JPH06510635A - 過渡電圧制限半導体部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 過渡電圧制限半導体部品 本発明は給電線の過渡電圧を制限する半導体部品に関する。

この半導体部品は電話システムの信号線に生じる過渡的外乱から電話システムの 部品を保護するのに特に適している。

従来の電話システムでは例えば雷撃等の天然の電気的外乱により信号線に生じる 高い過渡電圧に耐える電気機械部品が使用されていた。近代的な電話システムに 使用される部品は主として半導体装置により構成されそれらは電話システム内に 生しる高い過渡電圧により傷つけられやすいため、電話システムの部品に対する 保護装置が必要である。

また、高い過渡電圧か加わったりそれに対して保護する必要がある状況ては半導 体装置はより頑丈な装置に置換されており、電話システム以外のシステムの半導 体装置に対する保護装置も必要とされている。

システムの信号もしくは他の線に接続した時にこれらの線に生じる過渡電圧を制 限することができる半導体部品を提供することが本発明の目的である。

本発明によれば、少くとも３本の給電線を有するシステムの給電線上の過渡電圧 を制限するのに適した半導体部品は各給電線に接続される少（とも３つの入力手 段を含んでおり、各入力手段に対して、高インピーダンス状態から低インピーダ ンス状態へ変化する閾値電圧を有する各マルチ接合ダイオードが各入力手段と共 通端子との間に同じ意味合いで接続されており、各マルチ接合ダイオードはもう １個の逆の意味合いてそれに分路接続された各ダイオードを有している。

３つの入力手段を有する形状の半導体装置は電話システムに使用するのに特に適 している。

好ましくは、マルチ接合ダイオードのカソード電極は各入力手段に接続される。

第１の形状の半導体部品では、もう１個の各ダイオードはマルチ接合ダイオード である。

第２の形状の半導体部品では、もう１個の各ダイオードは一つのＰＮ接合を有す るダイオードである。

さらにもう一つの形状の半導体部品では、全部ではない少くとも１個のもう１個 のダイオードはマルチ接合ダイオードであり、他のもう１個のダイオードの各々 が一つのＰＮ接合を有している。

好ましくは、半導体部品は２つの実質的に平行な主面を存する半導体の形状を有 し、ダイオードの電極は主面上にあり、入力手段は一方の主面上で各ダイオード 対のｔ＋とコンタクトする複数の導電体および他方の主面上でその而の全ての電 極とコンタクトする共通端子であるもう一つの導電体である。

好ましくは、主面は実質的に矩形状であり、ダイオードは主面に沿ってそれを横 切する交番するマルチ接合ダイオードともう１個のダイオードであり、各入力手 段はマルチ接合ダイオードともう１個のダイオードからなるダイオード対とコン タクトし、好ましくは各入力手段は主面の一部を横切して延びている。

一つの半導体部品構成では、各ダイオード対は分離領域により同じ半導体本体を 占有する他のダイオード対から電気的に分離される。

別の半導体部品構成では、半導体本体のドープ領域は全てのダイオード対に対し て共通とされている。

特に高速作動する別の半導体部品構成では、半導体本体の中央局りにマルチ接合 ダイオードが寄せ集められており、半導体本体のドープ領域が全てのダイオード 対に対して共通とされている。

半導体部品の第２の育利な構成には２つの実質的に平行な主面を有する半導体本 体が含まれ、ダイオードの電極は主面上にあり、入力手段は一方の主面上で各ダ イオード対の電極とコンタクトする複数の導電体および他方の主面上でその面の 全ての電極とコンタクトする共通端子であるもう一つの導電体であり、もう１個 の各ダイオードはもう一つの導電体に隣接する高濃度ドープｎ形（ｎｌ）領域と 、ｎ′″領域に隣接する低濃度トープｎ形（ｎ−）領域と、ｎ−領域に隣接する ｐ影領域を有している。

好ましくは、マルチ接合ダイオードは隣接するｐ形ゲート領域の材料で充填され た複数個の間隙を存するカソード（ｎ３）領域を含んでいる。

隣接するｐ影領域によりカソード領域が貫通されるためにカソード−ゲート接合 はｐ形ゲート領域の一部により分路される。このような構成により部品を導通状 態に維持するのに必要な電流はカソード領域が中断されない部品に較べて増大し 、部品設計者は貫通カソード領域のレイアウトにより保持電流を設定することが できる。

第２の形状の半導体部品では、各マルチ接合ダイオードが低濃度ドープｎ形（ｎ −）内部Ｎ領域を有する実質的なＰＮＰＮ構造を存することができ、もう１個の 各ダイオードは高濃度トープｎ形（ｎ″″）領域と、ｎ＋領領域隣接する低濃度 ドープｎ形（ｎ−）領域と、ｎ−領域に隣接するｐ影領域を有することができ、 マルチ接合ダイオードのｎ形内部Ｎ領域はもう１個のダイオードのｎ−領域より も厚くすることができ、厚さは半導体部品を流れる電流の方向で測定される。

好ましくは、各マルチ接合ダイオードは実質的にＰＮＰＮ構造を有し、低濃度ド ープｎ形（ｎ−）領域である内部Ｎ領域内にｎ−領域よりも不純物濃度の高い埋 込ｎ影領域を含んでおり、埋込ｎ影領域はＰＮＰＮ構造の内部Ｐ領域に隣接して いる。

半導体本体の形状とされた第２の形状の半導体部品はダイオ−１・が導通ずると その電荷が他のダイオードの少くとも一つに自由に流れて導通開始させるように 構成されている。

