JPH0422367B2 - - Google Patents

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JPH0422367B2
JPH0422367B2 JP60000343A JP34385A JPH0422367B2 JP H0422367 B2 JPH0422367 B2 JP H0422367B2 JP 60000343 A JP60000343 A JP 60000343A JP 34385 A JP34385 A JP 34385A JP H0422367 B2 JPH0422367 B2 JP H0422367B2
Authority
JP
Japan
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transistor
base
collector
switch
current
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
JP60000343A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS61159821A (en
Inventor
Yasunobu Inabe
Masaaki Tanabe
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP60000343A priority Critical patent/JPS61159821A/en
Publication of JPS61159821A publication Critical patent/JPS61159821A/en
Publication of JPH0422367B2 publication Critical patent/JPH0422367B2/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、回路構成素子数の少ない半導体スイ
ツチ回路に関するものである。 (発明の概要) 本発明は等価的に第1の導電型の第1のトラン
ジスタと第2の導電型の第2のトランジスタのそ
れぞれのベースとコレクタとを接続して成る
PNPN構造の半導体スイツチと、第1の導電型
の第3と第4のトランジスタと、第2の導電型の
第5のトランジスタと、第1と第2の抵抗と、
PN接合を有する回路素子とを備え、前記第3と
第4のトランジスタのエミツタと、第1の抵抗の
一端と、PN接合を有する回路素子の一端とを接
続して、第1の主端子とし、前記第2と第5のト
ラジスタとエミツタと、第2の抵抗の一端とを接
続して、第2の主端子とし、前記第5のトランジ
スタのベースをゲート端子とし、前記第5のトラ
ンジスタのコレクタと、第3と第4のトランジス
タのベースとを接続し、前記第3のトランジスタ
のコレクタと、第2のトランジスタのベースと、
第2の抵抗の他端とを接続し、前記第1のトラン
ジスタのエミツタと第4のトランジスタのコレク
タと、第1の抵抗の他端とを接続し、前記第1の
トランジスタのベースと、PN接合を有する回路
素子の他端とを接続して構成することにより、回
路素子数が少く、かつ集積化した場合、チツプ上
の占有面積を小ならしめた半導体スイツチ回路で
ある。 (従来技術及び発明が解決しようとする問題点) 大電流または高電圧をオン/オフ制御する半導
体素子として、従来よりPNPN4層構造の半導体
スイツチ(以下、PNPNスイツチと略記する)
が、よく用いられている。第11図はこの種の従
来回路の第1の例を示すものであつて、図におい
て1はPNPNスイツチである。公知のように、
PNPNスイツチはPNPトランジスタ2とNPNト
ランジスタ3でもつて等価的に表わされる。ま
た、4,5および6はそれぞれスイツチ1の第1
の主端子、第2の主端子およびゲート端子であ
る。また抵抗7はトランジスタ2あるいは3のベ
ース・コレクタ接合の逆方向飽和電流で、スイツ
チ1が誤点弧するのを防止するためのものであ
る。 スイツチ1をオンにするには端子6を介して外
部よりゲート駆動電流IGを供給する。これによ
り、NPNトランジスタ3がオフからオンに転じ、
さらに、この結果PNPトランジスタ2がオンと
なり、従つてスイツチ1全体がターン・オンし、
主電流IFが流れる。しかしながら、第11図の構
成ではIG停止後も、いわゆる自己保持動作によ
り、IFが流れ続ける。スイツチ1をオフに転ずる
ためには外部的手段でもつてIFを切断することが
必要である。 第12図は上記の欠点を除去するために提案さ
れた第2の従来例である。すなわち、スイツチ1
をターンオフするには、ゲート駆動電流IGを停止
するとともに端子8を介してオフ駆動電流I O を、
NPNトランジスタ9のベースに供給する。これ
により、それまでPNPトランジスタ2のコレク
タ電流としてNPNトランジスタ3のベースに供
給されていたIFの一部は、トランジスタ9を通つ
て負電源10へと引き抜かれ、NPNトランジス
タ3はオフし、従つてスイツチ1はターンオフす
る。 第13図は第3の従来例であつて、第11図の
欠点を除去するために提案された他の例である。
すなわち、スイツチ1をターン・オフするには、
ゲート駆動電流IGを停止するとともに、端子8を
介してオフ駆動電流I O をNPNトランジスタ11
のベースへ供給する。これにより、NPNトラン
ジスタ3のベース・エミツタ間はトランジスタ1
1で短絡され、トランジスタ3はオフとなり、従
つて、スイツチ1はターンオフする。また第13
図は負電源がいらないという点では、第12図の
ものよりも優れている。 しかしながら、第12図と第13図に示したも
のはスイツチ1がオフ状態にある期間中も、オフ
駆動電流I O を流し続けなければならず、従つて
回路の消費電力が増大するという点で好ましくな
い。さらに、第13図のものはオフ期間中に、I
が、トラジスタ11のベース→エミツタ→端子
5の経路でもつて、主電流路に漏れ出るという欠
点がある。 第14図は第4の従来例であつて、上記のごと
き欠点を除去できるものである。第13図の構成
に、さらに、スイツチ1がオン状態にあることを
検出するためのNPNトランジスタ13と、検出
電流制限用の抵抗14を付加してある。 すなわち、スイツチ1をターンオフするには、
ゲート駆動電流IGを停止するとともに、オフ駆動
電流I O を端子8を介して、NPNトランジスタ1
1のベースへ供給する。これにより、NPNトラ
