JPH027190B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH027190B2 JPH027190B2 JP58048139A JP4813983A JPH027190B2 JP H027190 B2 JPH027190 B2 JP H027190B2 JP 58048139 A JP58048139 A JP 58048139A JP 4813983 A JP4813983 A JP 4813983A JP H027190 B2 JPH027190 B2 JP H027190B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- thyristor
- voltage
- base layer
- pilot
- breakdown
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D18/00—Thyristors
- H10D18/221—Thyristors having amplifying gate structures, e.g. cascade configurations
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D18/00—Thyristors
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10D—INORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
- H10D8/00—Diodes
- H10D8/80—PNPN diodes, e.g. Shockley diodes or break-over diodes
Landscapes
- Thyristors (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は降服電圧をこす過電圧がアノード・カ
ソード間に印加されると安全に電圧トリガするこ
とができる過電圧保護機能付サイリスタに関す
る。
ソード間に印加されると安全に電圧トリガするこ
とができる過電圧保護機能付サイリスタに関す
る。
サイリスタのアノード・カソード間に降服電圧
をこす過電圧が印加されると、数mA〜数10mA
の微少な降服電流で破壊してしまう。過電圧印加
による誤点弧で素子が破壊することを防止するた
め、一般には電源電圧の2〜3倍の定格電圧のサ
イリスタを使う。しかし、直流送電用サイリスタ
バルブなどのように、多数のサイリスタを直列接
続して使う装置では、1部のサイリスタがターン
オンに失敗すると、これらの少数のサイリスタに
定格電圧の数倍以上の過電圧が印加され、前述し
た定格電圧に余裕をみる方法では過電圧破壊を防
止することができない。そのため、過電圧の印加
を防止する外部保護回路が必要になつていた。こ
のような事情から過電圧が印加されても破壊しな
い過電圧保護機能付サイリスタが強く望まれてい
た。
をこす過電圧が印加されると、数mA〜数10mA
の微少な降服電流で破壊してしまう。過電圧印加
による誤点弧で素子が破壊することを防止するた
め、一般には電源電圧の2〜3倍の定格電圧のサ
イリスタを使う。しかし、直流送電用サイリスタ
バルブなどのように、多数のサイリスタを直列接
続して使う装置では、1部のサイリスタがターン
オンに失敗すると、これらの少数のサイリスタに
定格電圧の数倍以上の過電圧が印加され、前述し
た定格電圧に余裕をみる方法では過電圧破壊を防
止することができない。そのため、過電圧の印加
を防止する外部保護回路が必要になつていた。こ
のような事情から過電圧が印加されても破壊しな
い過電圧保護機能付サイリスタが強く望まれてい
た。
第1図はこのような問題を解決すべく構成され
たサイリスタの概略断面図である。同図におい
て、1はPエミツタ層、2はNベース層、3はP
ベース層、4はNエミツタ層である。Pエミツタ
層1の表面にはアノード電極5が配置され、ま
た、Nエミツタ層4はPベース層3が一部露出し
た短絡エミツタ構造であつてその表面にはカソー