マルチ接合ダイオードは半導体本体の中央層りに寄せ集め、半導体本体の他の部 分よりもその中央付近で一層容易に電荷を導通ずるように構成するのが有利であ る。

第２の形状の半導体本体を修正した構造では、各マルチ接合ダイオードは半導体 本体の中央付近では第１のマルチ接合ダイオードとして作動し半導体本体の他の 部分では第２のマルチ接合ダイオードとして作動するように構成されており、第 １のマルチ接合ダイオードは第２のマルチ接合ダイオードよりも小型で高感度と されている。

以下の説明では、好ましい形状のマルチ接合ダイオードはバルク降伏ダイオード と呼ばれる。一つの形状のバルク降伏ダイオードか英国特許第０８２１１３９０ ７８号に記載されている。

次に、単なる例として添付図を参照しなから本発明による過渡電圧制限半導体部 品の３つの例について説明を行い、ここに、 第１図は電話システムの保護に適した過渡電圧の変化を制限する第１の形状の半 導体部品の集積回路構成の斜視断面図、 第２図は電話システムの保護に適した過渡電圧の変化を制限する第２の形状の半 導体部品の集積回路構成の斜視断面図、 第３図は複数個のバルク降伏ダイオードとしてデバイスを示す第１の形状の半導 体部品の回路図、第４図は複数個のバルク降伏ダイオードおよび整流ダイオード として部品を示す第２の形状の半導体部品の回路図、 第５図は複数のブロックとして部品を示すいずれかの形状の半導体部品の回路図 、 第６図は１個のバルク降伏ダイオードの簡略化構造図、第７図は１個のバルク降 伏ダイオードの簡略化された構造の展開図、 第８図は第７図から引き出される１個のバルク降伏ダイオードの回路図、 第９図は１個のバルク降伏ダイオードを表わす記号、第１Ｏ図はバルク降伏ダイ オードと逆接続整流ダイオードの組合せの簡略化構造図、 第１１図は第１Ｏ図の構造を表わす記号、第１２図は第１０図に示す部品の電流 −電圧特性図、第１３図は互いに逆極性で分路接続されているデバイスとして作 動する一対のバルク降伏ダイオードの電流−電圧特性図、 第１４図はモノリシック集積回路として組合わされたバルク降伏ダイオードと逆 接続整流ダイオードの平面図、第１５図は第１４図に示すモノリシック集積回路 のＸＸ線に沿った断面図図、 第１６図は双方向バルク降伏ダイオードのモノリシ。

り集積回路の平面図、 第１７図は第１６図に示すモノリシック集積回路のＸＸ線に沿った断面図、 第１８図は第２の形状の半導体部品の別の集積回路構成の平面図、 第１９図は第１８図のモノリシック集積回路のＹＹ線に沿った断面図。

第１図を参照して、過渡電圧の変化を制限する第１の形状の半導体部品は第１の バルク降伏ダイオード対１と、第２のバルク降伏ダイオード対２と、第３のバル ク降伏ダイオード対３を含んでおり、３対のバルク降伏ダイオードＩ、２．３は モノリシック集積回路４に属しモノリシック集積回路４内て連続バリア５により 互いに分離されている。バリア５はバルク降伏ダイオード１．２．３間を延長し ている他に集積回路４の側面を形成している。

第１図を参照して、第１のバルク降伏ダイオード対Ｉは第１のｐ形半導体材料層 １ｏおよび第１層１０とコンタクトする第２のｎ−形半導体材料層１１を含んで いる。

第２層ＩＩ内にはｐ影領域１３があって第２層ＩＩとの共通面を有している。ｐ 影領域１３の下にはｎ影領域１２かあって、ｐ影領域Ｉ３およびその中のｎ＋形 領領域１４コンタクトしている。ｎ＋形領領域１４第２層１１およびｐ影領域と 共通面を有している。ｎ′″形領域Ｉ４は複数の規則正しく間隔のとられた位置 でｐ影領域１３により貫通されている。第２層Ｉｌ内のｎ″″形環１５は第２層 １１と共通面を存している。

第１図を参照して、ｎ゛形領領域１４ｐ影領域１３の長さのほぼ半分とそのｐ影 領域の全幅の全部ではないが大部分を占有している。ｎ影領域１２の境界はｎ４ 形領域１４の境界と実質的に一致されている。

第１図には示されていないが、第１のバルク降伏ダイオード対１内にはｐ影領域 ＩＯおよびｎ−影領域１１とコンタクトするもう一つのｎ影領域およびｐ影領域 １０内にあって（第１図から見て）その下面と共通面を存するもう一つのｎ゛形 領領域含まれている。これらもう一つの領域は第１のバルク降伏ダイオードｌの （第１図から見て）下部領域を占有している。

第１７図は第１図のバルク降伏ダイオード対１等の一対のバルク降伏ダイオード 構造の（第１図から見て）正面から裏面への線に沿った断面図であり、第１７図 に示すｎ影領域Ｉ６は前記もう一つのｎ影領域でありｎ１形領域は前記もう一つ の０４形領域である。

第１７図に示す一対のバルク降伏ダイオードは（第１６図から見て）それぞれ頂 部および底部に電気接点Ｉ９、＋１０を含んでいるが、第１図にはデバイスの電 気接点は含まれていない。