ンジスタ3のベース・エミツタ間が短絡されて、
トランジスタ3はオフし、スイツチ1はターン・
オフする。一方、スイツチ1がオンである間は、
トランジスタ13もオンであり、従つて端子12
を介して、オン検出電流ISが図の外部より流入し
ている。スイツチ1がターン・オフすると、
NPNトランジスタ13もオフに転じ、ISの流入
は停止する。このISの停止を図の外部の回路によ
り検知し、I O の供給を停止するのである。従つ
て、スイツチ1がターンオフした後はI O も停止
することができ、第12図と第13図の欠点が除
去できる。 しかしながら、第14図の場合には、図の外部
に、ISの停止を検知してI O を停止するための回
路が必要であるので、回路構成素子数が増加する
という欠点があつた。 (問題点を解決するための手段) 本発明は、上記の欠点を除去するために提案さ
れたもので、PNPNスイツチのいわゆる保持特
性を利用することにより、ゲート駆動電流の停止
後に、PNPNスイツチが自動的にターン・オン
するようにした半導体スイツチ回路を提供するこ
とを目的とする。 次に本発明の実施例を説明する。なお実施例は
一つの例示であつて、本発明の精神を逸脱しない
範囲で、種々の変更あるいは改良を行いうること
は言うまでもない。 第1図は、本発明の半導体スイツチ回路の第1
の実施例を示す。 図において、1は等価的に第1の導電型すなわ
ちPNP型の第1のトランジスタ2と、第2の導
電型NPN型の第2のトランジスタ3のそれぞれ
のベースとコレクタとを接続してなるPNPN構
造の半導体スイツチを示す。また17,18は
夫々PNP型の第3及び第4のトランジスタ、1
9はNPN型の第5のトランジスタであり、4は
第1の端子、5は第2の主端子、6はゲート端子
を示す。しかして、第3、第4のトランジスタ1
7,18のエミツタと、第1の抵抗15の一方の
端子と、PN結合を有する回路素子すなわちダイ
オード16の一端を夫々第1の主端子4に接続
し、第2、第5のトランジスタ3,19のエミツ
タと、第2の抵抗7の一方の端子とを第2の主端
子5に接続する。第5のトランジスタ19のベー
スをゲート端子6に接続し、コレクタをトンラジ
スタ17,18のベースに接続し、トランジスタ
17のコレクタをトランジスタ3のベースと抵抗
7の他方の端子に接続し、トランジスタ2のエミ
ツタとトランジスタ18のコレクタと抵抗15の
他方の端子とを接続し、トランジスタ2のベース
とダイオード16の他端とを接続して構成されて
いる。 次に動作について説明する。 PNPNスイツチ1をターンオンするには、端
子6を介してNPNトランジスタ19のベースに、
ゲート駆動電流IGを供給する。これによりトラン
ジスタ19がオンし、19のコレクタ電流として
PNPトランジスタ17と18のベース電流も流
れるので、トランジスタ17と18もオンとな
る。この結果、トランジスタ17のコレクタ電流
が、NPNトランジスタ3のベースに流入し、ト
ランジスタ3がオンとなる。 一方、トランジスタ18もオンとなるので、抵
抗15は短絡され、トランジスタ2のベース・エ
ミツタ間導通電圧と、トランジスタ18のコレク
タ・エミツタ間飽和電圧の和は、ダイオード16
の導通電圧とほぼ等しくなり、(もつと厳密に言
えば、トランジスタ18がオンとなることによ
り、トランジスタ2のエミツタの電位が主端子4
の電位まで引き上げられる。一方、トランジスタ
3のコレクタ電流はダイオード16を流れるので
主端子4とトランジスタ3のコレクタとの間に
は、PN接合1段分の導通電圧が発生する。従つ
てPNPトランジスタ2のベース・エミツタ間の
導通が可能となり、トランジスタ3のコレクタ電
流の一部がトランジスタ2のベース電流となつて
流れることにより)トランジスタ2がオンし、ス
イツチ1全体がオン状態となり、図の外部の主電
流経路の条件によつて決まる主電流IFが流れる。 スイツチ1をターン・オフするには、ゲート駆
動電流IGの供給を停止する。するとトランジスタ
17〜19がすべてオフとなる。トランジスタ1
8がオフとなつた後の抵抗15を流れる電流を
IR1とすると次式が成立する。 IR1・R15+kT/qln(IR1/ISP)=kT/
qln{(IF−IR1)/ISD}……(1) ただし R15…15の抵抗値 q…電気素量 k……ボルツマン定数 ISP…2のベース・エミツタ接合の逆方向飽和電
流 ISD…ダイオード16のPN接合の逆方向飽和電流 IR1はトランジスタ2のエミツタ電流でもある
が、IR1がスイツチ1のいわゆる保持電流値IHより
も小さければ、スイツチ1はオン状態を維持する
ことができなくなつて、ターンオフするのであ
る。ここで、IHは次式で与えられる。 IH=VBEN/(αP・R7) ……(2) ただし VBEN…NPNトランジスタ3のベース・エミツタ
間導通電圧 αP…PNPトランジスタ2のベース接地電流増幅
率 R7…7の抵抗値 さて、(1)式において、IFとIR1の大小関係につい
てみると、IR1の経路には電流制限抵抗15が挿
入されているので、通常、IR1はIFよりも1〜3桁
小さい。従つて、ISPとISDを等しく設定すれば、
(これは、1チツプに集積化した場合には、PNP
トランジスタ2のベース・エミツタ接合面積と、
ダイオード16のPN接合面積を等しくすること
により、容易に実現することができる。) IR1kT/q・R15ln(IF/IR1) ……(3) 一方、(2)において、0<αP<1であるので、 IH>VBEN/R7 ……(4) 従つてスイツチ1がターンオフするためには、
以下の条件を満たせば充分である。 VBEN/R7>IR1 ……(5) かつIR1=kT/q・R15ln(IF/IR1) 通常kT/q30mV、VBEN800mV であるので、たとえば、IF=100mVに対してR5
=R7=5KΩに設定すれば、(5)式は満たされる。 第2図は、本発明の第2の実施例であつて、第
1図のPNPトランジスタ17と18を、マルチ
コレクタ・トランジスタ20で構成したものであ
る。集積化した場合には、トランジスタ20を第
7図に示すように、いわゆるラテラル構造とする
ことにより、実現することができる。ただし第7
図において34は分離領域、35はN形領域、3
6〜38はP形領域であり、39はベース端子、
40は第1のコレクタ端子、41はエミツタ端
子、42は第2のコレクタ端子である。また、4
3は主表面である。第2図のターンオン/ターン
オフ動作は第1図と同じであるので説明を省略す
る。 第3図は、本発明の第3の実施例であつて、第
