JPH0945892A - Surge protection element - Google Patents

Surge protection element

Info

Publication number
JPH0945892A
JPH0945892A JP19068695A JP19068695A JPH0945892A JP H0945892 A JPH0945892 A JP H0945892A JP 19068695 A JP19068695 A JP 19068695A JP 19068695 A JP19068695 A JP 19068695A JP H0945892 A JPH0945892 A JP H0945892A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
resistor
layer region
surge protection
thyristor
emitter layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP19068695A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Hidetaka Sato
秀隆 佐藤
Yoshio Shimoda
義雄 下田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP19068695A priority Critical patent/JPH0945892A/en
Publication of JPH0945892A publication Critical patent/JPH0945892A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Thyristors (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 拡散エミッタ層領域と電極との間に配置した
抵抗体による電力損失を小さくして発熱を抑えることに
より、サージ電流耐量を向上させ、高い信頼性を得る。 【解決手段】 抵抗体を負の温度係数を有する抵抗体で
構成する。負の温度係数を有する抵抗体は、温度の上昇
によって抵抗値が減少し、抵抗体による電力損失が低減
する。
(57) Abstract: A surge current withstand capability is improved and high reliability is obtained by reducing power loss due to a resistor disposed between a diffused emitter layer region and an electrode to suppress heat generation. The resistor is formed of a resistor having a negative temperature coefficient. The resistance value of the resistor having a negative temperature coefficient decreases as the temperature rises, and the power loss due to the resistor decreases.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電話回線その他に
誘導された雷等の高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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a surge protection element for protecting a communication terminal or a maintenance worker from a high voltage surge such as lightning induced on a telephone line or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】pnpn4層構造のサイリスタを利用し
たサージ防護素子は、降伏電圧(ブレークオーバ電圧)
以上の異常電圧が印加されたときに、素子内に低インピ
ーダンス電流通路を形成して順方向阻止状態から導通状
態に変えるサイリスタ動作により、異常電圧に伴う大電
流を吸収して素子の両端電圧を一定電圧値以下にクラン
プし、電気回路系を保護する素子である。
2. Description of the Related Art A surge protection element using a pnpn four-layer thyristor has a breakdown voltage (breakover voltage).
When the above abnormal voltage is applied, a low impedance current path is formed in the device, and the thyristor operation that changes from the forward blocking state to the conducting state absorbs the large current accompanying the abnormal voltage and reduces the voltage across the element. It is an element that clamps below a certain voltage value to protect the electric circuit system.

【0003】なお、サージ防護素子は、正負のサージに
対して同等の防護機能を果たすために、2つ以上のサイ
リスタを同一基板内で逆並列接続した構造をもつ。たと
えば、図4の等価回路に示すように、浮遊ベース層を共
有した2つのサイリスタ51,52を逆並列接続して構
成される。図5は、従来のサージ防護素子の構造を示す
断面図である。なお、ここでは第1の導電型をp型と
し、第2の導電型をn型とする。
The surge protection element has a structure in which two or more thyristors are connected in anti-parallel in the same substrate in order to perform an equivalent protection function against positive and negative surges. For example, as shown in an equivalent circuit of FIG. 4, two thyristors 51 and 52 sharing a floating base layer are connected in anti-parallel. FIG. 5 is a sectional view showing the structure of a conventional surge protection element. Here, the first conductivity type is p-type, and the second conductivity type is n-type.

【0004】図において、p型の半導体基板1の両面
に、n型の拡散ベース層領域2,2′を形成する。この
n型の拡散ベース層領域2,2′内にp型の拡散エミッ
タ層領域3,3′を基板の両面で互い違いに形成し、さ
らに必要があればオーミック接合形成のために拡散ベー
ス層領域2,2′の拡散表面濃度より高い濃度のn型の
オーミック領域5,5′を互い違いに形成する。また、
それらの表面にシリコン酸化膜などの保護膜6,6′を
酸化法あるいは堆積法その他の手法により形成し、n型
の拡散ベース層領域2,2′、p型の拡散エミッタ層領
域3,3′、n型のオーミック領域5,5′の位置に窓
開けを施し、その窓全面に電極7,7′を形成する。
In the figure, n-type diffusion base layer regions 2 and 2'are formed on both sides of a p-type semiconductor substrate 1. In the n-type diffusion base layer regions 2 and 2 ', p-type diffusion emitter layer regions 3 and 3'are alternately formed on both surfaces of the substrate, and if necessary, to form ohmic junctions, the diffusion base layer regions are formed. The n-type ohmic regions 5, 5'having a concentration higher than the diffusion surface concentration of 2, 2'are formed alternately. Also,
Protective films 6, 6 ′ such as a silicon oxide film are formed on their surfaces by an oxidation method, a deposition method or another method, and n type diffusion base layer regions 2, 2 ′ and p type diffusion emitter layer regions 3, 3 are formed. A window is opened at the positions of the ', n-type ohmic regions 5, 5', and electrodes 7, 7'are formed on the entire surface of the window.