第１７図を参照して、ｎ＋形領領域１４隣接するｐ影領域１３により貫通されて ｐ影領域１３の貫通部によりｎ４領域１４は分路される。ｐ影領域１３の分路効 果はバルク降伏ダイオードがそのインピーダンス状態を変える電流を設定するの に使用され、この電流はその保持電流と呼ばれる。バルク降伏ダイオードはその 保持電流よりも高い電流を導通する時に低インピーダンスを有し、その電流が保 持電流よりも降下すると高インピーダンスへ切り替る。バルク降伏ダイオードの 保持電流を設定するファシリティは接続されているシステムの短絡電流よりも高 い電流でバルク降伏ダイオードがその高インピーダンス状態へ切り替って、過渡 電圧が通過してしまったらシステムの正規動作へ戻るよう保証するのに使用され る。バルク降伏ダイオードの保持電流はｎ４形領域１４かｐ影領域１３に貫通さ れない場合に最小となり、貫通されるｎ１形領域に比例して増大する。前記した ように、領域１Ｏ１１１，１２，１３，１４を含むバルク降伏ダイオードは、そ のｐ影領域ｌＯがそのｎ４形領域１４に対して正となる、”クローバ−（ｃｒｏ ｗｏａｒ）　”スイッチとして作用する。ｎ影領域１２が無い場合には、ダイオ ードはｎ−影領域１１により設定される真性降伏電圧を有し、イオン注入ｎ領域 １２により真性降伏電圧よりも低い降伏電圧が設定される。イオン注入ｎ領域１ ２を付加することによりバルク降伏ダイオードトリガー（すなわち“クローバ− ′）電圧を正確に設定することができ、所要によりさまざまなトリガー電圧を有 するバルク降伏ダイオードを製作することかできる。すなわち、イオン注入ｎ形 領域１６はｎ影領域１２と同しにする必要はない。

第１図を参照して、第３のバルク降伏ダイオード対３は構造およびその方位が第 １のバルク降伏ダイオードｌと実質的に同しであるか、第２のバルク降伏ダイオ ード対２は池の２つのバルク降伏ダイオード対ｌ、２とは方位か逆であって構造 は実質的に同しである。

第１図に示す部品において、３対のバルク降伏ダイオード１．２．３に共通の（ 第１図から見て）下面に沿った電気的コンタクトが必要であり、各電気的コンタ クトはバルク降伏ダイオード対ｌ、２．３の（第１図から見て）上面に設ける必 要かある。

第１図に示す部品に電気的コンタクトを設けると、第３図の回路に示すデバイス となり、ここでバルク降伏ダイオード対１．２．３は共通接続６を有し、各バル ク降伏ダイオード対は自由端子７．８．９を有している。第３図の自由端子７． ８．９は第１図の各バルク降伏ダイオード対の別々の電気的コンタクトであり、 共通接続６は３対のバルク降伏ダイオードの共通電気的コンタクトである。

第１図および第３図に示す集積回路の動作において、端子８に対して正となる端 子７の外乱はバルク降伏ダイオード対１の順バイアスバルク降伏ダイオードのト リガー電圧とバルク降伏ダイオード対２の順バイアスバルク降伏ダイオードのト リガー電圧の和に制限される。端子８に対して負となる端子７の電圧外乱はバル ク降伏ダイオード対ｌおよび２の他の２つのバルク降伏ダイオードのｌ・リガー 電圧の和に制限される。端子８に対する端子９の外乱電圧はバルク降伏ダイオー ド対２．３のバルク降伏ダイオードの各直列組合せにより、端子７の外乱電圧に 対して説明したように制限される。

第５図を参照して、半導体部品は３個のプロテクター２０００．２Ｉ００．２２ ００を含んでおり、その各々がデルタ構成とされたプロテクターが耐える必要の ある電圧の一部に耐えられるものであればよい。スター接続を使用するために、 部品は縦形構造だけを使用して実現され公知の保護装置よりも電流処理容量が高 い。

第１図および第３図を参照して、第１のバルク降伏ダイオード対１は電話システ ムの部品保護に使用する場合、その端子７が電話システムのＲもしくはＡ線に接 続され、その端子９かＴもしくはＢ端子に接続され、その端子８が接地線に接続 される。第１図および第３図に示す集積回路の動作において、Ｒ（もしくはＡ） およびＴ（もしくはＢ）線の両方に生じる過渡電圧の変化により両方のバルク降 伏ダイオード対ｌおよび３に電流が生じ、バルク降伏ダイオード２が両方の電流 を減衰しなければならないため、第２のバルク降伏ダイオード２は他の２つのバ ルク降伏ダイオードｌおよび３の各々の２倍の電流容量を必要とする。バルク降 伏ダイオード対の相対電流容量要求は第２のバルク降伏ダイオード対２のダイオ ードの活性ｎ＋形領領域他の２つのバルク降伏ダイオード対ｌ、３のダイオード の対応する領域の２倍とすることにより達せられる。

第１図および第１７図に示す集積回路の動作（＝おし）て、いずれか一つのバル ク降伏ダイオード対に発生される電荷は各バルク降伏ダイオード対を包囲する分 離障壁５（こよりそのバルク降伏ダイオード対に閉じ込められる。

添付第２図を参照して、過渡電圧の変化を制限する第２の形状の半導体部品は第 １の）（ルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２００と、第２の）＜ルり 降（犬ダイオードー整流ダイオード組合せ２１０と、第３）くルり降伏ダイオー ド−整流ダイオード組合せ２２０を含んてしする。