2図のダイオード16の代わりに、2個直列に接
続したダイオード16,21を用いたものであ
る。 第3図において、スイツチ1をオンにするに
は、端子6を介してゲート駆動電流IGを供給す
る。これによりトランジスタ19と20がオンと
なり、トランジスタ20の第1のコレクタを経由
してNPNトランジスタ3のベースに電流が供給
され、トランジスタ3がオンとなり、コレクタ電
流がダイオード16と21を流れる。これによ
り、PNPトランジスタ2のベースと第1の主端
子4との間の電位差はPN接合2段分の導通電圧
と等しくなる。一方、トランジスタ20がオンと
なつているので、トランジスタ20の第2のコレ
クタの電圧は、最初第1の主端子と同電位まで引
き上げられる。従つて、PNPトランジスタ2の
ベース・エミツタ接合が導通可能となり、トラン
ジスタ3のコレクタ電流の一部がトランジスタ2
のベース電流となつて分流し、PNPトランジス
タ2がオンとなる。この結果、スイツチ1全体が
オンとなる。 スイツチ1をターンオフするには、まず、ゲー
ト駆動電流IGの供給を停止する。するとトランジ
スタ19と20がオフとなる。トランジスタ20
がオフとなつた後の、抵抗15を流れる電流の
IR2とすると次式が成立する。 IR2・R15+VBEP=2VD ……(6) ただし、 VBEP…2のベース・エミツタ間導通電圧 VD…16,21の導通電圧 ここで、VBEPVD800mVであるから IR2VD/R15 ……(7) となる。IR2がスイツチ1の保持電流IHよりも小さ
ければ、スイツチ1はターンオフする。従つて(4)
式と(7)式より、スイツチ1がターンオフするため
の条件は次式となる。 R15/R17>VD/VBEN1……(8) 従つて、たとえば、R15=2・R7と設定するこ
とにより、式(8)は容易に満足され得る。 第4図は、本発明の第4の実施例であつて、第
2図のダイオード16に抵抗22を直列に挿入し
たものである。 第4図において、スイツチ1をオンにするに
は、端子6を介してゲート駆動電流IGを供給す
る。すると、トランジスタ19と20がオンとな
り、トランジスタ20の第1のコレクタを経由し
てNPNトランジスタ3のベースに電流が供給さ
れ、トランジスタ3がオンとなり、トランジスタ
3のコレクタ電流が、ダイオード16と抵抗22
を流れる。これにより、PNPトランジスタ2の
ベースと第1の主端子4との間の電位差はダイオ
ード16のPN接合1段分の導通電圧と、抵抗2
2における電圧降下との和に等しくなる。一方、
トランジスタ20がオンとなつているので、トラ
ンジスタ20のコレクタの電位は、最初、第1の
主端子4と同じ電位まで上昇する。従つて、トラ
ンジスタ2のベース・エミツタ接合が導通可能と
なり、トランジスタ3のコレクタ電流の一部がト
ランジスタ2のベース電流となつて分流し、トラ
ンジスタ2がオンとなる。この結果、スイツチ1
全体がオンとなる。 スイツチ1をターンオフするには、まず、ゲー
ト駆動電流IGの供給を停止する。これによりトラ
ンジスタ19と20がオフとなる。トランジスタ
20がオフとなつた後の、抵抗15を流れる電流
をIR3とすると次式が成立する。 IR3・R15+VBEP=(IF−IR3)・R22+VD ……(9) ただし、R22…抵抗22の値。 VBEPVD800mVであるので、(9)式より、 IR3=R22/R15+R22・IF ……(10) IR3が、スイツチ1の保持電流IHよりも小さけれ
ば、スイツチ1はターン・オフする。従つて(4)式
と(10)式よりスイツチがターンオフする条件は、次
式となる。 R15+R22/R17・R22>IF/VBEN ……(11) たとえば、IF=100mAのときであれば、(VBEN
800mVであるから)R7=5KΩ、R15=10KΩ、
R22=10Ωに設定すれば、(11)式を満足する。 第5図は本発明の第5の実施例であつて、第2
図のダイオード16をPNPトランジスタ23で
置換したものである。この回路の利点は、主電流
IFの一部をPNPトランジスタ23のコレクタ電流
としてバイパスするため、その分だけスイツチ1
の電流容量が小さくてすみ、スイツチサイズ(集
積化した場合には、チツプ上の占有面積)を小さ
くすることができることにある。 第5図のターンオン/オフ動作については第2
図のものと同じであるので、説明を省略する。
((第2図の説明文中で、「ISD」を「ISP′」(23の
ベース・エミツタ接合の逆方向飽和電流)に置き
換え、「16のPN接合面積」を「23のベー
ス・エミツタ接合面積」に置き換えればよい。)) 第6図は、本発明の第6の実施例であつて、第
2図のスイツチ回路を双方向で使用できるように
したものである。 第6図で29はマルチエミツタ・マルチコレク
タ・PNPトランジスタであり、第8図は集積化
した場合のその模擬的な断面形状である。第8図
で43は主表面、34は分離領域、44はN形領
域、45〜49はP形領域である。また50はベ
ース端子、51は第1コレクタ端子、53は第2
コレクタ端子、52は第1エミツタ端子、54は
第2エミツタ端子であつて、第8図の50〜54
はそれぞれ第6図中の50〜54に対応する。第
9図は29の他の実施例であつて、55はN形領
域、56〜59はP形領域である。50〜54は
第8図の50〜54と同じである。第8図と第9
図を比べた場合、第8図の利点は第1エミツタか
ら第1および第2コレクタに到る電流伝達特性
(電流増幅率)を同一にできるとともに、第2エ
ミツタから第1および第2コレクタに到る電流伝
達特性を同一にすることができるということであ
る。(第9図の構成では、第1エミツタ52から
第1コレクタ51への電流増幅率の方が、第2コ
レクタ53への電流増幅率より大きい。)一方、
第9図の利点はトランジスタ29のサイズを小さ
くできることである。 また、第6図で30はNPNトランジスタ31
と32のコレクタ領域を共通化したものであり、
集積化したときの模擬的断面形状を第10図に示
す。第10図で、60と63,64はN形領域、
61と62はP形領域である。また、65はコレ
クタ端子、67は第1ベース端子、68は第2ベ
ース端子、66は第1エミツタ端子、69は第2
エミツタ端子であつて、それぞれ第6図中の65
〜69に対応する。 また第10図で、62,60,61はそれぞれ
ラテラル形PNPトランジスタ26のエミツタ、
ベース、コレクタとしても動作することができ
る。すなわち、第6図の30は第2図のPNPN
スイツチ1にN形エミツタ領域64が付加された
