JPH05326933A - Pnpn半導体雷サージ防護素子 - Google Patents

Pnpn半導体雷サージ防護素子

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JPH05326933A
JPH05326933A JP15618792A JP15618792A JPH05326933A JP H05326933 A JPH05326933 A JP H05326933A JP 15618792 A JP15618792 A JP 15618792A JP 15618792 A JP15618792 A JP 15618792A JP H05326933 A JPH05326933 A JP H05326933A
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JP
Japan
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current
region
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JP15618792A
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English (en)
Inventor
Yoshio Shimoda
義雄 下田
Hidetaka Sato
秀隆 佐藤
Tsutomu Wada
力 和田
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】保持電流を低減し、高速スイッチングと低消費
エネルギを実現して、高サージ耐量のPNPN半導体雷
サージ防護素子を提供する。 【構成】雷サージ等の過電圧から装置を保護するPNP
N構造のサイリスタ素子を逆並列構成した双方向性2端
子素子において、互いに隣接する素子のN型ベース領域
相互間およびN型カソード領域相互間をそれぞれ狭窄部
で接続したことを特徴とする構成を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電話回線その他に誘導
された雷等の高電圧サージから通信端末あるいは保守作
業者を保護するサージ防護素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図8は、従来のサージ防護素子である双
方向性2端子サイリスタの断面構造を示す。P型ベース
領域31、N型ベース領域32、P型オーミックアノー
ド領域33,33’、N型カソード領域34、N型オー
ミックカソード領域35,35’、電極36,36’、
および絶縁物37,37’,38,38’から構成され
る。本素子では2つのサイリスタが逆並列構成されてお
り、その一つは36,33,32,31,34,35,
36’で構成され、もう一方は36,35’,32,3
1,34,33’,36’で構成されている。ここで
は、便宜上、前者を正方向サイリスタ、後者を負方向サ
イリスタと呼ぶ。
【0003】図9は、図8の電極36と絶縁物37,3
7’を除去したときの平面図であり、P型オーミックア
ノード領域33とN型オーミックカソード領域35’の
下に、N型ベース領域32が一様に配置されている。
【0004】図10は、従来のサージ防護素子の動作原
理を示す。電極36に正のサージが印加されると、N型
ベース領域32とP型ベース領域31に逆バイアスが加
わり、PN接合が降服してアバンシ電流Ia が35’,
32,31,34および35を経路として流れる。次
に、N型ベース領域32のバルク抵抗による電圧効果が
PN接合(33と32)のビルトイン電圧に達すると、
P型アノード領域33からN型ベース領域32へ少数キ
ャリアの注入が始まり、電流Ib が流れる。Ibの増加
にしたがって33,32,31で構成されるPNPトラ
ンジスタの電流増幅率ap および32,31,34,3
5で構成されるNPNトランジスタの電流増幅率an
増加する。ap +an =1となると、33,32,3
1,34,35で構成されるサイリスタがスイッチング
し、正方向サイリスタ全体をサージ電流Ic が流れて、
電極36,36’間の端子電圧が低下する。すなわち、
正方向サイリスタの起動は、負方向サイリスタのN型オ
ーミックカソード領域35’からN型ベース領域32に
アバランシ電流が流れることにより始まる。
【0005】図11は図10の電極36に正の電圧が印
加されたときの電圧(V)−電流(I)特性である。電
圧が上昇し、素子のブレークオーバ電圧VBOに達すると
アバランシ電流が流れ、素子電圧が低下する。サイリス
タがスイッチングすると更に急激に電圧が低下し、最終
的にオン電圧VT になる。ここで、Ih は保持電流であ
り、サイリスタをスイッチングさせるのに必要な電流値
である。また逆に、サイリスタ動作が停止する電流値と
言うこともできる。即ち、この値は、印加電圧の低下に
よって図10のP型オーミックアノード領域33とN型
ベース領域32に流れる電流が減少し、この間の電圧が
ビルトイン電圧以下となり、PNPトランジスタの動作
が停止する電流値である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来のサージ防護素子