第２図を参照して、第１のノくルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２０ ０はｐ影領域２０１と、ｐ型頭域２０１とコンタクトするｎ−領域２０２と、ｎ −領域２０２内のｎ影領域２０３と、やはりｎ−領域２０２内にあってｎ影領域 ２０３とコンタクトしかつｎ−影領域２０２と共通面を有するｐ影領域２０４と 、ｐ影領域２０４内にあってｐ影領域２０４およびｎ”影領域２０２と共通面を 存するｎ＋形領領域２０５含んでし）る。ｎ−影領域２０２内のｎ＋形環２０６ は領域２０４を包囲しこの領域と共通面を有している。

第２図を参照して、第１のノ（ルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２０ ０は（第２図から見て）ｐ影領域２０１の背面にｎ４形領域を含んでし）る。ｐ 影領域２０Ｉの背面のｎ＋形領領域第２図には図示されてし１なし）が、（第２ 図から見て）正面から裏面へ走る線（こ沿つたバルク降伏ダイオード−整流ダイ オード組合せ２００の断面を表わす第１４図には図示されている。第１４図に示 すｎ＋形領領域２０７第２図のｐ影領域２０１の背面にあるｎ″″形領形石域る 。

第２図を参照して、第２のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２１０ は実質的に第１のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２００と同じ構 造であるか、第１のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２００に対し て反転されている。第２図に示すように、第２のバルク降伏ダイオード−整流ダ イオード組合せ２１０はｎ４形領域２１１と、ｎ１形領域２１１とコンタクトす るｎ−影領域２１２と、ｎ−影領域２１２内にあってｎ−影領域２１２と共通面 を有するｐ影領域２１３と、（第２図から見て）ｐ影領域２１３の背面でｐ影領 域内にあってｐ影領域２１３と共通面を有するｎ＋形領領域２１４含んでいる。

ｎ″″形領域２１１は第１４図のｎ′″形領域２０７に対応しており、第２のバ ルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２１０内に第１のバルク降伏ダイオ ード−整流ダイオード組合せ２００の領域２０１．２０３と対応する領域のある ことがお判りと思う。

第２図を参照して、第３のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２２０ は第１のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２００と実質的に同じで あり、相対的方位も同じである。第３のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード 組合せ２２０の領域２２１．２２２．２２３．２２４．２２５はそれぞれ第１の ノくルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２００の領域２０１．２０２． ２０３．２０４．２０５に対応している。

第２図を参照して、ｎ＋形領領域２０６各ノくルク降伏ダイオード−整流ダイオ ード組合せ２００．２１０．２２０の周りを延長する環状系の一部である。集積 回路の下面に沿ってコンタクトが必要であり、各ノくルク降伏ダ０の上面（第２ 図から見て集積回路に対する上下面）に一つのコンタクトが必要である。

第２図に示す集積回路にコンタクトを設けると、第４図に示す回路となり、ここ てバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２００．２１０．２２０は共通 面２５０および端子２５１．２５２．２５３を有している。

第２図を参照して、３つのバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２００ ．２１０．２２０の各ｎ−形領領域０２．２１２．２２２は共通のｎ−影領域に より提供されることをお判り願いたい。また、（第２図１１ら見て）集積回路の 前面において、中央ノくルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２１０の整 流ダイオードは外側のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２００．２ ２０のバルク降伏ダイオード間にあり、（第２図から見て）集積回路の裏面にお いて、外側のノくルク降伏ダイオード−整流ダイオード′組合せ２００．２２０ の整流ダイオードは中央バルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２１０の バルク降伏ダイオードの側面にあることがお判りと思う。したがって、中央バル ク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２１０は２つの外側のバルク降伏ダイ オード−整流ダイオード組合せ２００．２２０に対して反転方位とされており、 この方位反転により集積回路の隣接する部品間の関係が（第２図から見て）集積 回路の正面から裏面へかけて変化する。

第２図および第４図に示す集積回路の動作において、端子２５２に対して正とな る端子２５１の外乱はバルク降伏ダイオード−整流ダイオード対２００の整流ダ イオードの順降伏電圧とバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２１０の バルク降伏ダイオードのトリガー電圧との和に制限される。端子２５２に対して 負となる端子２５１の外乱はバルク降伏ダイオード−整流ダイオード対２００の バルク降伏ダイオードのトリガー電圧とバルク降伏ダイオード−整流ダイオード 対２１０の整流ダイオードの順降伏電圧との和に制限される。端子２５２に対す る端子２５３の外乱電圧はバルク降伏ダイオード−整流ダイオード対２２０．２ １０の部品により、端子２５１の外乱電圧に対して記述したのと同様に制限され る。

第２図および第４図に示す集積回路の動作において、端子２５１．２５３に共通 の外乱電圧かあって共通外乱Ｋｌ］Ｅかこれらの端子に対して設定されら電圧限 界のいずれかを越える場合には、バルク降伏ダイオード−整流ダイオード対２０ ０．２２０のバルク降伏ダイオードは実質的に同時にトリガーされる。この結果 は端子２５２に対する端子２５１の外乱が負であってその端子の外乱許容電圧を 越える場合には、バルク降伏ダイオード−整流ダイオード対２１０の整流ダイオ ードおよびバルク降伏ダイオード−整流ダイオード対２００のバルク降伏ダイオ ードが導通するために得られる。整流ダイオードは導通するｎ−影領域２１２へ 電荷キャリアを注入し、この電荷キャリアはｎ−影領域２１２からｎ−影領域２ ２２へ移動する。領域２２２に電荷キャリアが存在することにより第３のバルク 降伏ダイオード−整流ダイオード対２２０のバルク降伏ダイオードがトリガーさ れる。第１のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード対２００と第３のバルク降 伏ダイオード−整流ダイオード対２２０のトリガーは実質的に同時に起り、その 結果、端子２５１と２５３の外乱電圧は実質的に同時に取り除かれる。また、端 子２５１．２５３に共通の正の外乱電圧が生じてバルク降伏ダイオード−整流ダ イオード対２１０のバルク降伏ダイオードかトリガーすると、端子２５１．２５ ３の電圧はバルク降伏ダイオード−整流ダイオード対２００．２２０の整流ダイ オードの導通によりクランプされる。整流ダイオードは実質的に同時に導通し実 質的に同じ電圧降下を有している。