ものと等価である。(第1主端子4が第2主端子
5よりも高電位である状態でスイツチ30がオン
となつたとき、N形エミツタ64とP形ベース6
2は逆バイアスされるので、第6図の30は第2
図の1と電気的に等価である。) 第6図のターンオン/オフ動作を、第1主端子
が第2主端子よりも高電位である場合について説
明する。第2主端子の方が高電位にある場合に
は、第6図の回路要素の上下対称の位置関係にあ
るものを入れ替えて考えればよいので、説明を省
略する。 まず、スイツチ30をターンオンするには端子
6を介してゲート駆動電流IGを供給する。すると
IGの一部はダイオード25を通つてNPNトラン
ジスタ28のベースに流入し、トランジスタ28
はオンとなる。(トランジスタ28がオンとなる
のでIGの残りの分はダイオード24→NPNトラ
ンジスタ27のベース→コレクタ→28のコレク
タの経路でもつて、トランジスタ28のコレクタ
電流の一部となつて流れる。) これにより、PNPトランジスタ29がオンと
なり図の外部から第1主端子を介して電流が第1
エミツタ52に流入し、その一部は第1コレクタ
51を通つてNPNトランジスタ32のベースに
到達し、トランジスタ32がオンとなる。従つ
て、トランジスタ32のコレクタ電流がダイオー
ド16を流れるので、PNPトランジスタ26の
ベースと第1主端子4との間の電位差はPN接合
1段分の導通電圧と等しくなる。一方、トランジ
スタ29の第2コレクタ53によりトランジスタ
26のエミツタの電位は第1主端子4の電位まで
引き上げられる。これによりトランジスタ26の
ベース・エミツタ接合が導通可能となり、トラン
ジスタ32のコレクタ電流の一部がトランジスタ
26のベース電流となり、トランジスタ26がオ
ンし、この結果、スイツチ30全体がターン・オ
ンする。 スイツチ30をターン・オンするには、まず、
ゲート電流IGの供給を停止し、トランジスタ28
と29をオフにする。このとき第2図について説
明したのと同様に動作する。(26→2,32→
3に置き換える。)なおスイツチ30がターン・
オフするための条件は、式(5)で与えられる。 (発明の効果) 以上説明したように、本発明によれば、
PNPNスイツチがターンオフさせるのに、オフ
駆動用の回路が不要であるので、従来回路と比べ
て回路素子数が少なくて済み、特に集積化した場
合には、チツプ上の占有面積が小さくなるという
効果がある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Field of Industrial Application) The present invention relates to a semiconductor switch circuit with a small number of circuit elements. (Summary of the Invention) The present invention is equivalent to connecting the base and collector of a first transistor of a first conductivity type and a second transistor of a second conductivity type.
a semiconductor switch with a PNPN structure, third and fourth transistors of a first conductivity type, a fifth transistor of a second conductivity type, and first and second resistors;
a circuit element having a PN junction, and connecting the emitters of the third and fourth transistors, one end of the first resistor, and one end of the circuit element having the PN junction to form a first main terminal. , the second and fifth transistors and emitters are connected to one end of a second resistor to form a second main terminal, the base of the fifth transistor is used as a gate terminal, and the fifth transistor a collector and a base of a third and a fourth transistor are connected; a collector of the third transistor and a base of the second transistor;
The emitter of the first transistor and the collector of the fourth transistor are connected to the other end of the first resistor, and the base of the first transistor and the PN By connecting the other end of a circuit element having a junction, the semiconductor switch circuit has a small number of circuit elements, and when integrated, it occupies a small area on a chip. (Prior art and problems to be solved by the invention) A semiconductor switch with a PNPN four-layer structure (hereinafter abbreviated as a PNPN switch) has conventionally been used as a semiconductor element for on/off control of large current or high voltage.
