JPH0145296B2 - - Google Patents

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JPH0145296B2
JPH0145296B2 JP54103921A JP10392179A JPH0145296B2 JP H0145296 B2 JPH0145296 B2 JP H0145296B2 JP 54103921 A JP54103921 A JP 54103921A JP 10392179 A JP10392179 A JP 10392179A JP H0145296 B2 JPH0145296 B2 JP H0145296B2
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protection device
overvoltage protection
overvoltage
branch
thyristor
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Subedoberugu Peru
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Asea Brown Boveri AB
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Publication date
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Publication of JPH0145296B2 publication Critical patent/JPH0145296B2/ja
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、過電圧に対して低能力タイプの半導
体素子を、この素子の接続導線に到達する過電圧
から保護する過電圧保護装置に関するものであ
る。
［従来技術と発明の課題］ いくつかの応用分野において、過電圧に対して
低能力タイプの半導体素子を、当該素子の接続導
線に到達する過電圧から保護するための効果的
で、安価で、信頼度の高い保護装置が要望されて
いる。ここで、低能力タイプの半導体素子とは、
最大電流が１アンペアから数アンペアでかつ最大
電圧が100ボルトから数100ボルトであるダイオー
ド、トランジスタ、集積回路等のことをいい、好
適には信号処理用の素子及び回路を意味する。こ
のような過電圧保護装置の代表的な応用分野は電
話設備であり、電話局及び電話機に半導体電子装
置が増々使用されつつある。
従来の過電圧保護装置としてガス放電管を使用
することが知られている。ガス放電管の欠点は、
点弧が遅いため保護作動する前に過電圧が高い振
幅値に達することである。更に、これらのガス放
電管では点弧電圧の精度もあまりよくないという
欠点を有する。
その他の過電圧保護装置として酸化亜鉛バリス
タを使用することも知られている。酸化亜鉛バリ
スタの欠点、通常作動中の漏洩電流が比較的大き
く保護値も明確でないことである。更にこれらの
バリスタは繰返し過電圧に対する劣化が少くない
という欠点をも有する。
半導体素子の過電圧保護装置としてツエナーダ
イオードを使用することも知られている。しかし
ながら充分なエネルギ吸収容量とするには寸法を
大きくしなければならないという欠点を有する。
更に上記バリスタも上記ツエナーダイオードも
比較的に容量（キヤパシタンス）が大きいため、
過電圧保護装置を接続する回線上の高周波信号の
伝送に悪影響をおよぼすという欠点を有する。
本発明の目的は、上述した従来の各種過電圧保
護装置の欠点を解決することにあり、高速で過電
圧を除去する動作を行うと共に明確な一定電圧値
で確実に除去動作を行うため明確な一定保護値を
備え、更に、漏洩電流が少なく、かつ容量及び寸
法を小さいものとすることができ、以つて効果的
かつ安価であつて動作信頼性の高い過電圧保護装
置を提供することにある。
［課題を解決するための手段］ 本発明に係る過電圧保護装置は、 過電圧に対して低い能力を有する半導体素子を
含む電子回路の過電圧保護装置であつて、この電
子回路に接続され且つ電子回路に対して短絡時に
所定の値の最大直流電流を供給する２本の接続導
線上に過電圧が生じたとき、この過電圧から電子
