JPH0576786B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、光信号によるゲート制御が可能なサ
イリスタに係り、特に光信号による点弧感度が高
く、しかも臨界オフ電圧上昇率を充分に大きく与
えることができるようにした光駆動型サイリスタ
に関する。

〔発明の背景〕

４層構造のスイツチング素子であるサイリスタ
は、小電力から大電力のスイツチングに広く使用
されているが、近年、従来から知られている、例
えば電気信号トリガ型とでもいうべきサイリスタ
に加えて、光エネルギーによつて直接トリガでき
る、光駆動型サイリスタが現われ、その用途は広
がるばかりとなつている。

この光駆動型サイリスタは、基本的には電気信
号トリガ型サイリスタと同じく、少くともpnpn
の４層の半導体層と、その両外側層にオーミツク
接触した一対の主電極とから構成されているが、
トリガ端子はなく、半導体層の所定の部分に光を
照射させることによつてターンオンさせることが
できるようになつているものであり、このため、 (1) 主回路と制御回路との間での高電圧耐力をも
つた電気的なアイソレーシヨンが容易で、主回
路の電圧が高くなつても制御回路が複雑になる
虞れがない。

(2) 電磁誘導などによるノズルに対して強く、誤
動作の虞れが少ない。

などの利点があり、従つて、高電圧直流送電用サ
イリスタ変換装置などへの応用に、近年多くの期
待がかけられるようになつてきた。

ところで、このような用途におけるサイリスタ
素子に与えられている課題の一つに、臨界オフ電
圧上昇率（略してdv／dt耐量と呼ぶ）を損わず
に如何にして光点弧感度を上げるかがある。

第１図に光駆動型サイリスタの一例を示す。

この第１図において、光サイリスタ（光駆動型
サイリスタのこと）１００は、ｎベース層１、ｐ
ベース層２、ｐエミツタ層３、ｎエミツタ層４、
上記ｎエミツタ層３にオーミツク接触したアノー
ド電極５、上記ｎエミツタ層４にオーミツク接触
したカソード電極６、ｎエミツタ層４とは別に設
けられているｎエミツタ層４０と４００のそれぞ
れとｐベース層とにオーミツク接触し、これらの
間を低抵抗接続する電極６０，６００、それにｐ
エース層２の所定の表面領域に光信号を照射する
ライトガイド７とで構成されている。

順方向電圧が電極５，６間に印加され、かつオ
フ状態にある光サイリスタ１００にライトガイド
７によつて光信号が送り込まれると、ｐベース層
２とｎベース層１、それにｐエミツタ層３の領域
に光電流I_bが発生し、これが矢印で示すようにカ
ソード電極６に流れ込む。そして、この結果、ｐ
ベース層２の中には横方向に電位勾配を生じ、正
の電位V₀がｎエミツタ層４００の内周の直下の
ｐベース層２の中に発生する。

この電位V₀の大きさはｐベース層２の横方向
の抵抗R_pBと発生した光電流I_bの積で与えられ、
この電位V₀がｎエミツタ層４００とｐベース層
２との間の接合のbuilt−in電圧に近ずくと、ｎ
エミツタ層４００の内周部から点弧が始まり、光
サイリスタ１００が点弧される。

以上が光サイリスタの点弧動作であるが、一
方、光サイリスタ１００がオフ状態にあるときに
は、ｐベース層２とｎエミツタ層１との間のpn
接合に順電圧ｖが掛り、このpn接合は逆バイア
ス状態にある。この状態でノズルなどにより順電
圧ｖに変化分dv／dtが発生すると、このpn接合
に変位電流（コンデンサを流れる電流）I_dが現わ
れるが、この変位電流I_dはその極性が上記した光
電流I_bと同じであり、従つて、この変位電流I_dが
大きくなるとこの電流I_dによつても光サイリスタ
１００は点弧され、誤点弧を生じることになる。

