JPH029460B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の利用分野） 本発明は光サイリスタに関するものであり、特
にdv／dt耐量を低下させることなしに、光点弧
感度を向上させることのできる光サイリスタに関
するものである。

（発明の背景） 第１図は、従来の光サイリスタ一つであるエミ
ツタ短絡型の光点弧型半導体制御整流装置の断面
構造を示している。

第１図において、半導体基体１には、例えばｐ
型導電性の第１エミツタ層p_E１１、ｎ型導電性の
第１ベース層n_B１２、ｐ型導電性の第２ベース層
p_B１３、およびｎ型導電性の第２エミツタ層n_E１
４が形成される。

前記各層は、一方の主表面から他方の主表面に
向つてp_E、n_B、p_B、n_Eの順に積層され、各層間に
pn接合J₁〜J₃が形成されている。また、前記第２
エミツタ層n_E１４の一部は、光照射領域１４Ｌと
されている。

一方の主表面（図示例の下側面）では、p_E層１
１がアノード電極２１に低抵抗接触している。他
方の主表面（上側面）には、n_E層１４，１４Ｌ
と、p_B層１３が共に露出してカソード電極２２，
２３および受光部カソード電極に低抵抗接触し、
これによつてPn接合J₃は短絡されている。

このような光サイリスタは、例えば光フアイバ
３０からの光３１でまず点弧する受光部サイリス
タである第１領域、受光部サイリスタの電流で点
弧し、さらに電流を増幅する補助サイリスタであ
る第２領域、および補助サイリスタまでの電流で
点弧する主サイリスタである第３領域からなる。

前記の各領域のうち、第２領域は省略すること
もでき、また第２領域と同等の構造を有する領域
を、第１領域と第２領域の間または第２領域と第
３領域の間に増やすことも可能である。

このような構造を採るのは、大電流を制御する
場合、初期点弧領域である光照射領域に大電流が
集中することを防ぎ、小電流のうちに、導通面積
を補助サイリスタから、さらに主サイリスタへと
広げ、これによつて、ジユール熱による素子破壊
を防ぐためである。

これにより、点弧感度を、受光部サイリスタ、
補助サイリスタ、主サイリスタの順に高くでき、
受光部サイリスタの高感度化を図ることができ
る。

本発明者等によつてなされた光による点弧現象
に関する研究の結果によれば、第１図に示すよう
な、n_E層１４Ｌを通して光を照射するような受光
部サイリスタをもつ光サイリスタでは、光によつ
て発生され、p_E層１１、n_B層１２およびp_B層１３
を通して主サイリスタのカソード電極２２へ流れ
る電流i_bのほかに、p_B層１３とn_E層１４Ｌ間のJ₃
接合による太陽電池効果によつて発生され、受光
部カソード電極２４を通つて流れる電流i_pがある
ことが分かつた。

これらの電流の和（i_b＋i_p）とp_B層１３の横方
向の抵抗Ｒにより、光照射領域下のn_E層・p_B層間
のJ₃接合に順方向の電圧｛（i_b＋i_p）×Ｒ｝が加わ
る。この電圧がJ₃接合のしきい値電圧より大きく
なると、n_E層１４Ｌより多量の電子が注入され、
アノード・カソード電極間に印加された電圧を阻
止していたJ₂接合の空乏層が消滅し、光サイリス
タは点弧する。

以上のようにして、光サイリスタが点弧すると
きの最少の光照射量を、最少点弧光入力P_GTと呼
ぶことにする。

ところで、第１図のような増幅ゲート構造とし
ても、4kV程度の阻止電圧をもつ光サイリスタで
は、最少点弧光入力P_GTが5mW程度である。そし
て、光サイリスタのターンオン時間を小さくする
には、さらに前記P_GTの５倍以上の光量が必要で
ある。

しかし、そのような大きな光量を、発光素子に
よつて安定して供給するのは難しく、P_GTを小さ
くすることが望まれている。P_GTを小さくするに
は、抵抗Ｒを大きくし、小さな（i_b＋i_p）の電流
でJ₃接合がしきい値電圧に達するようにすること
が考えられる。

しかしながら、抵抗Ｒを大きくすると、他の重
要な素子特性の１つであるdv／dt耐量が低下す
るので好ましくないという別の問題を生ずる。以
下に、dv／dt耐量について説明する。

第１図に示すような光サイリスタのアノード電
極２１に正、カソード電極２２に負の、急峻な立
ち上がりの電圧を加えると、接合J₂にi_bと同じよ
うな変位電流が流れる。