第２図を参照して、前記した状況においてダイオード対の２個以上のダイオード か実質的に同時にトリガーするのは部品構造の３つの特徴によるものである。第 １の特徴はトリガーした時に各バルク降伏ダイオードがらの電荷キャリアが共通 のｎ−影領域２０２−２１２−２２２を介して少くとも一つの他のバルク降伏ダ イオードへ到達てきるようにバルク降伏ダイオードが配置されることである。こ の点について、中央のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２１０のバ ルク降伏ダイオードは他の各バルク降伏ダイオードー整流ダイオード組合せ２０ ０．２２０に対して電荷キャリアを送受することができ、その結果中央バルク降 伏ダイオード−整流ダイオード組合せ２１０かｌ・リガーされると、全てのバル ク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せがトリガーされる。第２の特徴はカレ ントミラー効果を達成するために第２図に領域２０１．２１１として示すｐ影領 域を３つのダイオード対のバルク降伏ダイオードに共通なものと□し、任意の一 つのバルク降伏ダイオードのトリが−により隣接するバルク降伏ダイオードかト リガーされることである。第３の特徴は導通した時に整流ダイオードからの電荷 キャリアがトリガーされていないかも知れない隣接バルク降伏ダイオードへ流れ ることができ、整流ダイオードからの電荷キャリアの供給によりトリガーされる ように整流ダイオードが配置されることである。

第４図に示す回路の動作を変えることなく全てのダイオードを反転できることが お判りと思う。

第２図を参照して、過渡電圧を制限する第２の形状の半導体部品は第１の形状の 半導体部品よりも占存面積か小さい。第１の形状の部品の分離拡散を省くことに より部品の所要面積を第１段階の低減か行われる。（例えば、第１および第２の バルク降伏ダイオード−整流ダイオード対２００．２１０間の例えばｐ影領域２ １３からｎ１形領域への）゛′横形”構造よりも（例えば、第１のバルク降伏ダ イオード−整流ダイオード対２００の例えばｐ影領域０２０１からｎゝ形領領域 ２０５の）“縦形”構造により優先的な導通が行われる。整流ダイオードは導通 電圧か低くかつ関連するバルク降伏ダイオードよりも消費電力が少いため整流ダ イオードの所要面積はバルク降伏ダイオードの所要面積よりも小さい。（第２の 形状の部品には被保護システムの電圧限界を設定する１個のバルク降伏ダイオー ドかあるが、第１の形状の部品には被保護システムの限界電圧を設定する２個の 直列接続バルク降伏ダイオードがあるため）、第２の形状の部品に使用されるバ ルク降伏ダイオードは第１の形状の部品のおよそ２倍の降伏電圧を必要とする。

およそ２００Ｖのトリガー電圧まては、バルク降伏ダイオードの所要面積はサー ジ電流容量の増大と共に増大し、第１および第２の形状の部品に必要なバルク降 伏ダイオードは２００Ｖの限界内に入るため、第２の形状の部品の各バルク降伏 ダイオードは第１の形状の部品の第１もしくは第３のバルク降伏ダイオードの面 積の半分以下で済む。

第２図を参照して、第２の形状の部品において、ｎ型領域２０３．２２３で示す ｎ影領域（第２のバルク降伏ダイオードには第３のｎ影領域があるが第２図には 図示されていない）は同じ操作で打込みが行われ、３個のバルク降伏ダイオード の降伏電圧を厳密に一致させるのに寄与する。さらに、バルク降伏ダイオードの トリガー電圧を設定する全ての構成（ｎ“影領域）が半導体本体の一方側にある ため、半導体本体の両側に電圧設定構成がある場合よりもより一貫性のある結果 が得られる。

第２図を参照して、ｎ−領域２１２の厚さはｎ＋領域２１１の深さを変えること によりｎ′″領域２１１に隣接するように制御することができ、特にバルク降伏 ダイオード／整流ダイオード対２１０のバルク降伏ダイオードのｎ−領域はその 対の整流ダイオードのｎ−領域２１２よりも厚くすることができる。ｎ−領域２ １２が薄い構成によりｎ−領域２１２が例えば領域２０２．２２２と実質的に同 じ厚さを存する構成よりも順方向導通時のオーバシュートが低い整流ダイオード が得られる。厚さは半導体部品を流れる電流の方向、すなわち、ｎ＋領域２１０ からＰ領域２１３の方向で測定される。ｎ−領域２Ｉ２の厚さを低減する他の方 法は、（ｉ）、ｎ＋領域２１１の深さを増大する、（ｉｉ）、Ｐ領域２１３の深 さをの両方の深さを増大することである。

第６図を参照して、ｐ形層５０．ｎ−形層５１．ｎ形層５２、ｐ形層５３、およ びｎ′″形層５４を含む簡略化された構造として一方面バルク降伏ダイオードを 表わすことができる。