ド電極6が配置されてメインサイリスタMTが構
成されている。Nベース層2とPベース層3から
形成される接合部J2の一部分が図示してあるよう
にカソード電極側の表面で終結しており、Nベー
ス層2の一部がカソード側に突出している。そし
て、Nエミツタ層4の内側に、補助Nエミツタ層
7と補助電極8を設けてパイロツトサイリスタ
PTを構成している。
たサイリスタの概略断面図である。同図におい
て、1はPエミツタ層、2はNベース層、3はP
ベース層、4はNエミツタ層である。Pエミツタ
層1の表面にはアノード電極5が配置され、ま
た、Nエミツタ層4はPベース層3が一部露出し
た短絡エミツタ構造であつてその表面にはカソー
ド電極6が配置されてメインサイリスタMTが構
成されている。Nベース層2とPベース層3から
形成される接合部J2の一部分が図示してあるよう
にカソード電極側の表面で終結しており、Nベー
ス層2の一部がカソード側に突出している。そし
て、Nエミツタ層4の内側に、補助Nエミツタ層
7と補助電極8を設けてパイロツトサイリスタ
PTを構成している。
このメインサイリスタMTのアノードカソード
間に順方向に過電圧が印加されると、接合部J2の
湾曲部9に電界が集中し電圧降服が起る。電圧降
服によつて発生する降服電流IAVは、図示のよう
にPエミツタ層1、Nベース層2、Pベース層
3、Nエミツタ層7から構成されるパイロツトサ
イリスタPTのゲート電流として働き、パイロツ
トサイリスタPTがターンオンするとこのターン
オン電流によつて、メインサイリスタMTが過電
圧トリガすることができる。
間に順方向に過電圧が印加されると、接合部J2の
湾曲部9に電界が集中し電圧降服が起る。電圧降
服によつて発生する降服電流IAVは、図示のよう
にPエミツタ層1、Nベース層2、Pベース層
3、Nエミツタ層7から構成されるパイロツトサ
イリスタPTのゲート電流として働き、パイロツ
トサイリスタPTがターンオンするとこのターン
オン電流によつて、メインサイリスタMTが過電
圧トリガすることができる。
ところが、このようなサイリスタでは降服電流
が湾曲部の狭い領域に集中し、メインサイリスタ
MTが充分にターンオンする前に素子が破壊して
しまう傾向にあり、高いオン電流上昇率(di/dt
耐量)で過電圧トリガできるサイリスタを実現す
ることが困難であつた。
が湾曲部の狭い領域に集中し、メインサイリスタ
MTが充分にターンオンする前に素子が破壊して
しまう傾向にあり、高いオン電流上昇率(di/dt
耐量)で過電圧トリガできるサイリスタを実現す
ることが困難であつた。
本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、その目的は、過電圧の印加に対して、高い
di/dt耐量で電圧トリガすることができる過電圧
保護機能付サイリスタを提供することにある。
ので、その目的は、過電圧の印加に対して、高い
di/dt耐量で電圧トリガすることができる過電圧
保護機能付サイリスタを提供することにある。
本発明は、サイリスタの一部分の他の領域より
順方向阻止電圧が低くなるような電圧降服領域手
段を設け、この領域で発生する順方向降服電流で
ターンオンするように高感度のパイロツトサイリ
スタ部を配した構造において、パイロツトサイリ
スタはウエハ中心部にリング状をなしてメインサ
イリスタのNエミツタ層より深いNエミツタ層を
もつて形成され、その内部に凹部を有し、前記電
圧降服領域はこの凹部の底に形成されるPベース
層をNベース層に突出させてその接合の一部に湾
曲部を設けて構成され、もつてパイロツトサイリ
スタの最小ゲートトリガ電流は前記電圧降服領域
の許容最大降服電流の1/2以下に設定されている
ことを特徴とする。
順方向阻止電圧が低くなるような電圧降服領域手
段を設け、この領域で発生する順方向降服電流で
ターンオンするように高感度のパイロツトサイリ
スタ部を配した構造において、パイロツトサイリ
スタはウエハ中心部にリング状をなしてメインサ
イリスタのNエミツタ層より深いNエミツタ層を
もつて形成され、その内部に凹部を有し、前記電
圧降服領域はこの凹部の底に形成されるPベース
層をNベース層に突出させてその接合の一部に湾
曲部を設けて構成され、もつてパイロツトサイリ
