第１図の説明のための電圧・時間ダイアグ
ラム、第３図は第１図の部分回路を示す図、第４
図は本発明の第２の実施例の横断面図である。 １ａ〜１ｄ，１b′，１c′……ｎエミツタ部分、
２……ｐベース層、３……ｎベース層、４……ｐ
エミツタ、５……短絡領域、６……境界面、７…
…ｐベース層の部分範囲、８……絶縁層、９……
ゲート、１０……導電層、１１……ｎ伝導形チヤ
ネル、１２，１３……ゲート、１４……短絡領
域、１５〜１７……ゲート、１８……制御入力
端、１９……導光体、２０……導光体の経端、２
１……光電交換器、２３……追加回路、２４……
差動増幅器、２５……導電層、２６……カソー
ド、２７……穴、２８……突起、Ａ……アノード
端子、Ｅ１１〜Ｅ１４，Ｅ１３′，Ｅ１４′……カ
ソード部分、Ｅ２……アノード、Ｇ……制御端
子、Ｋ……カソード端子、Ｌ……光源、Ｍ１〜Ｍ
７，Ｍ４′，Ｍ５′……MIS構造、２……点弧電流
パルス端子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の電極により接触されているｎエミツタ
   とそれに境を接するｐベース層と第２の電極によ
   り接触されているｐエミツタとそれに境を接する
   ｎベース層とを含む半導体ウエーハと横方向の光
   活性半導体範囲内のｎ（ｐ）エミツタに配置され
   制御可能なエミツタ・シヨート回路を含みゲート
   を介して制御されるMIS構造とを有し、そのエミ
   ツタ・シヨート回路がそれぞれ、カソード（アノ
   ード）と接続された第１の伝導形式の第１の半導
   体領域と、ベース層との接続された第１の伝導形
   式の第２の半導体領域と、これらの領域の間に位
   置し、半導体ウエーハに対して電気的に絶縁され
   たゲートによりおおわれた第２の伝導形式の半導
   体範囲とから成つている光点弧形サイリスタにお
   いて、制御可能なエミツタ・シヨート回路の第１
   の半導体領域がｎ（ｐ）エミツタの縁範囲から成
   り、またその第２の半導体領域が、ｐベース層の
   なかに接合されたｎ伝導形式から成ると共にこの
   ｐベース層と導電層を介して接続された短絡領域
   でもあり、またそのゲートの直下でかつゲートに
   よりおおわれた半導体範囲がｐベース層の一部分
   範囲であつて、さらに導光体を介して半導体ウエ
   ーハの表面の一部分と光学的に接触している制御
   可能な光源を備え、ゲートを介して制御される複
   数のMIS構造が共通の制御端子を有し、この制御
   端子が被制御光源と光学的に接触している光電変
   換器の出力端と接続されていることを特徴とする
   光点弧形サイリスタ。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の光点弧形サイ
   リスタにおいて、ｎ（ｐ）エミツタが互いに接続
   されたカソード（アノード）電極の部分を設けら
   れた複数個の帯状のエミツタ部分に分割されてお
   り、また複数個の帯状に構成されたMIS構造が帯
   状のエミツタ部分の縁部に配置されていることを
   特徴とする光点弧形サイリスタ。 ３ 特許請求の範囲第１項または第２項に記載の
   光点弧形サイリスタにおいて、半導体ウエーハの
   表面の一部分が点弧の目的で被制御光源により光
   を照射され、また光電変換器を介して光源からエ
   ミツタ・シヨート回路の制御用の電圧パルスが
   MIS構造に導かれることを特徴とする光点弧形サ
   イリスタ。