is often used. FIG. 11 shows a first example of this type of conventional circuit, and in the figure, numeral 1 is a PNPN switch. As is known,
The PNPN switch is equivalently represented by PNP transistor 2 and NPN transistor 3. Further, 4, 5 and 6 are respectively the first
A main terminal, a second main terminal and a gate terminal. Further, the resistor 7 is used to prevent the switch 1 from being erroneously turned on due to the reverse saturation current of the base-collector junction of the transistor 2 or 3. To turn on switch 1, a gate drive current I G is supplied from the outside via terminal 6. As a result, NPN transistor 3 turns from off to on,
Furthermore, this turns on PNP transistor 2 and therefore the entire switch 1,
Main current IF flows. However, in the configuration shown in FIG. 11, even after IG is stopped, IF continues to flow due to a so-called self-holding operation. In order to turn switch 1 off, it is necessary to disconnect IF by external means. FIG. 12 shows a second conventional example proposed to eliminate the above-mentioned drawbacks. In other words, switch 1
To turn off the gate drive current I G and turn off the drive current I O through terminal 8,
Supplied to the base of NPN transistor 9. As a result, a part of I F that had been supplied to the base of NPN transistor 3 as the collector current of PNP transistor 2 is drawn out to negative power supply 10 through transistor 9, turning off NPN transistor 3 and Then switch 1 is turned off. FIG. 13 is a third conventional example, which is another example proposed to eliminate the drawbacks of FIG. 11.
That is, to turn off switch 1,
While stopping the gate drive current IG , the off-drive current IO is connected to the NPN transistor 11 via the terminal 8.
supply to the base of As a result, transistor 1 is connected between the base and emitter of NPN transistor 3.
1, transistor 3 is turned off and therefore switch 1 is turned off. Also the 13th
The diagram shown in FIG. 12 is superior to the one shown in FIG. 12 in that it does not require a negative power supply. However, the circuits shown in FIGS. 12 and 13 have the disadvantage that the off-drive current I O must continue to flow even during the period when switch 1 is in the off state, which increases the power consumption of the circuit. Undesirable. Furthermore, in the case of FIG. 13, during the off period, I
There is a drawback that O leaks into the main current path even in the path from the base of the transistor 11 to the emitter to the terminal 5. FIG. 14 shows a fourth conventional example, which can eliminate the above-mentioned drawbacks. In addition to the configuration shown in FIG. 13, an NPN transistor 13 for detecting that the switch 1 is in the on state and a resistor 14 for limiting the detection current are added. That is, to turn off switch 1,
The gate drive current I G is stopped, and the off drive current I O is connected to the NPN transistor 1 through the terminal 8.
Supply to the base of 1. As a result, the base and emitter of NPN transistor 3 are short-circuited,
Transistor 3 turns off and switch 1 turns on.
Turn off. On the other hand, while switch 1 is on,
Transistor 13 is also on, so terminal 12
The on-detection current I S flows in from outside the figure through . When switch 1 turns off,
The NPN transistor 13 also turns off, and the inflow of IS stops. This stoppage of I S is detected by the external circuit shown in the figure, and the supply of I O is stopped. Therefore, I O can also be stopped after switch 1 is turned off, and the drawbacks of FIGS. 12 and 13 can be eliminated. However, in the case of FIG. 14, a circuit for detecting the stoppage of I S and stopping I O is required outside the figure, so there is a drawback that the number of circuit components increases. (Means for Solving the Problems) The present invention has been proposed to eliminate the above-mentioned drawbacks, and by utilizing the so-called retention characteristic of the PNPN switch, the PNPN switch is activated after the gate drive current is stopped. An object of the present invention is to provide a semiconductor switch circuit that automatically turns on. Next, embodiments of the present invention will be described. It should be noted that the embodiments are merely illustrative, and it goes without saying that various changes and improvements can be made without departing from the spirit of the present invention. FIG. 1 shows the first part of the semiconductor switch circuit of the present invention.
An example is shown below. In the figure, 1 is equivalently a PNPN formed by connecting the base and collector of a first transistor 2 of the first conductivity type, that is, PNP type, and a second transistor 3 of the second conductivity type, NPN type. The structure of a semiconductor switch is shown. Further, 17 and 18 are PNP type third and fourth transistors, respectively;
9 is an NPN type fifth transistor, 4 is a first terminal, 5 is a second main terminal, and 6 is a gate terminal. Therefore, the third and fourth transistors 1
The emitters of transistors 7 and 18, one terminal of the first resistor 15, and one end of a circuit element having PN coupling, that is, a diode 16, are connected to the first main terminal 4, respectively, and the second and fifth transistors 3, The emitter 19 and one terminal of the second resistor 7 are connected to the second main terminal 5. The base of the fifth transistor 19 is connected to the gate terminal 6, the collector is connected to the bases of the transistors 17 and 18, the collector of the transistor 17 is connected to the base of the transistor 3 and the other terminal of the resistor 7, and the collector of the fifth transistor 19 is connected to the base of the transistor 3 and the other terminal of the resistor 7. The emitter is connected to the collector of the transistor 18 and the other terminal of the resistor 15, and the base of the transistor 2 is connected to the other end of the diode 16. Next, the operation will be explained. To turn on the PNPN switch 1, connect the base of the NPN transistor 19 via the terminal 6 to the
Provides gate drive current I G. This turns on the transistor 19, and the collector current of 19 is
Since the base currents of PNP transistors 17 and 18 also flow, transistors 17 and 18 are also turned on. As a result, the collector current of transistor 17 flows into the base of NPN transistor 3, turning transistor 3 on. On the other hand, since the transistor 18 is also turned on, the resistor 15 is short-circuited, and the sum of the conduction voltage between the base and emitter of the transistor 2 and the saturation voltage between the collector and emitter of the transistor 18 is the same as that of the diode 16.