回路を保護する過電圧保護装置において、 共通接続点と２本の接続導線のそれぞれとの間
と、共通接続点とアースとの間に枝路を有し、 各枝路は、それぞれ、予め設定された点弧電圧
で自己点弧し且つ前記最大直流電流の所定の値よ
りも大きい値の保持電流を有する２端子サイリス
タと、この２端子サイリスタに逆並列に接続され
たダイオードとを有し、 各枝路の２端子サイリスタは共通接続点から見
て同じ導通方向を有し、 各枝路の２端子サイリスタにはその内部にツエ
ナーダイオードが集積状態で設けられ、このツエ
ナーダイオードは２端子サイリスタの中央接合に
またがつて設けられ前記点弧電圧を決定するもの
であり、 前記２本の接続導線の少なくともいずれか一方
に過電圧が生じた時、１つの枝路のダイオードと
他の枝路の２端子サイリスタとによる直列回路で
短絡路が形成されるように構成される。
［実施例］ 以下、本発明の実施例を添付図面に従つて説明
する。
第１図は例えば電話交換装置の一部や電話機内
の回路等の半導体素子を含む電子回路Ｅを示す。
この電子回路Ｅは回線Ａ，Ｂ（例えば加入者回線、
以下接続導線又は導線ともいう）に接続されてお
り、この回線は信号と供給電圧を伝送し、この回
線を介して電子回路Ｅに過電圧が到来する。
電子回路Ｅとアースとの間には、例えば浮遊容
量Ｃ等のインビーダンスが存在してもよい。過電
圧は回線Ａと回線Ｂの間、又は回線Ａ，Ｂとアー
スの間に生じる。
この過電圧保護装置は３つの分岐枝路を有し、
各々の分岐枝路がダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３と
これに逆並列に接続された２端子サイリスタ
（diode thyristor以下サイリスタという：Ｔ１，
Ｔ２，Ｔ３）を有している。分岐枝路は共通接続
点Ｐと過電圧保護装置の接続端子ａ，ｂ，ｃとの
間に接続されている。これらの端子ａ，ｂ，ｃは
夫々回線Ａと回線Ｂとアースとに接続されてい
る。各サイリスタは、導線Ａ，Ｂ間又は一の導線
とアース間において正規動作中に現われる電圧を
越えるブレークオーバ電圧（第４図のUT）によ
り自己点弧するように構成されている。このブレ
ークオーバ電圧により本発明に係る過電圧保護装
置の保護値が定められる。
この過電圧保護装置は、短絡時において接続導
線が例えば100mAまでの最大値を有する直流電
流を流すようにされた装置において使用される。
通常、この種の装置としては電話装置が該当す
る。各サイリスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３は、その保持
電流が前記最大値を越えるように形成されてい
る。
例えばアースに対して正の過電圧が導線Ａに到
来し、その振幅がサイリスタＴ３のブレークオー
バ電圧を越えるとサイリスタＴ３が点弧する。こ
の結果、原則として導線ＡはダイオードＤ１とサ
イリスタＴ３を介してアースに短絡され、電子回
路Ｅが保護される。導線Ａにおける過電圧が消滅
すると、サイリスタＴ３はこれを流れる電流が保
持電流以下になると同時に非導通状態となる。
対応する機能が、到来する過電圧の極性と無関
係に、かつ過電圧が導線とアース間に生じるか又
は導線相互間に生じるかに無関係に得られる。サ
イリスタＴ１〜Ｔ３のうちの少なくとも１つが常
に点弧して電子回路Ｅを保護する。
過電圧保護装置の作動中、当該保護装置の両端
間の電圧は保護値よりも遥かに低いため、過電圧
エネルギは実質的に線インピーダンスで消費さ
れ、過電圧保護装置では殆んど消費されない。従
つて過電圧保護装置は非常に小寸法とすることが
でき、このため特にこの保護装置における有害な
容量を低くし得るという有利な効果が得られる。
後述するようにサイリスタのブレークオーバ電
圧は極めて正確に定めることができ、従つて保護
値も非常に正確に所望の値に維持することができ
る。
サイリスタは例えば数十ナノセカンド内で非常
に高速に自己点弧し得るため、保護装置は過電圧
が有害な値となる前に作動することができる。
本発明の過電圧保護装置は共通接続点に接続さ
れた複数個の分岐枝路を有する。このため過電圧
保護装置に含まれる全ての半導体素子が１つの共
通点を有する。これは非常に重要な利点を有する
ことが判明した。その１つは後述するように半導
体素子を１個又は数個の半導体基板上に集積でき
ることである。更に共通金属体で過電圧により保
護装置に生じる損失エネルギを吸収することがで
きる。これら両方の効果により製造上の利点、従