スタの最小ゲートトリガ電流は前記電圧降服領域
の許容最大降服電流の1/2以下に設定されている
ことを特徴とする。
本発明によれば過電圧が印加された時に発生す
る微少な降服電流でパイロツトサイリスタが容易
に電圧トリガできるため、高いdi/dt耐量を得る
ことができる。さらにオン電圧など主要なサイリ
スタ特性を損うことなく電圧トリガ機能をサイリ
スタに組込むことができる。
る微少な降服電流でパイロツトサイリスタが容易
に電圧トリガできるため、高いdi/dt耐量を得る
ことができる。さらにオン電圧など主要なサイリ
スタ特性を損うことなく電圧トリガ機能をサイリ
スタに組込むことができる。
以下、図面を参照して、本発明の実施例につい
て説明する。第2図は本発明の一実施例の過電圧
保護機能付サイリスタの概略断面図である。同図
において、Pエミツタ層11、Nベース層12、
Pベース層13、Nエミツタ層14からなる四層
構造のPエミツタ層11の表面にはアノード電極
15を、また、短絡Nエミツタ層14の表面には
カソード電極16を配置してメインサイリスタ
MTを構成している。メインサイリスタMTの内
周部には、Pエミツタ層11、Nベース層12、
Pベース層13を共用し、補助Nエミツタ層7と
補助電極8を設けてパイロツトサイリスタPTを
形成している。更にパイロツトサイリスタPTの
内周部には、湾曲部19を持つたPベース層20
が配してある。この構造は例えば、Pベース層1
3を井戸型にエツチングで除去し、その後に再度
P型不純物を熱拡散しPベース層20を形成する
などして実現できる。あるいは又、N型ウエハの
状態で井戸型にエツチングして、これに両面から
P型不純物を拡散することで同様の構成を得るこ
ともできる。また、本実施例では、パイロツトサ
イリスタPTの補助Nエミツタ層17をメインサ
イリスタMTのNエミツタ層14より深く拡散形
成し、パイロツトサイリスタPTのPベース層横
方向抵抗を大きくしている。
て説明する。第2図は本発明の一実施例の過電圧
保護機能付サイリスタの概略断面図である。同図
において、Pエミツタ層11、Nベース層12、
Pベース層13、Nエミツタ層14からなる四層
構造のPエミツタ層11の表面にはアノード電極
15を、また、短絡Nエミツタ層14の表面には
カソード電極16を配置してメインサイリスタ
MTを構成している。メインサイリスタMTの内
周部には、Pエミツタ層11、Nベース層12、
Pベース層13を共用し、補助Nエミツタ層7と
補助電極8を設けてパイロツトサイリスタPTを
形成している。更にパイロツトサイリスタPTの
内周部には、湾曲部19を持つたPベース層20
が配してある。この構造は例えば、Pベース層1
3を井戸型にエツチングで除去し、その後に再度
P型不純物を熱拡散しPベース層20を形成する
などして実現できる。あるいは又、N型ウエハの
状態で井戸型にエツチングして、これに両面から
P型不純物を拡散することで同様の構成を得るこ
ともできる。また、本実施例では、パイロツトサ
イリスタPTの補助Nエミツタ層17をメインサ
イリスタMTのNエミツタ層14より深く拡散形
成し、パイロツトサイリスタPTのPベース層横
方向抵抗を大きくしている。
このような構造において、アノード・カソード
電極間に順方向に過電圧が印加されると、湾曲部
19に電界が集中し、そのとき湾曲部19近傍に
発生する降服電流によつてパイロツトサイリスタ
PT、メインサイリスタMTが順次ターンオンす
る。この場合、実施例では、最初にターンオンす
るパイロツトサイリスタPTのゲート感度を十分
上げることによつてパイロツトサイリスタPTの
最小トリガ電流IGTを順方向降服電流の最大非破
壊値IR(nax)の少なくとも1/2以下にし、電圧トリガ
時にdi/dt耐量を大幅に改善したことを特徴とし
ている。
電極間に順方向に過電圧が印加されると、湾曲部
19に電界が集中し、そのとき湾曲部19近傍に
発生する降服電流によつてパイロツトサイリスタ
PT、メインサイリスタMTが順次ターンオンす
る。この場合、実施例では、最初にターンオンす
るパイロツトサイリスタPTのゲート感度を十分
上げることによつてパイロツトサイリスタPTの