そこで、この順方向電圧ｖの変化分dv／dtに
よる点弧の発生し難さをdv／dt耐量と呼び、こ
れが小さいとノイズなどによる誤点弧が発生し易
くなり、従つて、このdv／dt耐量は大きい方が
望ましい。

しかしながら、上記したところ明らかなよう
に、このdv／dt耐量は光点弧感度と同じくｐベ
ース層２の横方向抵抗R_pBなどで決まり、従つ
て、この第１図に示す光サイリスタ１００では、
光点弧感度を上げようとすると変化分dv／dtに
よる誤点弧も生じ易くなり、光点弧感度の向上
と、dv／dt耐量の向上との両立を図ることが困
難であるという欠点がある。

第２図は光点弧感度をdv／dt耐量とは独立に
改善できるようにした光サイリスタ１１０の一例
で、この光サイリスタ１１０が第１図の光サイリ
スタ１００と異なつている点では、ｎエミツタ層
４００とｐベース層２に対する電極６００が分割
され、それぞれごとの電極６０１，６０２とな
り、これらの間を抵抗８により接続した点と、ラ
イトガイド７により印加される光信号の照射位置
がｎエミツタ層４００の表面領域となつている点
である。

この光サイリスタ１１０に順方向電圧を印加
し、ライトガイド７から光信号を照射すると、こ
れにより内部で光電流I_bを生じる点は第１図の光
サイリスタ１００と同様であるが、この光サイリ
スタ１１０では光がｎエミツタ層４００を透過し
て入射されるため、このｎエミツタ層４００とｐ
ベース層２の接合（Ｊ３接合）で光電池作用が働
き、この接合Ｊ３に電圧が発生する。一方、これ
に対応して電極６００が２つの電極６０１と６０
２に分割され、これらの間が抵抗８で接続されて
いるため、上記したＪ３接合に発生した電圧によ
り、ｎエミツタ層４００→Ｊ３接合→ｐベース層
２→電極６０２→抵抗８→電極６０１→ｎエミツ
タ層４００、という方向に光電池電流I_pが循環す
る。

この光電池電流I_pはｐベース層２の中では上記
した光電流I_bと同じ方向に流れるから、上記した
電圧V₀をさらに高くするように働き、点弧感度
を上昇させるように作用する。

さらに、抵抗８が挿入されているため、光電池
電流I_pによる電圧降下がこの抵抗８に発生する
が、この電圧降下はＪ３接合を順バイアスする方
向となるから、これによつても点弧感度が向上さ
れる。

一方、この光電池電流I_pは光信号が照射された
ときに現われるだけであり、変化分dv／dtによ
つては全く発生しない。

従つて、この光電池電流I_pによる点弧感度の向
上作用は、正規の光信号が入射したときだけに現
われ、点弧感度を充分に改善させるが、dv／dt
耐量を低下させるように作用は全くもたないた
め、結局、この光サイリスタ１１０によれば、
dv／dt耐量を低下させることなく点弧感度を充
分に向上させることができることになるのであ
る。

また、これとは別に、点弧感度に影響を与えな
いでdv／dt耐量の向上が得られるようにした光
サイリスタについては、例えば米国特許第
4122480号明細書に開示されている。

〔発明の目的〕

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたもの
で、その目的とするところは、光電池作用により
点弧感度の増加を図りながらさらにdv／dt耐量
の改善が得られるようにした光サイリスタを提供
するにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、本発明は、光電池作
用による点弧感度の改善に用いられている外部導
電路の抵抗に、順方向電圧の変化分によつて発生
する変位電流の一部を流し、これにより変位電流
が現われたときには点弧感度が抑圧されるように
した点を特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による光サイリスタについて、図
示の実施例により詳細に説明する。

第３図及び第４図は本発明の一実施例で、第３
図は平面図、第４図は第３図のＡ−A′による断
面図であり、これらの図において、２０はｐベー
ス層、６１はこのｐベース層２０にオーミツク接
触した電極であり、その他の第２図に示した光サ
イリスタ１１０と同じである。なお、この第３図
及び第４図による本発明の光サイリスタ全体は１
２０で表わす。