つて経済面での重要な利点が得られる。
過電圧発生時のエネルギは過電圧保護装置の２
個以上又は最高３個の素子で一時に生じることが
ないため、前記エネルギ吸収本体の寸法を最小限
とすることができる。
第２図は過電圧保護装置に含まれるサイリスタ
の断面を示す。サイリスタは第１エミツタ層１と
２つのベース層２，３と第２エミツタ層４を有す
る。エミツタ層はベース層よりも強くドープされ
ている。アノードエミツタ接合の注入効率を低下
させるためにエミツタ層４に最も近いベース層３
に強くドープされたＮ型導電層３′が設けられて
いる。エミツタ層４に最も近い層３′部分の不純
物濃度は層３′に最も近い層４部分の不純物濃度
と同程度であるのが適切である。層１にはカソー
ド接点６が設けられており、層４にはアノード接
点５が設けられている。接点６と層１間の接触抵
抗値を低くするために珪化白金層７が接点６に隣
接して設けられている。接点５，６は例えば金等
の金属層からなつている。また接点５の下に珪化
白金層を設けて接触抵抗値を低下させることもで
きる。層１の表面には短絡孔８が分布されてお
り、それを通してベース層２がカソード接点６，
７へ達している。ベース層２の縁には薄いP+型
導電層９が設けられている。それはベース層の全
縁の廻りに適切に設けられており、エミツタ層１
を包囲している。層３と層９とでツエナーダイオ
ードが形成され、サイリスタの両端間の正のアノ
ード・カソード電圧に対して逆電圧を有してい
る。ツエナーダイオードの降伏電圧（knee電圧）
は、一部は層９の不純物濃度により、また一部は
層９の縁の曲率半径（第２図のr1）により決ま
る。降伏電圧はこれらの２変数を適当に選定して
所望値とすることができる。降伏現象がサイリス
タ自体ではなくツエナーダイオードで生じること
を確実にするために、層９のドーピングを層２の
ドーピングよりも強くし、更に層９の縁の曲率半
径（r1）は層２の縁の曲率半径（r2）よりも小さ
くすることが望ましい。珪化白金層１０によりツ
エナーダイオードからサイリスタ自体のベース層
２へ横方向に低抵抗オーミツク接続が行われる。
サイリスタの表面は二酸化ケイ素層１１で被覆さ
れている。Ｎ型に強くドープされた環状保護層１
２が装置の縁の廻りに設けられており表面漏洩電
流を防止する。
第３図はサイリスタが層１〜４と接点５，６で
構成される様子を示す。正のアノード電圧で導通
するダイオード１３は層４，３′，３からなり、
層３，９で形成されたツエナーダイオード１４と
直列になつている。抵抗値Ｒ１は第２図において
エミツタ層１の縁までの層１０と層２の横方向の
抵抗値であり、抵抗値Ｒ２は第２図において層１
の縁から最も近い短絡孔８までの層２の横方向の
抵抗値である。
サイリスタ両端間の電圧が接点５で正でありツ
エナーダイオードの降伏電圧を越えると、電流は
ダイオード１３，１４と抵抗Ｒ１，Ｒ２を通つて
サイリスタのカソードへ流れる。抵抗Ｒ２の両端
間電圧降下が大きくなつて層１，２間の接合のオ
ン状態電圧降下（0.5〜1V）に達すると、ツエナ
ーダイオードに最も近い縁でエミツタ層１は電子
の注入を開始し、その後点弧はサイリスタ表面に
わたつて急速に広がる。
第４図は過電圧保護装置の電流電圧特性を示
し、ここにはUKはツエナーダイオードの降伏電
圧、 UTは保護装置の点弧電圧、ITは保護装置の点弧
電流、IHは保持電流である。
第５ａ図及び第５ｂ図は過電圧保護装置の一つ
の枝路におけるサイリスタとダイオードの集積方
法を示し、第５ａ図は保護装置のＴ１，Ｄ１から
なる枝路を示し、第５ｂ図はこれらの２素子を共
通シリコン基板に形成する方法を示す。この集積
素子は弱いＮ型導電性の中央層２０を有する。集
積素子のダイオード部は図の線Ｄ−D′の右側に
あり、サイリスタ部はこの線の左側にある。ダイ
オードのアノード層はＰ型導電層２２からなりカ
ソード層は層２０からなつている。サイリスタの
アノードエミツタはP+型導電層２１からなり、
そのＮベース、Ｐベース、カソードエミツタはそ
れぞれ層２０、層２２、短絡孔２５を有するN+
型導電層２４からなる。集積されたツエナーダイ
オードは層２０とP+型導電層２３からなる。こ
の素子は両面に接点２７，２８を有する。接点２
８に隣接して低接触抵抗のN+型導電層２６が設
けられている。サイリスタ部分の構成と機能は第
２図から第４図に基づき説明したものに本質的に
対応する。例えば厚さ１mm又は数mmの金属体２９