は、N型オーミックカソード領域35’から供給される
アバランシ電流Ia によるN型ベース領域32の電圧効
果をトリガとして、サイリスタをスイッチングさせてい
たため、N型ベース領域32の抵抗が低い場合には、P
N接合のビルトイン電圧を形成するのに多量のアバラン
シ電流Ia を流す必要が生じ、保持電流が高くなる欠点
があった。また、スイッチングに要する電流が大きいこ
とと、スイッチング時間が長くなることから、素子にお
ける消費エネルギが大きくなり、サージ耐量の低下に結
び付くという欠点があった。
【0007】本発明の目的は、保持電流を低減し、高速
スイッチングと低消費エネルギを実現して、高サージ耐
量のPNPN半導体雷サージ防護素子を提供することに
ある。
【0008】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明のPNPN半導体雷サージ防護素子は、雷サ
ージ等の過電圧から装置を保護するPNPN構造のサイ
リスタ素子を逆並列構成した双方向性2端子素子におい
て、互いに隣接する素子のN型ベース領域相互間および
N型カソード領域相互間をそれぞれ狭窄部で接続したこ
とを特徴とする構成を有する。
【0009】
【実施例】図1は本発明の第1の実施例の平面図、図2
(a)(b)は図1の断面A−A’と断面B−B’に沿
う断面図であって、P型ベース領域1、N型ベース領域
2,2’、 P型オーミックアノード領域3,3’、N
型カソード領域4,4’、N型オーミックカソード領域
5,5’、電極6,6’、第一の絶縁物7,7’,8,
8’、第二の絶縁物9,9’、N型ベース領域の狭窄部
10である。
【0010】本素子はP型半導体基板であるP型ベース
領域1の両面からN型ベース領域2,2’、ついでN型
カソード領域4,4’を拡散し、さらに電極6,6’と
接続するためのP型オーミックアノード領域3,3’お
よびN型オーミックカソード領域5,5’を拡散して形
成される。図1に示すようにN型ベース領域2には狭窄
部10が存在し、この部分で双方向性サイリスタが互い
に接続されている。図2(a)に示した断面A−A’で
は、3,2,1,4,5で形成されるサイリスタ(ここ
では正方向サイリスタと呼ぶ)と5’,4’,1,
2’,3’で形成されるサイリスタ(負方向サイリス
タ)が逆並列接続されており、それぞれのサイリスタの
N型ベース領域2(2’)とN型カソード領域4’
(4)はP型ベース領域1と第二の絶縁物9(9’)で
分離されている。すなわち、逆並列接続された2つのサ
イリスタはP型ベース領域1のみを共通として、他は独
立のサイリスタ構造となっている。一方、図2(b)に
示した断面B−B’では、従来のサイリスタ(図8)と
同様に、正方向サイリスタは3,2,1,4,5で形成
され、負方向サイリスタは5’,2,1,4,3’で形
成されている。 スイッチ1
【0011】本実施例によるサージ防護素子の動作は、
次の通りである。図2(b)において本素子の電極6に
正のサージ電圧が印加されると、N型ベース領域2とP
型ベース領域1に逆バイアスが加わり、PN接合が降服
したアバランシ電流が5’,2,1,4,5を経路とし
て流れる。ここで、N型ベース領域2には図1に示すよ
うに狭窄部10が存在し、アバランシ電流の全てがこの
部分を通して流れるため、狭窄部10の近傍の電流密度
は極めて高くなる。その結果、N型ベース領域2のバル
ク抵抗による電圧効果が狭窄部10の近傍で高くなり、
P型アノード領域3とN型ベース領域2で構成されるP
N接合のビルトイン電圧に容易に達する。従って、低電
流でサイリスタのスイッチングが可能となる。すなわ
ち、狭窄部10を設けることにより、サイリスタの保持
電流を低減することができる。さらに、狭窄部10の幅
あるいはその数を変えることにより、保持電流の値を調
整することができる。
【0012】図3は本発明の第2の実施例の平面図であ
る。本素子では狭窄部10を3箇所とし、その幅を狭く
している。このような構造にすることにより、特定の箇
所にアバランシ電流をより集中することができ、低電流
かつ短時間でPN接合のビルトイン電圧に達することが
できる。その結果、低い保持電流でスイッチングが可能
となると共に、スイッチングまでの時間を短くできるた
め、素子におけるエネルギ損失を低減することができ
る。
【0013】図4は本発明の第3の実施例の平面図であ
る。本素子では狭窄部10を3箇所とし、負方向サイリ
スタのN型カソード領域4’から正方向サイリスタのN
型ベース領域2へ流れ込むアバランシ電流による電圧降
下が狭窄部10で発生せず、正方向サイリスタのN型ベ
ース領域2のP型アノード領域3の近傍で効果的に発生
するようにした例である。
【0014】図5は本発明の第4の実施例の平面図、図
6は図5の断面C−C’、図7は図5の断面D−D’で
あって、双方向性2端子素子を2組並列に配置した例で
あり、P型ベース領域11、N型ベース領域12,1
2’,16,16’、P型オーミックアノード領域1
3,13’,17,17’、N型カソード領域14,1
4’,18,18’、N型オーミックカソード領域1
5,15’,19,19’、電極20,20’、第一の
絶縁物21,21’,22,22’、第二の絶縁物2