第７図を参照して、第６図の簡略化された構造は層５１．５２．５３をそれぞれ 領域５０１−５０２−５０３．５２１−５２２−５２３．５３１−５３２−５３ ３へ分離して書き替えることができる。

第８図は第６図もしくは第７図の等価回路である。第８図を参照して、トランジ スタのエミ・ツタ電極間に印加される漸増する電圧はＰＮＰトランジスタ５５の エミッターベースダイオードへ通されツェナーダイオード５８に電流を導通させ るのに充分な大きさとなり、この電流によりＮＰＮ　トランジスタ５６のベース 電極へ電荷か注入されてＮＰＮＩ−ランジスタ５６を導通させる。ＮＰＮトラン ジスタ５６が導通すると、ＰＮＰ　）ランジスタ５５により再生スイッチングが 行われる。抵抗５９．６０により分路される電流によりＮＰＮ　）ランジスタ５ ６のベースドライブが奪われてＰＮＰ　）ランジスタ５５により縮退的にスイッ チオフされる時に、利用可能な電流がデバイスの保持電流よりも降下するとスイ ッチオフが行われる。

第８図を参照して、トランジスタのエミッタ間に印ｆＪＩＩされる迅速に増大す る電圧はＮＰＮ　トランジスタ５６のベース電極へ通されてそのトランジスタを 導通させる。

ＮＰＮ　トランジスタ５６およびツェナーダイオード５８により“増幅ツェナー ”が形成されるため一時的に導通が生じるか、ＰＮＰ　ｌ−ランジスタ５５はＮ 　Ｐ　Ｎ　ｌ−ランジスタ５６が取り入れる高い駆動電流の影響の元で強制的に オンとされ再生ターンオンを助ける。ＰＮＰ　）ランジスタ５５は（デバイスが 高い逆電圧を阻止する能力を有するように）高い逆エミッターベース降伏電圧に 設計されていて動作かのろいため、デバイスは前記したように応答する。

第１０図に第１１図に示すように接続されたバルク降伏ダイオードと整流ダイオ ードの組合せの簡略化された構造を示し、ｎ＋＋層７０、ｐ形層７１．ｎ−形層 ７２、ｎ形層７３、ｐ形層７４、およびｎ１形層７５により構成されている。

第１１図に示すバルク降伏ダイオード８１と整流ダイオード８０の組合せの動作 特性を第１２図に示す。

第１２図を参照して、経路ＯＡはバルク降伏ダイオードの初期降伏を表わし、経 路ＡＢは低インピーダンス状態への変化を表わし、経路ＢＣは低インピーダンス 状態における導通を表わしている。経路ＯＤは整流ダイオードの順方向導通を表 わしている。

第１３図は（同じである必要のない）一対のバルク降伏ダイオードの動作特性を 表わしている。

第１８図は第４図に示す部品の別の集積回路構成である過渡電圧変化を制限する のに適した第３の形状の半導体部品の別の集積回路構成の平面図であり、第１９ 図はＹ−Ｙ線に沿った第１８図の集積回路の断面図である。

第１８図を参照して、集積回路は第１、第２および第３のバルク降伏ダイオード −整流ダイオード対１７０゜１７１．１７２を含んでいる。第１８図に示す集積 回路にはバルク降伏ダイオード−整流ダイオード対１７０．１７１．１７２の各 上面にコンタクト層が無（、ｎ４形領域１７４．１７５、＋７６か見えるように なってしする。

集積回路は３つの別々のｐ形構成１７７．１７８．１７９およびｐ影領域１７７ ．１７８．１７９間で集積回路の外周に沿ったｎ＋形領領域含んでいる。

第１９図を参照して、各バルク降伏ダイオードー整流ダイオード対１７０．１７ １，１７２は第１５図に示すものと実質的に同してあり、第１８図においてｐ影 領域１７７、ｎ−影領域１８１．およびｎ＋形領領域１８５それぞれ第１４図の 領域２０４．２０２．２０７に対応しており、第１９図においてｎ＋形領領域１ ７６ｐ影領域１７９、ｎ影領域１８０、ｎ−影領域１８１、およびｐ影領域１８ ７はそれぞれ第１４図の領域２０５．２０４．２０３．２０２および２０１に対 応している。第１９図の領域１７７．１８１，１８５は第１のＩくルク降伏ダイ オードー整流ダイオード対１７０に属し、第１９図の領域１７６．１７９、＋８ ０．１８１，１８７は第３のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード対＋７２に 属している。

第１８図を参照して、バルク降伏ダイオード−整流ダイオ−１・対１７０．１７ １，１７２の相対方位は１個のバルク降伏ダイオードかトリガーされると他のバ ルク降伏ダイオードもトリガーされる性向を高めるようにされている。第１のバ ルク降伏ダイオード−整流ダイオード１７０は図面上で実質的に矩形状とされて おり、第２および第３の各バルク降伏ダイオードー整流ダイオード対１７１．１ ７２は図面上で実質的に方形状とされている。

第２および第３のバルク降伏ダイオード−整流ダイオ−１一対１７１．１７２は 第１のバルク降伏ダイオード−整流ダイオード組合せ１７０の長辺に沿って横に 並べられている。バルク降伏ダイオード−整流ダイオード対のバルク降伏ダイオ ードは集積回路の中央局りに寄せ集められ、！・リガーされて３つのバルク降伏 ダイオード−整流ダイオード対のいずれか１つに発生する電荷か急速に隣接バル ク降伏ダイオードへ流れて両方共トリガーさせるような構造か得られる。第１９ 図に示すように、ｎ−影領域１８１は全てのバルク降伏ダイオード−整流ダイオ ード対１７０．１７１，１７２に共通であり、いずれか一つのバルク降伏ダイオ ード−整流ダイオード対のその領域に発生する電荷は池の各バルク降伏ダイオー ドー整流ダイオード対へ流入するための移動距離か比較的短い。