【0005】すなわち、p型の拡散エミッタ層領域3,
n型の拡散ベース層領域2,p型の半導体基板1,n型
の拡散ベース層領域2′によりpnpn構造の順方向サ
イリスタ8が構成される。また、p型の拡散エミッタ層
領域3′,n型の拡散ベース層領域2′,p型の半導体
基板1,n型の拡散ベース層領域2によりpnpn構造
の逆方向サイリスタ9が構成される。
That is, the p-type diffusion emitter layer region 3
The n-type diffusion base layer region 2, the p-type semiconductor substrate 1, and the n-type diffusion base layer region 2 'constitute a forward thyristor 8 having a pnpn structure. A p-type diffusion emitter layer region 3 ', an n-type diffusion base layer region 2', a p-type semiconductor substrate 1, and an n-type diffusion base layer region 2 constitute a reverse thyristor 9 having a pnpn structure.

【0006】ここで、サージ防護素子の機能について説
明する。上面の電極7に正電圧が印加されている場合に
は、n型の拡散ベース層領域2とp型の半導体基板1と
によるpn接合は逆バイアスとなり、印加電圧が接合降
伏電圧を越えるまでは電流は漏れ電流しか流れず、通常
は高インピーダンス状態にある。しかし、接合降伏電圧
を越えるサージが入ると、このpn接合の降伏によって
p型の半導体基板1に電荷が注入される。さて、順方向
サイリスタ8において、p型の半導体基板1はサイリス
タのベース層を構成するので、ここへの電荷注入により
このサイリスタがオン状態となる。すなわち、サージ電
圧の印加によってサイリスタがオン状態となり、低イン
ピーダンスとなってサージ電流を通過させる。このサー
ジによる異常電流通過後の定常状態では、ベース層を構
成するp型の半導体基板1内の電荷再結合による電荷消
滅のために、サイリスタはオン状態を維持できず、オフ
状態に自動復帰する(例えば特開平1−307264号
公報)。
Here, the function of the surge protection element will be described. When a positive voltage is applied to the electrode 7 on the upper surface, the pn junction between the n-type diffusion base layer region 2 and the p-type semiconductor substrate 1 is reverse biased, and until the applied voltage exceeds the junction breakdown voltage. The current flows only through leakage current and is usually in a high impedance state. However, when a surge exceeding the junction breakdown voltage enters, charges are injected into the p-type semiconductor substrate 1 by the breakdown of the pn junction. Now, in the forward thyristor 8, the p-type semiconductor substrate 1 constitutes the base layer of the thyristor, and the charge injection therein turns the thyristor on. That is, the thyristor is turned on by the application of the surge voltage, the impedance becomes low, and the surge current is passed. In a steady state after passing an abnormal current due to the surge, the thyristor cannot automatically maintain the ON state and automatically returns to the OFF state due to charge disappearance due to charge recombination in the p-type semiconductor substrate 1 constituting the base layer. (For example, JP-A-1-307264).

【0007】一方、構造の対称性から下面の電極7′に
正電圧サージが印加された場合も同様に逆方向サイリス
タ9が動作する。図6は、雷サージ印加時の電圧−電流
特性を示す図である。図において、横軸は電圧であり、
縦軸は電流である。Vb0はブレークオーバ電圧、IH
保持電流、VT は雷サージ電流IF におけるオン電圧で
ある。なお、Vb0′、IH′、VT′、IF′ はそれぞれ
逆方向における値である。
On the other hand, even when a positive voltage surge is applied to the lower electrode 7 'due to the symmetry of the structure, the reverse thyristor 9 operates similarly. FIG. 6 is a diagram showing voltage-current characteristics when a lightning surge is applied. In the figure, the horizontal axis is voltage,
The vertical axis represents current. V b0 are breakover voltage, is I H holding current, V T is the on-voltage in the lightning surge current I F. V b0 ′, I H ′, V T ′, and IF ′ are values in the opposite directions.

【0008】ここで、雷サージ印加時のサージ防護素子
におけるエネルギー損失Eは、
Here, the energy loss E in the surge protection element when a lightning surge is applied is

【0009】[0009]

【数1】 [Equation 1]

【0010】と表すことができる。なお、これはサージ
防護素子における発熱量Qに等しい。ところで、素子の
破壊は、素子内部における発熱温度に依存する。雷サー
ジは短時間のパルスであるために、雷サージ印加時にお
ける素子内部の発熱が瞬時であるのに対して、その熱が
外部へ伝導する熱時定数は大きい。図7は、雷サージ印
加時の素子内部の温度分布の時間変化を示す図である。
Can be expressed as Note that this is equal to the calorific value Q of the surge protection element. Incidentally, destruction of the element depends on the heat generation temperature inside the element. Since the lightning surge is a short-time pulse, the internal heat generation of the element when the lightning surge is applied is instantaneous, whereas the heat transmitted to the outside has a large thermal time constant. FIG. 7 is a diagram showing the time variation of the temperature distribution inside the element when a lightning surge is applied.