(Strictly speaking, when transistor 18 is turned on, the potential of the emitter of transistor 2 becomes almost equal to the conduction voltage of main terminal 4.
The potential is raised to . On the other hand, since the collector current of the transistor 3 flows through the diode 16, a conduction voltage equivalent to one stage of the PN junction is generated between the main terminal 4 and the collector of the transistor 3. Therefore, conduction between the base and emitter of PNP transistor 2 becomes possible, and part of the collector current of transistor 3 flows as the base current of transistor 2), which turns on transistor 2 and turns on the entire switch 1. , a main current I F that is determined by the conditions of the main current path outside the figure flows. To turn off switch 1, the supply of gate drive current I G is stopped. Then, all transistors 17-19 are turned off. transistor 1
The current flowing through resistor 15 after resistor 8 is turned off is
When I R1 , the following formula holds true. I R1・R 15 +kT/qln (I R1 /I SP )=kT/
qln {(I F −I R1 )/I SD }...(1) where R 15 ...Resistance value of 15 q...Elementary charge k...Boltzmann constant I SP ...Reverse direction saturation current of base-emitter junction of 2 I SD ...Reverse saturation current of the PN junction of diode 16 I R1 is also the emitter current of transistor 2, but if I R1 is smaller than the so-called holding current value I H of switch 1, switch 1 remains on. When they become unable to do so, they turn off. Here, I H is given by the following formula. I H = V BEN / (α P・R 7 ) ...(2) However, V BEN ... Base-emitter conduction voltage of NPN transistor 3 α P ... Common base current amplification factor R 7 of PNP transistor 2 ... Resistance of 7 Value Now, looking at the magnitude relationship between I F and I R1 in equation (1), since a current limiting resistor 15 is inserted in the path of I R1 , I R1 is usually 1 to 3 times larger than I F. An order of magnitude smaller. Therefore, if I SP and I SD are set equal,
(This is PNP when integrated on one chip.
The base-emitter junction area of transistor 2,
This can be easily achieved by making the PN junction areas of the diodes 16 equal. ) I R1 kT/q・R 15 ln(I F /I R1 ) ...(3) On the other hand, in (2), since 0 < α P < 1, I H > V BEN /R 7 ...( 4) Therefore, in order for switch 1 to turn off,
It is sufficient if the following conditions are met. V BEN /R 7 > I R1 ...(5) and I R1 = kT/q・R 15 ln (I F /I R1 ) Normally kT/q is 30 mV and V BEN is 800 mV, so for example, if I F = 100 mV, Against R 5
By setting = R 7 = 5KΩ, equation (5) is satisfied. FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention, in which the PNP transistors 17 and 18 of FIG. 1 are constructed with a multi-collector transistor 20. In the case of integration, it can be realized by forming the transistor 20 into a so-called lateral structure as shown in FIG. However, the seventh
In the figure, 34 is a separation region, 35 is an N-type region, and 3
6 to 38 are P-type regions, 39 is a base terminal,
40 is a first collector terminal, 41 is an emitter terminal, and 42 is a second collector terminal. Also, 4
3 is the main surface. The turn-on/turn-off operation in FIG. 2 is the same as that in FIG. 1, so a description thereof will be omitted. FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention, in which two diodes 16 and 21 connected in series are used in place of the diode 16 in FIG. 2. In FIG. 3, to turn on switch 1, a gate drive current I G is applied via terminal 6. In FIG. This turns on transistors 19 and 20, and current is supplied to the base of NPN transistor 3 via the first collector of transistor 20, turning on transistor 3 and causing collector current to flow through diodes 16 and 21. As a result, the potential difference between the base of the PNP transistor 2 and the first main terminal 4 becomes equal to the conduction voltage of two stages of PN junctions. On the other hand, since the transistor 20 is on, the voltage at the second collector of the transistor 20 is initially raised to the same potential as the first main terminal. Therefore, the base-emitter junction of PNP transistor 2 becomes conductive, and part of the collector current of transistor 3 flows through transistor 2.
The base current becomes the base current and is shunted, and the PNP transistor 2 is turned on. As a result, the entire switch 1 is turned on. To turn off the switch 1, first, the supply of the gate drive current IG is stopped. Then transistors 19 and 20 are turned off. transistor 20
of the current flowing through the resistor 15 after it turns off.
If I R2 , the following formula holds true. I R2・R 15 +V BEP = 2V D ...(6) However, V BEP ...2's base-emitter conduction voltage V D ...16, 21's conduction voltage Here, V BEP V D is 800 mV, so I R2 V D /R 15 ...(7). If I R2 is less than the holding current I H of switch 1, switch 1 is turned off. Therefore(4)
From equations and equations (7), the conditions for turning off switch 1 are as follows. R 15 /R 17 >V D /V BEN 1 (8) Therefore, by setting R 15 =2·R 7 , for example, equation (8) can be easily satisfied. FIG. 4 shows a fourth embodiment of the present invention, in which a resistor 22 is inserted in series with the diode 16 of FIG. In FIG. 4, to turn on switch 1, a gate drive current I G is applied via terminal 6. In FIG. Then, transistors 19 and 20 are turned on, current is supplied to the base of NPN transistor 3 via the first collector of transistor 20, transistor 3 is turned on, and the collector current of transistor 3 is passed through diode 16 and resistor 22.
flows. As a result, the potential difference between the base of the PNP transistor 2 and the first main terminal 4 is equal to the conduction voltage of one stage of the PN junction of the diode 16 and the conduction voltage of the resistor 2.