したかって、第１８図および第１９図に示す部品は第２図に示す部品に対して記 述したものと実質的に同様に作動するか、バルク降伏ダイオード−整流ダイオー ド対が密集されているため第２図に示す部品よりもより迅速に相互トリガーする 部品が得られる。

第１８図および第１９図に示すように、カソード領域１７５．１７６がそれぞれ 第４図の端子２５１．２５３に接続されている２個のバルク降伏ダイオードは（ カソード領域！７４が第４図の端子２５２に接続されている）第３のバルク降伏 ダイオードと分路されている整流ダイオードに沿って横に並べられている。した がって、電話システムのＡすなわちリング（端子２５１）およびＢすなわちチッ プ（端子２５３）線に接続されるノくルク降伏ダイオードは電話システムの接地 線に接続される整流ダイオードに近い。さらに、カソード領域１７５．１７６の 隣接整流ダイオードおよび互いに最も近い領域には隣接ｐ形ゲー］・領域１７９ で充填される間隙は無く、他よりもこの領域でより感度の高いバルク降伏ダイオ ードが得られる。また、これらの領域の間隙を少くするかもしくは小さくするこ とによりこれらの領域の感度を強化することもできる。

第１８図および第１９図に示す部品のバルク降伏ダイオードの相互トリが−が部 品の中央領域に電流を集中させるために第１９図に領域１８０で示すようなｎ影 領域を部品の中央領域のみに設けることによりさらに改善される。相互トリガー の改善には部品のトリガー電流の低減および電流を急速に増大させる電圧オーツ くシュートの増大を伴うことがある。特定条件の元で電圧オーツくシュートを生 じる修正部品の性向は部品の活性領域全体に延長する第２のｎ影領域を設けて抑 制することができる。

２つのｎ影領域を有する各バルク降伏ダイオードは一方か他方よりも小さくかつ 他方よりも高感度でトリガー電圧が低い２個のバルク降伏ダイオードと同等であ る。２つのｎ影領域を有するバルク降伏ダイオードは第１および第２のバルク降 伏ダイオードとして作動し第１の小さい方のバルク降伏ダイオードが最初にトリ ガーしてその電流上昇率がある設定値に達するまでは唯一の電流導体であり、こ の電流設定値は第２の大きい方のバルク降伏ダイオードを活性化させる電圧オー バシュートに対応している。

第１７図を参照して、ｎ−影領域１１とｐ影領域１３間の接合に設けられるｎ影 領域１２はＰＮＰデバイスであるバルク降伏ダイオードの特徴を表わしている。

第１７図から明らかなように、領域１１および領域１２は同じ導電型であり、領 域１２は領域１．１よりも高濃度でドープされている。一対のバルク降伏ダイオ ードである第１７図に示す部品は一方のバルク降伏ダイオードの第１のｎ影領域 １２と他方のバルク降伏ダイオードの第２のｎ影領域Ｉ６を含んでいる。

第１７図および第１９図を参照して、第１９図の領域１８０は第１９図の領域Ｉ ２もしくは領域１６に対応している。

第１図、第２図、第１５図、第１７図および第１９図を参照すれば、バルク降伏 ダイオードはＰＮＰＮダイオード、すなわちマルチ接合ダイオードであることは 明らかである。

第３図および第４図に示す部品はスター接続部品とみなされる。第３図に示す部 品の場合、部品を接続するシステムの接地線に接続されたスター状のアームを形 成する一対のバルク降伏ダイオードの一方はスター状の他方のいずれかのアーム のバルク降伏ダイオードがトリガーされる時にトリガーされる。スター構成によ り部品のトリガーを生しる過渡電圧の変化がある場合にスターの中心は大地電位 となる。このような結果はデルタ接続部品では得られず、同じバルク降伏ダイオ ードを有する各デルタ接続およびスター接続部品に対して、スター接続部品では デルタ接続部品の半分の給電線間過渡電圧変化しか許可されない。

前記した部品は３つ以上の端子を有するシングルチップ過電圧保護器である。前 記した構造は全て３つ以上の端子を有するシングルチップとして製作することが できる。これらの構造は全て縦電流で作動し、横電流で作動する公知の構造より も電流容量が高い。部品は給電線間に生しるインパルス電圧を低減することによ り部品か接続されている給電線上の共通の外乱電圧に応答する。部品はｎ影領域 のさまざまな打込みレベルにより調整されるさまざまなトリガー電圧を有するバ ルク降伏ダイオードを含んでいる。バルク降伏ダイオード−整流ダイオードとバ ルク降伏ダイオード対の組合せは部品内で使用することかできる。２つの形状の 部品によりバルク降伏ダイオード間の結合が得られる。