最小トリガ電流IGTを順方向降服電流の最大非破
壊値IR(nax)の少なくとも1/2以下にし、電圧トリガ
時にdi/dt耐量を大幅に改善したことを特徴とし
ている。
過電圧によつて発生する順方向降服電流でパイ
ロツトサイリスタが安全にターンオンする条件は
発明者らがおこなつた実験によれば第3図のよう
になる。同図において横軸は電圧トリガした時の
降服電流IRで、パイロツトサイリスタPTのIGTに
等しい値である。縦軸は電圧トリガした時の降服
電流(=IGT)に対する各テストサンプルのdi/dt
耐量である。同図から明らかなようにIGTが小さ
い高感度パイロツトサイリスタを持つサイリスタ
ほど電圧トリガ時のdi/dt耐量は大きくなる。し
かしIGTが45mAをこすパイロツトサイリスタを
持つサイリスタはいずれもdi/dt耐量が突然低下
し、安全に電圧トリガできなくなる。これは実験
に使つたテストサンプルでは、IR>45mAになる
と湾曲部19が降服電流の許容値をこえ、パイロ
ツトサイリスタPTがターンオンする前に湾曲部
19が破壊してしまうからである。また、降服電
流の最大非破壊値IR(max)=45mAの1/2以下に
IGTを設定しないと、パイロツトサイリスタPTの
ゲート感度を改善してもdi/dt耐量を大幅に改善
することが出来ないことがわかる。この実験事実
は過電圧によつて安全に電圧トリガし、さらに、
di/dt耐量を大幅に改善するには少くともIGT<1/
2IR(max)の条件を満足する高感度パイロツトサ
イリスタを湾曲部19の周囲に配置してやる必要
があることを意味する。
ロツトサイリスタが安全にターンオンする条件は
発明者らがおこなつた実験によれば第3図のよう
になる。同図において横軸は電圧トリガした時の
降服電流IRで、パイロツトサイリスタPTのIGTに
等しい値である。縦軸は電圧トリガした時の降服
電流(=IGT)に対する各テストサンプルのdi/dt
耐量である。同図から明らかなようにIGTが小さ
い高感度パイロツトサイリスタを持つサイリスタ
ほど電圧トリガ時のdi/dt耐量は大きくなる。し
かしIGTが45mAをこすパイロツトサイリスタを
持つサイリスタはいずれもdi/dt耐量が突然低下
し、安全に電圧トリガできなくなる。これは実験
に使つたテストサンプルでは、IR>45mAになる
と湾曲部19が降服電流の許容値をこえ、パイロ
ツトサイリスタPTがターンオンする前に湾曲部
19が破壊してしまうからである。また、降服電
流の最大非破壊値IR(max)=45mAの1/2以下に
IGTを設定しないと、パイロツトサイリスタPTの
ゲート感度を改善してもdi/dt耐量を大幅に改善
することが出来ないことがわかる。この実験事実
は過電圧によつて安全に電圧トリガし、さらに、
di/dt耐量を大幅に改善するには少くともIGT<1/
2IR(max)の条件を満足する高感度パイロツトサ
イリスタを湾曲部19の周囲に配置してやる必要
があることを意味する。
IR(max)の値は同じく発明者らがおこなつた
実験結果によれば、湾曲部19の周辺長にほぼ比
例して大きくなる。しかしこの周辺長を余り大き
くすると、急峻な立上りの電圧ノイズが印加され
た時にこの領域で発生する変化電流が周辺長の2
乗に比例して増大し、di/dt耐量の増加より、
dv/dt耐量の低下の方が大きくなるため、無制
限に湾曲部の周辺長を大きくできない。従つて、
dv/dt耐量などの主要なサイリスタ特性を犠牲
にしないでdi/dt耐量の大きな過電圧保護機能付
サイリスタを実現するには、IGTの小さい高感度
パイロツトサイリスタで、湾曲部19を囲む方法
がすぐれている。本発明の実施例では第2図に示
してあるようにパイロツトサイリスタPTのNエ
ミツタ層17の下部のPベース層の幅をメインサ
イリスタMTのPベース層幅より狭くし、パイロ
ツトサイリスタPTのPベース層抵抗を大きくし
てパイロツトサイリスタPTのゲート感度を大幅
に向上させている。4kVサイリスタを使つた具体
的実施例では、湾曲部19の直径0.5mm(周辺長
1.57mm)にし、IR(max)=40mA〜45mAとし、
IGT<5mAになるようにパイロツトサイリスタ
PTのPベース層抵抗を約2000Ω/□にコントロ