この変位電流と抵抗Ｒによつて、p_B層１３とn_E
層１４が順バイアスされる。それ故に、前記順バ
イアスの値がしきい値を超えると、n_E層１４を通
して光照射をしなくても、光サイリスタが誤点弧
してしまう。誤点弧しない電圧上昇率の限界値を
dv／dt耐量という。

以上をまとめると、P_GTを小さくするために抵
抗Ｒを大きくするとdv／dt耐量は低下するとい
う関係、つまり、P_GTとdv／dt耐量は二律背反の
関係にある。そこで、dv／dt耐量を損なうこと
なく、P_GTを小さくする手段の開発が望まれてい
る。

（発明の目的） 本発明の目的は、太陽電池効果により発生する
電流を制御することにより、dv／dt耐量を損う
ことなく、P_GTを低減することのできる高感度の
光サイリスタを提供することにある。

（発明の概要） 本発明の特徴は、太陽電池効果によつて、光照
射領域のp_B層およびn_E層間に生じる電流i_pの流通
路をせばめることによつて、電流i_pの分散を防ぎ
（換言すれば、電流i_pを集中させ）、電流密度を大
きくして最少点弧光入力P_GTを小さくするための
手段を具備したことにある。

次に、本発明の基本原理について、光サイリス
タを例に採つて詳しく述べる。

第２図は、第１図に示した光サイリスタをカソ
ード電極２２〜２４の側から見た平面図である。
光照射によつてp_E層１１、n_B層１２、p_B層１３に
生じた電流i_bは、図に示すように、第１領域（受
光部サイリスタ領域）からカソード電極２２の短
絡部に向つて放射状に、p_B層１３を流れる。

一方、p_B層１３およびn_E層１４Ｌの太陽電池効
果によつて生じる電流i_pは、光照射領域から受光
部カソード電極２４の短絡部に向つて、同様に放
射状に分散して流れるが、電極２４に到達した後
は、反対に、光照射領域に向つて集中するように
n_E層１４Ｌ内を流れる。

この電流i_pを損うことなく、その電流密度J_pを
大きくすることができれば、p_B層１３の電気伝導
率δが一定であつても、オームの法則（Ｅ＝J_p／
δ）により、光照射領域とカソード電極２４の短
絡部との間における電流i_pによる電界Ｅを大きく
できる。

その結果として、この間での電圧降下を大きく
でき、光感度を向上できる。一方、前記電流i_bの
流通路を変化させなければ、i_bに関係するdv／dt
耐量は変化しないはずである。

上述のように、電流i_bの流れを変えることな
く、電流i_pの電流密度を大きくすることができれ
ば、dv／dt耐量を損なうことなく光感度を向上
することができる。

本発明は、以上の考察に基づいてなされたもの
である。

（発明の実施例） 第３図は、本発明の一実施例である光サイリス
タの受光部サイリスタ（すなわち、第１領域）の
拡大平面図を示している。

受光部サイリスタのn_E層１４Ｌとp_B層１３と
は、カソード電極２４により、その一部のみが短
絡されている。

さらに詳細にいえば、第１、第２図の従来例で
は、受光部サイリスタのn_E層１４Ｌは、その輪郭
（または周縁）の全部において、カソード電極２
４によつて短絡されていたが、この実施例では、
その一部のみが短絡されている。

このような構造とすることで、受光部サイリス
タの電流i_bは、光照射領域から、負の電圧の印加
された主サイリスタのカソード電極２２に向つて
放射状に流れるが、太陽電池効果による電流i_p
は、p_B層１３内を、カソード電極２４に向つて集
中するように流れ、さらにn_E層１４Ｌを光照射領
域に向つて流れる。

その結果、i_pの電流密度が大きくなり、その分
だけp_B層１３での電流i_pによる電圧降下が大きく
なる。これにより、光照射領域下のn_E層１４Ｌと
p_B層１３を、より大きな電圧で順バイアスするの
で、光感度が向上する。

一方、dv／dt耐量に関係する電流i_bは、その流
れが変化しないので、dv／dt耐量を低下させる
ことはない。

本発明者らの実験によれば、この実施例によつ
てdv／dt耐量を損うことなく、光感度を約20％
向上することができた。

第４図は、本発明の他の実施例の、第３図と同
様の拡大平面図であり、n_E層１４Ｌを流れる電流
i_pの領域を制限するために、n_E層１４Ｌの一部を
除去した構造を示している。

n_E層は一般にキヤリア濃度が高く、抵抗が小さ
いので、n_E層での電圧降下は小さい。従つて、n_E
層１４Ｌとp_B層１３を順バイアスする効果も小さ
く、光感度の向上に対する寄与も少ない。

