JPH02198220A - 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
用いた固体リレーに関するものである。

［従来の技術］ 第５図は従来の固体リレー（特開昭５５−１３３１３２
号公報）の回路図である。入力端子６ａ。

６ｂ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６ａ、６ｂ間に入力電流が流
れると、発光ダイオード１が光信舟を発生し、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。光起電力ダイオードアレイ２の両端は、ゲ
ート絶縁形の電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）３
のゲート・ソース間に接続されている。また、光起電力
ダイオードアレイ２の両端には、残留電荷放電用の抵抗
性インピーダンス３ａが並列接続されている。

入力端子６ａ、６ｂ間に入力電流が流れると、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。この
光起電力をＭＯＳＦＥＴ３のゲート・ソース間に印加し
、ＭＯＳＦＥＴ３の電流通電電極に接続された出力端子
７ａ、７ｂ間のインピーダンスを著しく異なる別の値に
変化させる。以下、ＭＯＳＦＥＴ３がＮチャンネルのエ
ンハンスメントモードである場合について説明する。

リレーの入力端子６ａ、６ｂ間に電流が流れると、出力
端子７　ａ、　７　ｂ間がＯＦＦ状態からＯＮ状態に変
化し、機械的に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。ここで、抵抗性インピ
ーダンス３ａはＭＯＳＦＥＴ３のゲート・ソース間の静
電容量に蓄積された電荷を放電させる働きを有するもの
であり、この抵抗性インピーダンス３ａが存在しないと
、上記の回路例で入力電流が切れたときに出力端子７ａ
、７ｂ間をＯＦＦ状態に戻すことができない。

しかしながら、入力端子６ａ、６ｂ間に電流を流し、リ
レーをＯＮ状態にしようとするときには、この抵抗性イ
ンピーダンス３ａの存在は、フォトダイオードアレイ２
の光起電力をバイパスする点から好ましくない、リレー
動作を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、抵抗性イン
ピーダンス３ａの値を大きく設定する必要があり、入力
電流が切れてから出力端子７　ａ、　７　ｂ間が復帰す
るまでの時間Ｔｏｆｆを短くするためには、抵抗性イン
ピーダンス３ａの値を小さく設定する必要があるという
矛盾が存在する点、及び、ＭＯＳＦＥＴ３のゲート・ソ
ース間の電圧は入力電流が感動電流（ＩＦｏｎ）近傍の
電流域のときに入力電流に比例して変化するため、ＭＯ
ＳＦＥＴ３の電流通電電極に接続された出力端子７ａ、
７ｂ間のインピーダンスがＯＮ状態とＯＦＦ状態の中間
的な位置で存在してしまうという欠点がある。

このような問題点を解決するために、従来、第６図に示
すような固体リレー（特願昭６１−２５５０２２号）が
提案されている。この回路にあっては、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
電誘導型トランジスタ（Ｓ　Ｉ　Ｔ）又は電界効果型ト
ランジスタ（ＦＥＴ）よりなる駆動用トランジスタ５を
介して流れる。したがって、ＭＯＳＦＥＴ３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０、
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のゲート・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のゲート・ソース間の充電動作を遅
延することはない。

入力電流が入力端子６　ａ、　６　ｂ間に定常的に流れ
ている間は、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、駆動用トランジスタ５は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Ｖ４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。

入力端子６ａ、６ｂ間の入力電流が遮断されると、ＭＯ
８ＦＥＴ３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、駆動用トランジスタ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題］ 従来の固体リレーでは、入力側の発光素子１に流す入力
電流が小さい場合には、リレー出力がオフ状態からオン
状態になるのに要するオン時間Ｔｏｎに比較して、リレ
ー出力がオン状態からオフ状態になるのに要するオフ時
間Ｔｏｆｆはかなり速い。