がシリコン基板の接点２８に圧接又ははんだ付け
されている。この金属体は素子に生じるエネルギ
を吸収する。この金属体２９はタングステン又は
モリブデンから作ることができる。
このように本実施例においては、過電圧保護装
置は各分岐枝路ごとに１つのシリコン基板を有し
ている。シリコン基板は別々のカプセルに収納し
て配置することができる。或いはこれらシリコン
基板を１個の同一のカプセルに収納し、金属体２
９をこれらシリコン基板に共通として共通接続点
Ｐとすることができる。
第６ａ図は３つの分岐枝路を有する過電圧保護
装置のサイリスタＴ１〜Ｔ３を第１のシリコン基
板に集積し、ダイオードＤ１〜Ｄ３の第２のシリ
コン基板に集積する方法を示す。第６ｂ図は第６
ａ図に示す過電圧保護装置の構成を詳細に示す。
第１シリコン基板３０は３個のサイリスタＴ１〜
Ｔ３を含んでいる。アノードエミツタ層３１は全
てに共通である。サイリスタＴ１はＮベース層３
２、Ｐベース層３３、短絡孔を有するＮエミツタ
層３４、カソード接点３５を有する。明確にする
ため集積されたツエナーダイオード（例えば第５
ｂ図の符号２０，２３）は図示していない。他の
２つのサイリスタＴ２，Ｔ３も同じ構造を有しか
つカソード接点３５″，３５′を有している。P+
型導電層３１はシリコン基板３０の上面に達して
サイリスタを互いに分離し、その結果１個のサイ
リスタの通電中における２個の非導通サイリスタ
の漏洩電流が低減される。シリコン基板３０の下
面に金属接点３６が設けられる。
第２シリコン基板４０は３個のダイオードＤ１
〜Ｄ３を有する。金属接点４５のみならずN+型
導電層４１とＮ型導電層４２が共通である。ダイ
オードＤ１はＰ型導電性のアノード層４３とアノ
ード接点４４を有する。他の２個のダイオードＤ
２，Ｄ３も同様に構成されており、それぞれアノ
ード接点４４″，４４′を有している。層４２はシ
リコン基板４０の上面に達してダイオードを互い
に分離するように設けることができる。
シリコン基板３０，４０は共通の吸熱・放熱金
属体５０上に設けられており、この金属体５０は
第５ｂ図の金属体２９に対応し共通接続点Ｐを構
成している。次にこれらのシリコン基板と金属体
は共通カプセルに封入される。シリコン基板３
０，４０は別々の金属体を有し別々のカプセルに
封入することもできる。
第７図は過電圧保護装置全体が一致のシリコン
基板６０で構成された実施例を示す。シリコン基
板は互いに隣接した３つのユニツト、すなわちＴ
１−Ｄ１，Ｔ２−Ｄ２，Ｔ３−Ｄ３を有する。各
ユニツトは保護装置の分岐枝路を構成しており、
第５ｂ図で述べた方法で構成されている。ユニツ
トＴ１−Ｄ１には第５ｂ図で使用したのと同じ参
照番号を付している。ユニツトＴ２−Ｄ２及びＴ
３−Ｄ３はそれぞれシリコン基板６０の上面に接
点２７″，２７′を有しており、シリコン基板の下
面には共通接点２８が設けられている。P+型導
電層６１が３個の各ユニツトを包囲しそれらを互
いに分離している。
第７図の実施例は１つのシリコン基板と、１個
の吸熱金属体２９と単一のカプセルのみを必要と
し、従つて製造組立ての点で非常に有利である。
前記説明は３つの分岐枝路を有する過電圧保護
装置に関するものであるが、この保護装置は２分
岐でもよく、３分岐以上でもよい。
前記実施例においてＰ型導電層をＮ型導電層で
置き換えることもその逆も可能であり、それによ
つて素子の極性が反転する。同様に本発明の範囲
内で過電圧保護装置内の半導体素子の詳細実施例
は前述したものと異なつたものとすることができ
る。
［発明の効果］ 本発明によれば次のような効果が生じる。過電
圧時に高速に動作しかつ非常に低インピーダンス
を有するため効率の良い保護を行ない得ると共
に、全体的にスタテイツクな構成を有し信頼性が
高いものである。また構成上製造及び組付けが容
易で、低コストで実現でき、保護する電圧レベル
が正確に設定されるので、当該電圧レベルが明確
であると共に一定である。更に、過電圧保護動作
を行つていない時の漏洩電流が非常に小さく、ま
た高周波信号要素を有しないので非常に容量が小
さい。過電圧保護作動時の電圧が非常に小さく、
それ故に動作時の電力損失が小さく、装置全体を
非常に小型に作ることができる。また、過電圧保
護動作後自動的にかつ即座にそれ自体で復帰し、
そのためフユーズの交換や手動によるリセツトを
必要としない。本発明は直流回路、交流回路のい