It is equal to the sum of the voltage drop at 2. on the other hand,
Since the transistor 20 is on, the potential at the collector of the transistor 20 initially rises to the same potential as the first main terminal 4. Therefore, the base-emitter junction of transistor 2 becomes conductive, and part of the collector current of transistor 3 becomes the base current of transistor 2 and is shunted, turning transistor 2 on. As a result, switch 1
The whole thing turns on. To turn off the switch 1, first, the supply of the gate drive current IG is stopped. This turns off transistors 19 and 20. When the current flowing through the resistor 15 after the transistor 20 is turned off is I R3 , the following equation holds true. I R3・R 15 +V BEP = (I F −I R3 )・R 22 +V D ...(9) However, R 22 ...value of resistor 22. Since V BEP V D is 800 mV, from equation (9), I R3 = R 22 / R 15 + R 22 · I F ... (10) If I R3 is smaller than the holding current I H of switch 1, the switch 1 turns off. Therefore, from equations (4) and (10), the conditions for turning off the switch are as follows. R 15 +R 22 /R 17・R 22 > I F /V BEN ...... (11) For example, when I F = 100mA, (V BEN
800mV) R 7 = 5KΩ, R 15 = 10KΩ,
If R 22 is set to 10Ω, equation (11) is satisfied. FIG. 5 shows a fifth embodiment of the present invention, and shows a second embodiment of the present invention.
The diode 16 shown in the figure is replaced with a PNP transistor 23. The advantage of this circuit is that the main current
In order to bypass a part of I F as the collector current of the PNP transistor 23, the switch 1
The current capacity of the switch is small, and the switch size (the area occupied on the chip when integrated) can be reduced. Regarding the turn-on/off operation in Fig. 5, please refer to the second
Since it is the same as the one shown in the figure, the explanation will be omitted.
((In the explanatory text of Figure 2, "I SD " is replaced with "I SP '" (reverse saturation current of the base-emitter junction of 23), and "PN junction area of 16" is replaced with "base-emitter junction area of 23"). )) FIG. 6 shows a sixth embodiment of the present invention, in which the switch circuit of FIG. 2 can be used in both directions. In FIG. 6, 29 is a multi-emitter/multi-collector/PNP transistor, and FIG. 8 shows a simulated cross-sectional shape of the multi-emitter multi-collector PNP transistor. In FIG. 8, 43 is a main surface, 34 is a separation region, 44 is an N-type region, and 45 to 49 are P-type regions. Further, 50 is a base terminal, 51 is a first collector terminal, and 53 is a second collector terminal.
A collector terminal, 52 is a first emitter terminal, 54 is a second emitter terminal, and 50 to 54 in FIG.
correspond to 50 to 54 in FIG. 6, respectively. FIG. 9 shows another embodiment of 29, in which 55 is an N-type region and 56 to 59 are P-type regions. 50-54 are the same as 50-54 in FIG. Figures 8 and 9
When comparing the figures, the advantage of Fig. 8 is that the current transfer characteristics (current amplification factor) from the first emitter to the first and second collectors can be made the same, and the current transfer characteristics (current amplification factor) from the second emitter to the first and second collectors can be made the same. This means that all current transfer characteristics can be made the same. (In the configuration of FIG. 9, the current amplification factor from the first emitter 52 to the first collector 51 is larger than the current amplification factor to the second collector 53.) On the other hand,
The advantage of FIG. 9 is that the size of transistor 29 can be reduced. Also, in Fig. 6, 30 is an NPN transistor 31
and 32 collector areas are shared,
FIG. 10 shows a simulated cross-sectional shape when integrated. In Fig. 10, 60, 63, and 64 are N-type regions;
61 and 62 are P-type regions. Further, 65 is a collector terminal, 67 is a first base terminal, 68 is a second base terminal, 66 is a first emitter terminal, and 69 is a second
These are emitter terminals, respectively 65 in Figure 6.
Corresponds to ~69. In FIG. 10, 62, 60, and 61 are the emitters of the lateral PNP transistor 26, respectively.
It can also work as a base and collector. In other words, 30 in Figure 6 is PNPN in Figure 2.
This is equivalent to the switch 1 with an N-type emitter region 64 added. (When the switch 30 is turned on with the first main terminal 4 at a higher potential than the second main terminal 5, the N-type emitter 64 and the P-type base 6
2 is reverse biased, so 30 in FIG.
It is electrically equivalent to 1 in the figure. ) The turn-on/off operation shown in FIG. 6 will be explained in the case where the first main terminal has a higher potential than the second main terminal. If the second main terminal is at a higher potential, the circuit elements in FIG. 6, which are vertically symmetrical in position, can be replaced and the explanation will be omitted. First, to turn on the switch 30, a gate drive current I G is applied via the terminal 6. Then
A portion of I G flows into the base of the NPN transistor 28 through the diode 25, and flows into the base of the NPN transistor 28.
is turned on. (Since the transistor 28 is turned on, the remaining I G flows through the path of the diode 24 → the base of the NPN transistor 27 → the collector → the collector of the transistor 28, and becomes part of the collector current of the transistor 28.) , the PNP transistor 29 turns on and current flows from the outside of the figure through the first main terminal.