しかしながら、ノイズに対する誤動作の防止について配
慮した場合には、オン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆは
同程度である方が、ノイズに対する誤動作が少なく、良
好な結果が得られる。なぜなら、オン時間Ｔｏｎ又はオ
フ時間Ｔｏｆｆのうち、短い方の時間よりも持続時間の
長いノイズに対しては、固体リレーが応答してしまうた
めである。したがって、発光素子１への入力信号電流が
小さい場合には、オフ時間Ｔｏｆｆはオン時間Ｔｏｎと
同程度に遅い方が良い。

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、オン時間とオフ時間のバランス
が良好な固体リレーを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明にあっては、上記の課題を解決するために、第１
図乃至第４図に示すように、入力信号に応答して光信号
を発生する発光素子１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
を介してゲート・ソース間に印加されて、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ＭＯＳＦＥＴ３と、出力用ＭＯＳＦＥＴ３のゲー
ト・ソース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、前記インピーダンス要素４は低濃度の不純物半導
体領域４４に導電型の異なる不純物を拡散させた拡散領
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ＭＯＳ
ＦＥＴ３のゲート・基板間容量の充電時に拡散領域４０
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、拡散領域４０と不純物半導体領
域４４の間に生じる空乏層を拡げるような電位を印加さ
れたアルミニウム薄膜５１を拡散領域４０を覆うように
配して成る固体リレーにおいて、前記アルミニウム薄膜
５１は光起電力ダイオードアレイ２における前記インピ
ーダンス要素４と接続される側の端子（アルミニウム電
極４１）に接続され、前記アルミニウム薄膜５１の上面
には絶縁膜５０を介して第２のアルミニウム薄膜５２が
配され、第２のアルミニウム薄膜５２は光起電力ダイオ
ードアレイ２における前記インピーダンス要素４とは接
続されない側の端子に接続されていることを特徴とする
ものである。

なお、アルミニウム薄膜５１．５２は他の金属薄膜であ
っても良いことは言うまでもない。

［作用］ 本発明にあっては、インピーダンス要素４を構成する拡
散領域４０にフィールド・プレート効果を与えるアルミ
ニウム薄膜５１と、遮光用の第２のアルミニウム薄膜５
２とにより、容量Ｃ６が形成されている。この容量Ｃ８
は、第１図に示すように、光起電力ダイオードアレイ２
の両端に並列接続されることになる。このように光起電
力ダイオードアレイ２の両端に容量Ｃ０が接続されると
、オン時間Ｔｏｎに関しては、ＭＯＳＦＥＴ３のゲート
・ソース間容量に容量Ｃ８が加わって、その充電時間が
僅かに長くなるだけで、余り大きな影響はない。しかし
ながら、オフ時間Ｔｏｆｆに関しては、容量Ｃ８に蓄積
された電荷が駆動用トランジスタ５とインピーダンス要
素４を介して放電されるまでは、駆動用トランジスタ５
が高インピーダンス状態に自己バイアスされ続けること
になるので、ＭＯ８ＦＥＴ３のゲート・ソース間容量の
放電時間が大きく増大することになり、オフ時間Ｔａｒ
（の増大はオン時間Ｔｏｎの増大よりも大きくなる。

したがって、オン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔ　ｏ　ｒ　ｆ
のバランスを良好とすることができる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例の等価回路図である。

この回路は、光起電力ダイオードアレイ２の両端に、容
量Ｃ６が並列接続されている点、出力用ＭＯＳＦＥＴ３
が２個のＭＯＳ　Ｆ　ＥＴ　３ａ、３ｂを逆直列接続し
て構成されている点、及び駆動用トランジスタ５が２個
のノーマリ・オン型の静電誘導トランジスタ５ａ、５ｂ
を直列接続して構成されている点を除いては、第６図に
示す従来例と同様である。２個のＭ　ＯＳ　Ｆ　Ｅ　Ｔ
　３　ａ　、　３　ｂを逆直列接続したことにより、出
力端子７ａ、７ｂ間又は７ｃ、７ｂ間で直流回路を開閉
できると共に、出力端子７ａ。

７ｃ間で交流回路を開閉できる。また、２個のノーマリ
・オン型の静電誘導トランジスタ５ａ、５ｂを直列接続
することにより、特願昭６２−１９７４４２号に開示さ
れているように、小さな入力電流で固体リレーを駆動す
ることができる。