ールした場合、dv/dt1500V/μs、di/dt
250A/μsの過電圧保護機能付サイリスタを実現
できた。
実験結果によれば、湾曲部19の周辺長にほぼ比
例して大きくなる。しかしこの周辺長を余り大き
くすると、急峻な立上りの電圧ノイズが印加され
た時にこの領域で発生する変化電流が周辺長の2
乗に比例して増大し、di/dt耐量の増加より、
dv/dt耐量の低下の方が大きくなるため、無制
限に湾曲部の周辺長を大きくできない。従つて、
dv/dt耐量などの主要なサイリスタ特性を犠牲
にしないでdi/dt耐量の大きな過電圧保護機能付
サイリスタを実現するには、IGTの小さい高感度
パイロツトサイリスタで、湾曲部19を囲む方法
がすぐれている。本発明の実施例では第2図に示
してあるようにパイロツトサイリスタPTのNエ
ミツタ層17の下部のPベース層の幅をメインサ
イリスタMTのPベース層幅より狭くし、パイロ
ツトサイリスタPTのPベース層抵抗を大きくし
てパイロツトサイリスタPTのゲート感度を大幅
に向上させている。4kVサイリスタを使つた具体
的実施例では、湾曲部19の直径0.5mm(周辺長
1.57mm)にし、IR(max)=40mA〜45mAとし、
IGT<5mAになるようにパイロツトサイリスタ
PTのPベース層抵抗を約2000Ω/□にコントロ
ールした場合、dv/dt1500V/μs、di/dt
250A/μsの過電圧保護機能付サイリスタを実現
できた。
このように本実施例によればdv/dt耐量など
主要なサイリスタ特性を犠牲にすることなく、
di/dt耐量を大幅に改善した過電圧保護機能付サ
イリスタを実現することができる。またパイロツ
トサイリスタはウエハの中心部にリング状をなし
て構成され、かつその内部に電圧降服領域が設け
られるから、降服電流は必ずパイロツトサイリス
タのPベース層を通り、これにより確実な電圧ト
リガが行われる。
主要なサイリスタ特性を犠牲にすることなく、
di/dt耐量を大幅に改善した過電圧保護機能付サ
イリスタを実現することができる。またパイロツ
トサイリスタはウエハの中心部にリング状をなし
て構成され、かつその内部に電圧降服領域が設け
られるから、降服電流は必ずパイロツトサイリス
タのPベース層を通り、これにより確実な電圧ト
リガが行われる。
前述した実施例では湾曲部19を持つた電圧降
服領域を高ゲート感度のパイロツトサイリスタ
PTでかこんだ構造のサイリスタで説明したが、
IGT<1/2IR(max)の条件を満足していれば、降服 電流でサイリスタ部をトリガする方法はどんな方
法でもよい。又、パイロツトサイリスタで囲まれ
る領域のNベース層の不純物濃度やキヤリヤライ
フタイムを他の領域より大きくする方法で降服電
圧をコントロールしてもよい。又、本発明では
dV/dt耐量を犠牲にしないでパイロツトサイリ
スタのゲート感度を改善しているので、湾曲部近
傍に光トリガ信号を照射できるようにすれば、す
ぐれた特性を持つた過電圧保護機能付光トリガサ
イリスタを実現できることは言うまでもない。
服領域を高ゲート感度のパイロツトサイリスタ
PTでかこんだ構造のサイリスタで説明したが、
IGT<1/2IR(max)の条件を満足していれば、降服 電流でサイリスタ部をトリガする方法はどんな方
法でもよい。又、パイロツトサイリスタで囲まれ
る領域のNベース層の不純物濃度やキヤリヤライ
フタイムを他の領域より大きくする方法で降服電
圧をコントロールしてもよい。又、本発明では
dV/dt耐量を犠牲にしないでパイロツトサイリ
スタのゲート感度を改善しているので、湾曲部近
傍に光トリガ信号を照射できるようにすれば、す
ぐれた特性を持つた過電圧保護機能付光トリガサ
イリスタを実現できることは言うまでもない。
第1図は従来のサイリスタの構造例を示す図、
第2図は本発明の一実施例のサイリスタの構造を
示す図、第3図は本発明の根拠となつた実験結果
を示す図である。 11……Pエミツタ層、12……Nベース層、
13……Pベース層、14……Nエミツタ層、1
5……アノード電極、16……カソード電極、1
7……補助Nエミツタ層、18……補助電極、1
9,19′……湾曲部、MT……メインサイリス
タ、PT……パイロツトサイリスタ。
第2図は本発明の一実施例のサイリスタの構造を