補正書の写しく翻訳文）提出書（特許法第１８４条の８）平成　５　年　１２　 月　１０　日１

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．少くとも３本の給電線を有するシステムの給電線上の過渡電圧を制限するの に適した半導体部品であって、該部品は給電線の各々に接続される少くとも３つ の入力手段を含み、各入力手段には高インピーダンス状態から低インピーダンス 状態へ変化する閾値電圧を有するマルチ接合ダイオードがそれぞれ含まれており 、各マルチ接合ダイオードは各入力手段と共通端子間に同じ意味合いで接続され ており、各マルチ接合ダイオードは逆の意味合いでそれに分路接続されているも う１個のダイオードを有する半導体部品。
2. ２．請求項１に記載された半導体部品であって、マルチ接合ダイオードのカソー ド電極が各入力手段に接続されている半導体部品。
3. ３．請求項１もしくは請求項２に記載された半導体部品であって、もう１個の各 ダイオードは一つのＰＮ接合を有するダイオードである半導体部品。
4. ４．請求項１もしくは請求項２に記載された半導体部品であって、全部ではない が少くとも一つのもう１個のダイオードはマルチ接合ダイオードであり、他のも う１個のダイオードの各々が一つのＰＮ接合を有している半導体部品。
5. ５．請求項１もしくは請求項２に記載された半導体部品であって、もう１個の各 ダイオードがマルチ接合ダイオードである半導体部品。
6. ６．前記いずれか一項に記載された半導体部品であって、該部品は２つの実質的 に平行な主面を有しダイオードの電極が主面上にあるような半導体本体形状とさ れており、入力手段は一方の主面上で各ダイオード対の電極とコンタクトする複 数の導電体および他方の主面上でその面の全ての電極とコンタクトする共通端子 であるもう一つの導電体である半導体部品。
7. ７．請求項６記載の半導体部品であって、主面は実質的に矩形伏であり、ダイオ ードは共に主面に沿ってそれを横切する交番するマルチ接合ダイオードおよびも う１個のダイオードであり、各入力手段はマルチ接合ダイオードおよびもう１個 のダイオードからなるダイオード対とコンタクトする半導体部品。
8. ８．請求項７に記載された半導体部品であって、各入力手段は主面の一部を横切 して延長する半導体部品。
9. ９．請求項６〜８のいずれか一項に記載された半導体部品であって、分離領域に より各ダイオード対が半導体本体を占有する他方のダイオード対から電気的に分 離される半導体部品。
10. １０．請求項６〜８のいずれか一項に記載された半導体部品であって、半導体本 体のドープ領域は全てのダイオード対に対して共通である半導体部品。
11. １１．請求項６に記載された半導体部品であって、マルチ接合ダイオードは半導 体本体の中心周りに寄せ集められており、半導体本体のドープ領域は全てのダイ オード対に対して共通である半導体部品。
12. １２．請求項３もしくは請求項４に記載された半導体部品であって、該部品は２ つの実質的に平行な主面を有する半導体本体の形状とされており、ダイオードの 電極は主面上にあり、入力手段は一方の主面上で各ダイオード対とコンタクトす る複数の導電体および他方の主面上でその面の全ての電極とコンタクトする共通 端子であるもう一つの導電体であり、もう１個の各ダイオードはもう一つの導電 体に隣接する高濃度ドープｎ形（ｎ＋）領域と、ｎ＋領域に隣接する低濃度ドー プｎ形（ｎ−）領域と、ｎ−領域に隣接するｐ形領域を有する半導体部品。
13. １３．請求項１２に記載された半導体部品であって、マルチ接合ダイオードのカ ソード領域（ｎ＋）は隣接ｐ形ゲート領域の材料が充填される複数個の間隙を有 する半導体部品。
14. １４．請求項１２もしくは請求項１３に記載された半導体部品であって、各マル チ接合ダイオードはもう１個の各ダイオードの低濃度ドープｎ形（ｎ−）領域よ りも薄い低濃度ドープｎ形（ｎ−）領域である内部Ｎ領域を有する実質的なＰＮ ＰＮ構造を有し、各領域の厚さは部品を流れる電流の方向で測定される半導体部 品。
15. １５．請求項１〜１４のいずれか一項に記載された半導体部品であって、各マル チ接合ダイオードは実質的なＰＮＰＮ構造を有し、低濃度ドープｎ形（ｎ−）領 域である内部Ｎ領域内にｎ−領域よりも不純物濃度の高い埋込ｎ形領域を含み、 埋込ｎ形傾城はＰＮＰＮ構造の内部Ｐ領域に隣接している半導体部品。
16. １６．請求項１〜４のいずれか一項に記載された半導体部品であって、該部品は ダイオードが導通するとその電荷が自由に他のダイオードの少くとも一方に流れ て電通開始させるように構成された半導体本体の形状とされている半導体部品。
17. １７．請求項１６に記載された半導体部品であって、マルチ接合ダイオードは半 導体本体の中心周りに寄せ集められている半導体部品。
18. １８．請求項１７に記載された半導体部品であって、マルチ接合ダイオードは半 導体本体の他の部分よりも半導体本体の中心付近で一層容易に電荷を導通させる ように構成されている半導体部品。
19. １９．請求項１８に記載された半導体部品であって、各マルチ接合ダイオードは 半導体本体の中央付近では第１のマルチ接合ダイオードとして作動し半導体本体 の他の部分では第２のマルチ接合ダイオードとして作動するように構成されてい る半導体部品。
20. ２０．添付第１図、もしくは第３図、もしくは第１図と第３図、もしくは第１図 と第３図と第１５図と第１６図を参照して実質的に説明および図解した半導体部 品。
21. ２１．添付第２図、もしくは第４図、もしくは第２図と第４図、もしくは第２図 と第４図と第１３図と第１４図を参照として実質的に説明および図解した半導体 部品。
22. ２２．添付第１７図および第１８図、もしくは第４図と第１７図と第１８図を参 照して実質的に説明および図解した半導体部品。
23. ２３．前記いずれか一項に記載された半導体部品を含む電話回路。