本実施例にあっては、第１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２図はこの誘電体分離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３図は第２図のＡ−Ａ’
線についての断面図である。誘電体分離基板は、多結晶
シリコン基板４６の上に、複数個の単結晶シリコン領域
が、Ｓ　ｉ　Ｏ２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。本実施例では、インピーダン
ス要素４が形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
２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、ＳｉＯ□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極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、電
流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６０ΩｃＩ１１．Ｐ型の不純物拡散領域４０の
幅は３μｍ、間隔は４μｍ、不純物としてはＢ（ボロン
）を用い、濃度は２．５Ｘ１０’コｄｏｓｅとした。一
方のアルミニウム電極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、
駆動用トランジスタ５のソース並びに出力端子７ｂと同
じ安定な電位に保持される。なお、アルミニウム電極４
２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。他方のアルミニウム電極４１は、絶縁Ｊ
ｌｉ４７を介して拡散領域４０の上面に配されたアルミ
ニウム薄膜５１に接続されておリ、このアルミニウム薄
膜５１は拡散領域４０と不純物半導体領域４４との間に
生じるＰＮ接合の空乏層を拡げるフィールド・プレート
として作用する。なお、実際の製造工程においては、ア
ルミニウム電極４１とアルミニウム薄膜５１は同一の蒸
着工程で形成されることは言うまでもない。基板の上に
は、アルミニウム電ｆ！４１．４２の形成後に、ＣＶＤ
法を用いてＳｉＯ２よりなる５０００人程度０バッシベ
ーション膜（絶縁膜５０）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
ム薄膜５２を被着している。ただし、第２図においては
、フィールド・プレート用のアルミニウム薄膜５１や、
遮光用のアルミニウム薄膜５２を除去した状態を図示し
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
、空乏層は不純物半導体領域４４の側に大きく拡がる。

さらに、拡散領域４０の上に存在するアルミニウム薄膜
５１を低電圧側の電極４１と接続させることにより、フ
ィールドプレート作用が強められ、印加電圧の低い状態
で空乏層を拡げることが可能となる。そして、前記逆バ
イアス電圧が所定値を越えると、不純物半導体領域４４
の中で空乏層がつながってしま・い、電子が流れ得る状
態となる。

このため、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。

したがって、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、ツェナーダイオードと類似した特性とな
り、所定値以上の印加電圧が加わると、通電電流が急速
に増加する。このため、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。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。

第４図は本発明の要部構成を示す断面図である。

同図に示すように、本発明では、遮光用のアルミニウム
薄膜５２を、光起電力ダイオードアレイ２の高電位側の
出力端子２１（出力用ＭＯＳＦＥＴ３のゲート側）に接
続している。したがって、このアルミニウム薄膜５２と
、光起電力ダイオードアレイ２の低電位側に接続された
フィールド・プレートとして働くアルミニウム薄膜５１
との間には、第１図の等価回路に示すように、容量Ｃ６
が形成される。この容量Ｃ０が光起電力ダイオードアレ
イ２の両端に並列接続されることにより、オン時間Ｔｏ
ｎとオフ時間Ｔ　ｏ　ｆ　ｆのバランスを良好とするこ
とができる。

本実施例において、オン時間Ｔｏｎとオフ時間Ｔｏｆｆ
の測定結果は次表のようになった。同表において、従来
例と本発明の固体リレーは、同一の製造プロセスにより
作成し、最後に遮光用のアルミニウム薄ＪＩ５２を、光
起電力ダイオードアレイ２の高電位側の出力端子（出力
用ＭＯＳＦＥＴ３のゲート側）に接続する工程以外は全
て同一の条件で両者の比較を行った。