しかし、第４図のような構造を採り、電流i_pの
流通断面積を小さくすれば、n_E層１４Ｌでのi_pの
電流密度はさらに向上するので、n_E層１４Ｌの抵
抗は小さくとも、前記n_E層での電圧降下は大きく
なる。これにより、光感度をさらに向上すること
ができる。この場合、dv／dt耐量が低下しない
のは言うまでもない。

第５図は、本発明のさらに他の実施例を示す、
第３図と同様の拡大平面図である。

この実施例が、第３図の実施例と異なるのは、
n_E層１４Ｌとp_B層１３を部分的に短絡するカソー
ド電極２４の数（形成個所数）をさらに増やし
て、これらを光照射領域の周囲に均等に分散させ
た点にある。

このような構成および配置により、受光部サイ
リスタが点弧したときに、光照射領域下のp_B層１
３、n_E層１４Ｌ、カソード電極２４を流れる点弧
電流の分散を良くし、第１図に示した第２領域の
補助サイリスタを、円環状のn_E層下でほぼ同時に
点弧させることができる。その結果、点弧電流の
集中による素子破壊を防ぐことができる。

なお、カソード電極２４の数を増やしたことに
よつて、i_pの電流密度の低下が懸念されるが、カ
ソード電極２４の短絡幅を小さくすることで、電
流密度の低下を防ぐことができる。部分的に短絡
したカソード電極２４は、その数を、図示の３個
以上に、さらに増やすことも可能であることは言
うまでもない。

この実施例により、点弧時の点弧電流の集中に
よる素子破壊を防ぎながら、dv／dt耐量を損う
ことなく、光点弧の高感度化が可能である。

なお、以上では、第１領域（受光部サイリス
タ）の周囲に、第２領域（補助サイリスタ）およ
び第３領域（主サイリスタ）を順次形成した光サ
イリスタについて述べたが、前記第２領域は省略
することもできるし、あるいは２個以上の第２領
域を形成することもできることは、容易に理解さ
れるであろう。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、太陽電池効果による電流の、受光部サイリス
タのp_B層およびn_E層内での流通路（断面積）を制
限することによつて、光照領域下n_E層とp_B層とに
印加される順バイアスの値を大きくできるので、
光サイリスタなどの高感度化が可能である。

しかも、受光部サイリスタの周囲に形成された
サイリスタの点弧電流の集中は防止できるので、
dv／dt耐量の低下を惹起することもない。した
がつて、本発明によれば、光点弧感度の向上およ
びdv／dt耐量の低下防止を両立させることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の増幅ゲート型光サイリスタの断
面図、第２図は第１図をカソード面から見た光照
射領域の拡大平面図、第３図、第４図、第５図は
それぞれ本発明の実施例を示す、第２図と同様の
拡大平面図である。 １……半導体基体、１１……p_E層、１２……n_B
層、１３……p_B層、１４……n_E層、２１……アノ
ード電極、２２，２３……カソード電極、２４…
…受光部カソード電極、３１……光。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導電型を互いに異にする第１エミツタ領域、
   第１ベース領域、第２ベース領域および第２エミ
   ツタ領域が、前記順序で積層され、かつ隣接領域
   間にpn接合が形成されると共に、第２エミツタ
   領域および第２ベース領域がその一方主表面に露
   出し、さらに、前記第２エミツタ領域が少くとも
   光点弧信号を照射されるための第１部分およびそ
   れより大面積の第２部分に分割された半導体基体
   と、 前記半導体基体の他方主表面に露出する第１エ
   ミツタ領域に低抵抗接続されたアノード電極と、 前記第２エミツタ領域の第２部分に低抵抗接続
   されたカソード電極と、 前記第２エミツタ領域の第１部分が第２部分に
   対向する側において、前記第２エミツタ領域の第
   １部分を第２ベース領域に短絡する補助電極とを
   具備した光サイリスタにおいて、 前記補助電極を、前記第２エミツタ領域の第１
   部分および第２部分の対向個所に沿つて複数個に
   分割したことを特徴とする光サイリスタ。 ２ 前記第２エミツタ領域の第１部分が円形で、
   第２部分が前記第１部分を包囲するように形成さ
   れ、前記補助電極が、前記第２エミツタ領域の第
   １部分の周りにほぼ均等に分散配置されたことを
   特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の光サ
   イリスタ。