3,23’,24,24’,25,25’、N型ベース
領域の狭窄部26である。
【0015】図7において、本素子の電極20に正のサ
ージ電圧が印加されると、アバランシ電流は15’,1
2,11,14,15の経路と19’,12,11,1
4,19の経路で流れる。ここで、N型ベース領域12
は、図5に示すようにN型ベース領域の狭窄部26で隣
接する素子と互いに接続されており、アバランシ電流に
よる電圧降下は狭窄部26の近傍で高くなる。従来、サ
イリスタ素子の発熱を分散する目的から、複数の素子を
並列接続した例(例えば、特願平3−189038号)
はあるが、従来の素子では図5に示すような狭窄部26
を持たなかったため、並列接続する素子数が増えるとN
型ベース領域12を流れるアバランシ電流による電圧降
下が低くなり、保持電流が大きくなると共に、極端に素
子数が多くなるとスイッチングが不可能になることがあ
った。本発明によれば、電流狭窄部26の形状あるいは
個数を変えることにより、この近傍の電流密度が高くす
ることができ、電圧降下が大きくなるため、素子のスイ
ッチングが容易になる。
【0016】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
るPNPN半導体雷サージ防護素子は、N型ベース領域
の一部に狭窄部を設けてアバランシ電流が集中するよう
にし、この近傍のN型ベース領域の電圧降下が高くなる
ようにしているため、低い保持電流でスイッチングが可
能となる。また、小さいアバランシ電流でも、スイッチ
ングのトリガとなるPN接合のビルトイン電圧以上の電
圧降下を形成することができるため、スイッチング速度
の向上および消費エネルギの低減が可能となり、サージ
耐量の向上を図ることができる。これらの効果は、並列
接続される素子の数が多くなるほど、顕著となる。な
お、保持電流の値を特定の範囲に設定したい場合には、
狭窄部の形状,数を適当に設定することにより、任意の
値とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の平面図である。
【図2】本発明の第2の実施例の断面A−Aと断面B−
Bに沿う断面図である。
【図3】本発明の第2の実施例の平面図である。
【図4】本発明の第3の実施例の平面図である。
【図5】本発明の第4の実施例の平面図である。
【図6】本発明の第4の実施例の断面C−C’に沿う断
面図である。
【図7】本発明の第4の実施例の断面D−D’に沿う断
面図である。
【図8】従来のサージ防護素子の1例を示す断面図であ
る。
【図9】従来のサージ防護素子の1例を示す平面図であ
る。
【図10】従来のサージ防護素子の動作原理を説明する
ための断面図である。
【図11】サージ防護素子の電圧−電流特性図である。
【符号の説明】
1 P型ベース領域 2,2’ N型ベース領域 3,3’ P型オーミックアノード領域 4,4’ N型カソード領域 5,5’ N型オーミックカソード領域 6,6’ 電極 7,7’,8,8’ 第一の絶縁物 9,9’ 第二の絶縁物 10,10’ N型ベース領域の狭窄部 11 P型ベース領域 12,12’,16,16’ N型ベース領域 13,13’,17,17’ P型オーミックアノード
領域 14,14’,18,18’ N型カソード領域 15,15’,19,19’ N型オーミックカソード
領域 20,20’ 電極 21,21’22,22’ 第一の絶縁物 23,23’,24,24’25,25’ 第二の絶縁
物 26 N型ベース領域の狭窄部 31 P型ベース領域 32 N型ベース領域 33,33’ P型オーミックアノード領域 34 N型カソード領域 35,35’ N型オーミックカソード領域 36,36’ 電極 37,37’38,38’ 絶縁物

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 雷サージ等の過電圧から装置を保護する
    PNPN構造のサイリスタ素子を逆並列構成した双方向
    性2端子素子において、 互いに隣接する素子のN型ベース領域相互間およびN型
    カソード領域相互間をそれぞれ狭窄部で接続したことを
    特徴とするPNPN半導体雷サージ防護素子。
JP15618792A 1992-05-25 1992-05-25 Pnpn半導体雷サージ防護素子 Pending JPH05326933A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107658296A (zh) * 2017-10-25 2018-02-02 启东吉莱电子有限公司 一种具有三路保护的晶闸管浪涌抑制器及其制造方法
CN114361255A (zh) * 2022-02-08 2022-04-15 西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司 一种双向精准击穿防爆晶闸管及其制备方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4934030A (ja) * 1972-07-31 1974-03-29

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