上表から明らかなように、光起電力ダイオードアレイ２
の両端に容量Ｃ０を並列接続することにより、オン時間
Ｔｏｎは僅かに増大するだけであるが、オフ時間Ｔｏｆ
ｆは大きく増大し、結果的にオン時間Ｔｏｎとオフ時間
Ｔｏｆｆのバランスを良好とし、ノイズによる誤動作の
可能性を少なくすることができる。つまり、従来例では
オン時間Ｔｏｎが０．９２１１１ｓｅｃであり、リレー
の応答速度としては約１　ｍ５ｅｃであるにも拘わらず
、オフ時間Ｔｏｆｆが０．２３ｍ５ｅｃであるために、
入力回路に０．２３ｍ５ｅｃ以上のパルス幅のノイズを
含むことはできなかった。これに対して、本発明では、
オン時間Ｔｏｎが１．０２ｍ５ｅｃであり、リレーの応
答速度としては約ｌｌｌ１ｓｅｃの性能をそのまま保ち
ながら、入力回路に１　ｍ５ｅｃ未満のパルス幅のノイ
ズが含まれていても誤動作することはないものである。

なお、実施例の説明では、出力用のＭＯＳＦＥＴ３がＮ
チャンネルのエンハンスメントモードである場合につい
て説明したが、Ｐチャンネルであっても良く、デプリー
ションモードであっても良いことは言うまでもない。

［発明の効果コ 本発明にあっては、発光素子と光結合された光起電力ダ
イオードアレイの光起電力をインピーダンス要素を介し
て出力用ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間に印加し、こ
の出力用ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間に並列接続さ
れたノーマリ・オン型の駆動用トランジスタを前記イン
ピーダンス要素の両端電圧にて高インピーダンス状態に
バイアスするようにした固体リレーにおいて、前記イン
ピーダンス要素を上面に金属薄膜を配された拡散抵抗に
て構成し、前記金属薄膜とその上面に絶縁膜を介して配
された第２の金属薄膜とで構成された容量が光起電力ダ
イオードアレイに並列接続されるようにしたから、出力
用ＭＯＳＦＥＴの充電時間の増大よりも放電時間の増大
が大きくなり、オン時間とオフ時間のバランスの良好な
固体リレーを実現できるという効果がある。

しかも、拡散抵抗の上面に配された金属薄膜は、拡散領
域と半導体基板の間に生じる空乏層を拡げるフィールド
・プレート効果を有し、この金属薄膜の上面に絶縁膜を
介して配された第２の金属薄膜は、光結合型の固体リレ
ーにおいては必須の遮光膜として使用できるので、従来
の固体リレーに比べて何ら製造工程が複雑になることは
なく、単に、第２の金属薄膜を光起電力ダイオードアレ
イにおける前記インピーダンス要素とは接続されない側
の端子に接続するという構成を採用するだけで、オン時
間とオフ時間のバランスの良好な固体リレーを提供でき
るという利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の等価回路図、第２図は同上
に用いるインピーダンス要素の斜視図、第３図は同上の
断面図、第４図は本発明に対する比較例の断面図、第５
図は従来例の回路図、第６図は他の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
は駆動用トランジスタ、４０は拡散領域、４１．４２は
アルミニウム電極、４４は不純物半導体領域、５１．５
２はアルミニウム薄膜である。 第１図 １：発光素子 ２二光起電力ダイオードアレイ ３、出力用ＭＯＳＦＥＴ ４：インピーダンス要素 ５：Ｉｉ！動用トランジスタ

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・ソース間に印加
   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Ｍ
   ＯＳＦＥＴのゲート・ソース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、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ＭＯＳＦ
   ＥＴ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、拡散領域と半導体基板の間に生じる空乏層を
   拡げるような電位を印加された金属薄膜を拡散領域を覆
   うように配して成る固体リレーにおいて、前記金属薄膜
   は光起電力ダイオードアレイにおける前記インピーダン
   ス要素と接続される側の端子に接続され、前記金属薄膜
   の上面には絶縁膜を介して第２の金属薄膜が配され、第
   ２の金属薄膜は光起電力ダイオードアレイにおける前記
   インピーダンス要素とは接続されない側の端子に接続さ
   れていることを特徴とする固体リレー。