示す図、第3図は本発明の根拠となつた実験結果
を示す図である。 11……Pエミツタ層、12……Nベース層、
13……Pベース層、14……Nエミツタ層、1
5……アノード電極、16……カソード電極、1
7……補助Nエミツタ層、18……補助電極、1
9,19′……湾曲部、MT……メインサイリス
タ、PT……パイロツトサイリスタ。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1 PNPN四層構造を有し、その一部に他の領
域より順方向阻止電圧が低い電圧降服領域を設
け、この領域で発生する降服電流でターンオンす
るように配置されたパイロツトサイリスタを少な
くとも一つ以上組込んだサイリスタにおいて、ウ
エハ中心部にリング状をなしてメインサイリスタ
より深いNエミツタ層を有するパイロツトサイリ
スタが形成され、その内部に凹部を有し、前記電
圧降服領域はこの凹部の底でPベース層の一部を
Nベース層内に突出させてその接合の一部に湾曲
部を設けて構成し、もつて前記パイロツトサイリ
スタの最小ゲートトリガ電流を前記電圧降服領域
の許容最大降服電流の1/2に設定したことを特徴
とするサイリスタ。 2 前記電圧降服領域は、光トリガ信号を照射で
きるようにした特許請求の範囲第1項記載のサイ
リスタ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58048139A JPS59172771A (ja) | 1983-03-23 | 1983-03-23 | サイリスタ |
| DE8383110486T DE3369234D1 (en) | 1982-11-15 | 1983-10-20 | Thyristor device protected from an overvoltage |
| EP83110486A EP0108961B1 (en) | 1982-11-15 | 1983-10-20 | Thyristor device protected from an overvoltage |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP58048139A JPS59172771A (ja) | 1983-03-23 | 1983-03-23 | サイリスタ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS59172771A JPS59172771A (ja) | 1984-09-29 |
| JPH027190B2 true JPH027190B2 (ja) | 1990-02-15 |
Family
ID=12795005
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58048139A Granted JPS59172771A (ja) | 1982-11-15 | 1983-03-23 | サイリスタ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS59172771A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3155797B2 (ja) * | 1991-12-26 | 2001-04-16 | 株式会社日立製作所 | 過電圧自己保護型半導体装置、及び、それを使用した半導体回路 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6016105B2 (ja) * | 1977-07-01 | 1985-04-23 | 日本インタ−ナシヨナル整流器株式会社 | 半導体制御整流素子 |
-
1983
- 1983-03-23 JP JP58048139A patent/JPS59172771A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS59172771A (ja) | 1984-09-29 |
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