ｐベース層２０は本来のｐベース層２に対して
全く独立した形でｎベース層１の中に形成されて
おり、このときのｐベース層２０と２との間のア
イソレーシヨンはｎベース層１との間のpn接合
によつて与えられるようになつている。

電極６１は電極６０１に対して低抵抗の外部導
電路ｃによつて接続され、これにより、ｐベース
層２０とｐベース層２の電極６０２の下の部分と
を抵抗８を介して接続する働きをする。

次に、この実施例の動作について説明する。

まず、光信号による点弧時での動作について説
明する。

第４図に示すように、ライトガイド７からｎエ
ミツタ層４００に光信号が照射されると、第２図
で説明した光サイリスタ１１０と同様に、ｐベー
ス層２、ｎベース層１、ｐエミツタ層３の領域で
光電流I_bが発生し、これがｐベース層２を横方向
に通つてカソード電極６に流れ込み、光信号の受
光部となつているｎエミツタ層４００とｐベース
層２の間のエミツタ接合を順バイアスし、点込作
用を発動させる。

一方、これと並行して、これも第２図の光サイ
リスタ１１０と同様に、ｎエミツタ層４００とｐ
ベース層２からなるpn接合部での光電池効果に
より光電池電流I_pが発生し、この電流I_pが、ｐベ
ース層２→電極６０２→抵抗８→電極６０１→ｎ
エミツタ層４００→ｐベース層２、という経路で
循環し、このpn接合部を順バイアスしてさらに
点込がおこり易くなるように作用する。

従つて、この実施例による光サイリスタ１２０
によれば、高い点弧感度を与えることができ、光
信号による点弧を常に確実に行なわせることがで
きる。

なお、この実施例による光サイリスタ１２０で
は導電路ｃが設けられており、これにより電極６
０１と６０２が電極６１からｐベース層２０に導
電結合されているが、上記した光信号による点弧
動作に際して発生する光電池電流I_pは、電極６１
からｐベース層２０には流入しない。その理由は
以下の通りである。すなわち、点弧が行なわれよ
うとしている状態、つまり順方向阻止状態では、
カソード端子Ｋがマイナス、アノード端子Ａがプ
ラスになるような電圧が印加されており、このた
め、ｐベース層２０とｎベース層１の間の接合は
逆バイアス状態になつているからである。そし
て、この結果、導電路ｃの存在によつては、光信
号による点弧動作は全く何の影響も受けず、上記
した点弧感度の向上が得られることになる。

次に、ノズルなどによる順方向電圧ｖの変化分
dv／dtが引火されてしまつたときの動作につい
て第５図によつて説明する。

アノード端子Ａとカソード端子Ｋの間に順方向
電圧の変化分dv／dtが現われると、ｐベース層
２とｎベース層１との接合部の近傍に変位電流
I_d0がほぼ均一に発生し、これがｐベース層２を
横方向に通つてカソード電極６に流れ込む。そし
て、この変位電流I_d0の値が或る程度以上になり、
ｎエミツタ４００の直下におけるｐベース層２の
横方向の抵抗による電圧降下の大きさが、ｎエミ
ツタ層４００とｐベース層２の間の接合における
拡散電位にまで近づくと、この光サイリスタ１２
０は点弧し始め、誤点弧を生じる。

しかして、この実施例による光サイリスタ１２
０では、本来のｐベース層２に対して、これとは
ｎベース層１によつてアイソレートされて独立し
て存在するｐベース層２０が設けられており、上
記した変位電流I_d0が現われるような状態になる
と、このｐベース層２０とｎベース層１との接合
部の近傍でも同じようにして変位電流I_d1が現わ
れ、この電流I_d1が電極６１から導電路ｃ、抵抗
８を通つて電極６０２に、そしてこの電極６０２
からｐベース層２に入り、変位電流I_d0と合流し
てカソード電極６に流れ込むようになる。なお、
このときの変位電流I_d0とI_d1とはほぼ等しい電流
密度で発生されてくることは説明を要しないとこ
ろである。