A part of it flows into the emitter 52 and reaches the base of the NPN transistor 32 through the first collector 51, turning on the transistor 32. Therefore, since the collector current of the transistor 32 flows through the diode 16, the potential difference between the base of the PNP transistor 26 and the first main terminal 4 becomes equal to the conduction voltage of one stage of the PN junction. On the other hand, the potential of the emitter of the transistor 26 is raised to the potential of the first main terminal 4 by the second collector 53 of the transistor 29 . This enables the base-emitter junction of transistor 26 to conduct, causing a portion of the collector current of transistor 32 to become the base current of transistor 26, turning transistor 26 on, thereby turning on the entire switch 30. To turn on the switch 30, first
The supply of gate current I G is stopped, and the transistor 28
and turn off 29. At this time, the operation is similar to that described with reference to FIG. (26→2,32→
Replace with 3. ) Note that switch 30 is turned
The condition for turning off is given by equation (5). (Effects of the Invention) As explained above, according to the present invention,
Since the PNPN switch does not require an off-driving circuit to turn off, the number of circuit elements is reduced compared to conventional circuits, and especially when integrated, the area occupied on the chip is reduced. There is.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図乃至第6図は本発明の半導体スイツチ回
路の実施例、第7図乃至第10図は本発明に適用
できるトランジスタの模擬的な断面形状を示す
図、第11図乃至第14図は従来のPNPNスイ
ツチの回路図を示す。 1……スイツチ、4,5,6,8,12,39
〜42,50〜54,65〜69……端子、2,
3,9,11,13,17,18,19,20,
23,26,27,28,29,30,31,3
2……トランジスタ、7,14,15,22……
抵抗、16,21,24,25,33……ダイオ
ード、10……電圧源。
1 to 6 are examples of semiconductor switch circuits of the present invention, FIGS. 7 to 10 are diagrams showing simulated cross-sectional shapes of transistors applicable to the present invention, and FIGS. 11 to 14 are A circuit diagram of a conventional PNPN switch is shown. 1...Switch, 4, 5, 6, 8, 12, 39
~42,50~54,65~69... terminal, 2,
3, 9, 11, 13, 17, 18, 19, 20,
23, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 3
2...transistor, 7, 14, 15, 22...
Resistor, 16, 21, 24, 25, 33...diode, 10... voltage source.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 等価的に第1の導電型の第1のトランジスタ
と第2の導電型の第2のトランジスタのそれぞれ
のベースとコレクタとを接続して成るPNPN構
造の半導体スイツチと、第1の導電型の第3と第
4のトランジスタと、第2の導電型の第5のトラ
ンジスタと、第1と第2の抵抗と、PN接合を有
する回路素子とを備え、前記第3と第4のトラン
ジスタのエミツタと、第1の抵抗の一端と、PN
接合を有する回路素子の一端とを接続して、第1
の主端子とし、前記第2と第5のトラジスタのエ
ミツタと、第2の抵抗の一端とを接続して、第2
の主端子とし、前記第5のトランジスタのベース
をゲート端子とし、前記第5のトランジスタのコ
レクタと、第3と第4のトランジスタのベースと
を接続し、前記第3のトランジスタのコレクタ
と、第2のトランジスタのベースと、第2の抵抗
の他端とを接続し、前記第1のトラジスタのエミ
ツタと第4のトランジスタのコレクタと、第1の
抵抗の他端とを接続し、前記第1のトランジスタ
のベースと、PN接合を有する回路素子の他端と
を接続したことを特徴とする半導体スイツチ回
路。 2 第3と第4のトランジスタは1個のマルチ・
コレクタ・トランジスタであることを特徴とする
特許請求の範囲第1項記載の半導体スイツチ回
路。 3 PN接合を有する回路素子は1個以上のダイ
オードであることを特徴とする特許請求の範囲第
1項または第2項記載の半導体スイツチ回路。 4 PN接合を有する回路素子は第1の導電型の
第6のトラジスタであつて、該第6のトランジス
タのエミツタを第1の主端子に接続し、ベースを
第1のトラジスタのベースに接続し、コレクタを
第2の主端子に接続したことを特徴とする特許請
求の範囲第1項または第2項記載の半導体スイツ
チ回路。 5 PN接合を有する回路素子はダイオードと抵
抗との直列接続であることを特徴とする特許請求
の範囲第1項または第2項記載の半導体スイツチ
回路。
[Scope of Claims] 1. A semiconductor switch having a PNPN structure in which the base and collector of a first transistor of a first conductivity type and a second transistor of a second conductivity type are connected to each other; The third and fourth transistors include third and fourth transistors of a first conductivity type, a fifth transistor of a second conductivity type, first and second resistors, and a circuit element having a PN junction; The emitter of the fourth transistor, one end of the first resistor, and the PN
one end of the circuit element having the junction, and the first
The emitters of the second and fifth transistors are connected to one end of the second resistor, and the second
, the base of the fifth transistor is a gate terminal, the collector of the fifth transistor is connected to the bases of the third and fourth transistors, and the collector of the third transistor is connected to the base of the third and fourth transistors. the base of the second transistor and the other end of the second resistor are connected; the emitter of the first transistor and the collector of the fourth transistor are connected to the other end of the first resistor; A semiconductor switch circuit characterized in that the base of a transistor is connected to the other end of a circuit element having a PN junction. 2 The third and fourth transistors are one multi-channel transistor.
2. The semiconductor switch circuit according to claim 1, wherein the semiconductor switch circuit is a collector transistor. 3. The semiconductor switch circuit according to claim 1 or 2, wherein the circuit element having the PN junction is one or more diodes. 4. The circuit element having a PN junction is a sixth transistor of the first conductivity type, and the emitter of the sixth transistor is connected to the first main terminal, and the base is connected to the base of the first transistor. 3. A semiconductor switch circuit according to claim 1, wherein the collector is connected to the second main terminal. 5. The semiconductor switch circuit according to claim 1 or 2, wherein the circuit element having the PN junction is a series connection of a diode and a resistor.
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