ずれにも使用することができる。
また、本発明による過電圧保護装置は集積回路
で実現することができるため、単一の半導体チツ
プに容易に集積化することができ、これによつて
簡単で安価な製造及び小型のサイズを達成するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明による過電圧保護装置の実施例
を示す回路図、第２図は過電圧保護装置に含まれ
るサイリスタの断面図、第３図は第２図に示され
たサイリスタの等価図、第４図はサイリスタの順
方向電流−電圧特性を示す図、第５ａ図及び第５
ｂ図は過電圧保護装置の１つの分岐枝路のサイリ
スタとダイオードの集積状態を示す図、第６ａ図
及び第６ｂ図は各分岐枝路のサイリスタが第１の
半導体基板に集積され、ダイオードが第２の半導
体基板に集積されている過電圧保護装置の実施例
を示す図、第７図は過電圧保護装置全体を単一半
導体基板で構成する実施例を示す図である。 符号の説明、Ｔ１〜Ｔ３……２端子サイリス
タ、Ｄ１〜Ｄ３……ダイオード、３０，４０，６
０……半導体基板、２９，５０……吸熱・放熱金
属体、Ｅ……電子回路、Ａ，Ｂ……回線（接続導
線又は導線）。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 過電圧に対して低い能力を有する半導体素子
    を含む電子回路Ｅの過電圧保護装置であつて、前
    記電子回路に接続され且つ前記電子回路に対して
    短絡時に所定の値の最大直流電流を供給する接続
    導線Ａ，Ｂ上に過電圧が生じたとき、この過電圧
    から前記電子回路を保護する前記過電圧保護装置
    において、 共通接続点Ｐと前記接続導線Ａ，Ｂのそれぞれ
    との間と、前記共通接続点Ｐとアースとの間に枝
    路を有し、 前記各枝路は、それぞれ、予め設定された点弧
    電圧（UT）で自己点弧し且つ前記最大直流電流
    の所定の値よりも大きい値の保持電流を有する２
    端子サイリスタと、前記２端子サイリスタに逆並
    列に接続されたダイオードとを有しＴ１，Ｄ１，
    Ｔ２，Ｄ２，Ｔ３，Ｄ３、 前記各枝路の前記２端子サイリスタは前記共通
    接続点Ｐから見て同じ導通方向を有し、 前記各枝路の前記２端子サイリスタにはその内
    部にツエナーダイオードが集積状態で設けられ、
    このツエナーダイオードは前記２端子サイリスタ
    の中央接合にまたがつて設けられ前記点弧電圧
    （UT）を決定するものであり、 前記接続導線Ａ，Ｂの少なくともいずれか一方
    に前記過電圧が生じた時、１つの前記枝路の前記
    ダイオードと他の前記枝路の前記２端子サイリス
    タとによる直列回路で短絡路が形成されることを
    特徴とする過電圧保護装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、１つの枝路
    における前記２端子サイリスタと前記ダイオード
    は１つの共通半導体基板で構成されていることを
    特徴とする過電圧保護装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、複数の前記
    ２端子サイリスタは１つの共通半導体基板３０上
    に形成されていることを特徴とする過電圧保護装
    置。 ４ 特許請求の範囲第１項において、複数の前記
    ダイオードは１つの共通半導体基板４０上に形成
    されていることを特徴とする過電圧保護装置。 ５ 特許請求の範囲第１項において、複数の前記
    ２端子サイリスタと複数の前記ダイオードは１つ
    の共通半導体基板60上に形成されていることを特
    徴とする過電圧保護装置。 ６ 特許請求の範囲第２項から第５項のいずれか
    において、前記半導体基板の一方側には前記接続
    導体又は前記アースとの接続を行う接点２７が設
    けられており、前記半導体基板の他方側には前記
    共通接続点Ｐとの接続を行う接点２８が設けられ
    ていることを特徴とする過電圧保護装置。 ７ 特許請求の範囲第６項において、前記半導体
    基板の前記他方側は前記共通接続点を構成する金
    属体２９と接触することを特徴とする過電圧保護
    装置。
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