このようにしてｎベース層２０からの変位電流
I_d1が抵抗８に流れると、この抵抗８には図示の
極性の電圧が発生し、この電圧が電極６０１と６
０２との間に与えられることになり、これにより
ｎエミツタ層４００とｐベース層２との間のエミ
ツタ・ベース接合を逆バイアス状態にし、点弧感
度を下げるように作用する。

従つて、この実施例による光サイリスタ１２０
によれば、順方向電圧の変化分dv／dtが印加さ
れたときには、そのときだけ点弧感度が低く抑え
られるように動作し、大きなdv／dt耐量をもた
せることができ、結局、光信号に対する高い点弧
感度を保ちながら大きなdv／dt耐量を付与する
ことができるようになる。

或る実験例によつて比較した場合、本発明の実
施例による光サイリスタ１２０の光信号に対する
点弧感度は、第１図の実施例のそれに対して1.4
倍程度向上し、他方、dv／dt耐量は第２図の光
サイリスタ１１０に比して1.7倍程度向上した。

第６図は本発明の他の一実施例による光サイリ
スタ１３０を示したもので、この光サイリスタ１
３０が第４図の実施例における光サイリスタ１２
０と異なる点は、ｐベース層２０を本来のｐベー
ス層２から独立して設けるための手段に、モード
溝Ｍを用いた点だけであり、その他の構造や全体
的な機能などは第４図の実施例と同じである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、光信号
による点弧動作に対して光電池作用による点弧感
度の改善を図つた光サイリスタのdv／dt耐量を、
点弧感度の改善とは独立に動作させることができ
るため、従来技術の欠点を除き、光サイリスタに
必要な高い光点弧感度と充分なdv／dt耐量とを
兼ね備えた光サイリスタを容易に提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は光駆動型サイリスタの従来例を示す断
面図、第２図は光点弧感度を改善した光駆動型サ
イリスタの一例を示す断面図、第３図は本発明に
よる光駆動型サイリスタの一実施例を示す平面
図、第４図は第３図のＡ−A′線による断面図、
第５図は第３図及び第４図に示した光駆動型サイ
リスタの動作を示す説明図、第６図は本発明の他
の一実施例を示す断面図である。 １……ｎベース層、２，２０……ｐベース層、
３……ｐエミツタ層、４，４０，４００……ｎエ
ミツタ層、５，６，６０，６１，６０１，６０２
……オーミツク電極、７……ライトガイド、８…
…抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１導電型の第１エミツタ層と第２導電型の
   第１ベース層、第１導電型の第２ベース層、及び
   この第２ベース層の表面の選択された部分に形成
   された第２導電型の第２エミツタ層からなる４層
   構造の半導体基板を備え、上記第２エミツタ層の
   うちの独立した一部の表面をゲート用光信号の受
   光面とすると共に、この受光面となつた第２エミ
   ツタ層と上記第２ベース層の選択された一部の表
   面領域との間に所定の抵抗値の外部導電路が形成
   されている光駆動型サイリスタにおいて、上記第
   １導電型の第２ベース層とは独立した第１導電型
   の第２ベース層を設け、この独立した第２ベース
   層と上記受光面となつた第２導電型の第２エミツ
   タ層との間に外部導電路を形成したことを特徴と
   する光駆動型サイリスタ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記独立し
   た第１導電型の第２ベース層が、上記第２導電型
   の第１ベース層との間のpn接合によるアイソレ
   ーシヨンによつて形成されていることを特徴とす
   る光駆動型サイリスタ。 ３ 特許請求の範囲第１項において、上記独立し
   た第１導電型の第２ベース層が、上記第１導電型
   の第２ベース層の表面に設けたモート溝によるア
   イソレーシヨンによつて形成されていることを特
   徴とする光駆動型サイリスタ。