【0011】図において、横軸は図5に示すサージ防護
素子のx軸方向の位置を示し、縦軸は各位置における温
度を示す。順方向サイリスタ8が発熱したときに、逆方
向サイリスタ9はそのヒートシンクとして機能する。し
かし、素子全体が均一な温度になるのに時間がかかるの
で、図7に示すように素子内部における温度勾配が大き
くなる。したがって、サージ防護素子の熱膨張差による
機械的歪の発生は避けがたく、サージ電流の大きさによ
っては素子の破壊を招くことがあった。すなわち、素子
の破壊はその内部における発熱温度(ピーク温度)に依
存しているが、従来構造ではそれ自体を低減することが
できないためにサージ電流耐量が小さくなっていた。
In the figure, the horizontal axis shows the position of the surge protection element shown in FIG. 5 in the x-axis direction, and the vertical axis shows the temperature at each position. When the forward thyristor 8 generates heat, the reverse thyristor 9 functions as a heat sink. However, since it takes time for the entire element to reach a uniform temperature, the temperature gradient inside the element becomes large as shown in FIG. Therefore, the occurrence of mechanical strain due to the difference in thermal expansion of the surge protection element is unavoidable, and the element may be destroyed depending on the magnitude of the surge current. That is, the destruction of the element depends on the heat generation temperature (peak temperature) inside the element. However, the conventional structure cannot reduce the element itself, so that the surge current resistance is reduced.

【0012】特開平5−74321号公報に記載のサー
ジ防護素子は、この問題点を解決するものである。その
断面構造の一例を図8に示す。図8において、図5のサ
ージ防護素子の各部と同一機能を有するものは同一符号
を付す。本素子は、拡散エミッタ層領域3,3′をスト
ライプ状に形成し、同一の電極7,7′に接続される順
方向サイリスタおよび逆方向サイリスタを交互に複数個
並べたことを特徴とする。微細化された順方向サイリス
タ11,12,13は、p型の拡散エミッタ層領域3,
n型の拡散ベース層領域2,p型の半導体基板1,n型
の拡散ベース層領域2′により構成される。また、微細
化された逆方向サイリスタ14,15,16は、p型の
拡散エミッタ層領域3′,n型の拡散ベース層領域
2′,p型の半導体基板1,n型の拡散ベース層領域2
により構成される。
The surge protection element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-74321 solves this problem. FIG. 8 shows an example of the cross-sectional structure. 8, components having the same functions as those of the respective parts of the surge protection element in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals. This device is characterized in that the diffused emitter layer regions 3, 3 'are formed in a stripe shape, and a plurality of forward thyristors and reverse thyristors connected to the same electrodes 7, 7' are alternately arranged. The miniaturized forward thyristors 11, 12, 13 are provided with p-type diffusion emitter layer regions 3, 3.
It is composed of an n-type diffusion base layer region 2, a p-type semiconductor substrate 1, and an n-type diffusion base layer region 2 '. Further, the miniaturized reverse thyristors 14, 15, 16 include a p-type diffusion emitter layer region 3 ', an n-type diffusion base layer region 2', a p-type semiconductor substrate 1, and an n-type diffusion base layer region. 2
It consists of.

【0013】このように、微細化された順方向サイリス
タおよび逆方向サイリスタが隣接して配置された構造に
なっているので、例えば電極7に正の雷サージが印加さ
れた場合には、複数の順方向サイリスタ11,12,1
3が発熱し、発熱源が分散される。図9は、雷サージ印
加時の素子内部の温度分布の時間変化を示す図である。
As described above, since the miniaturized forward thyristor and reverse thyristor are arranged adjacent to each other, for example, when a positive lightning surge is applied to the electrode 7, a plurality of thyristors are provided. Forward thyristors 11, 12, 1
3 generates heat, and the heat source is dispersed. FIG. 9 is a diagram showing the time variation of the temperature distribution inside the element when a lightning surge is applied.

【0014】図において、横軸は図8に示すサージ防護
素子のx軸方向の位置を示し、縦軸は各位置における温
度を示す。微細化された複数の順方向サイリスタ11,
12,13が分散して発熱するために、1つの順方向サ
イリスタ当たりの発熱量(ピーク温度)は小さくなる。
また、隣接する逆方向サイリスタ14,15,16はヒ
ートシンクとして吸熱するが、それらも微細化されてい
るために熱伝導距離が短く、素早く素子全体の温度が均
一になる。したがって、サージ印加時に素子内部に発生
する温度勾配が緩やかになり、熱膨張差により発生する
機械的歪を小さくすることができる。また、ピーク温度
も低くなるので、サージ防護素子の信頼性およびサージ
電流耐量を向上させることができる。
In the figure, the horizontal axis shows the position of the surge protection element shown in FIG. 8 in the x-axis direction, and the vertical axis shows the temperature at each position. A plurality of miniaturized forward thyristors 11,
Since 12 and 13 disperse and generate heat, the amount of heat generation (peak temperature) per forward thyristor becomes small.
Further, the adjacent reverse thyristors 14, 15 and 16 absorb heat as a heat sink, but since they are also miniaturized, the heat conduction distance is short and the temperature of the entire element is quickly made uniform. Therefore, the temperature gradient generated inside the element when a surge is applied becomes gentle, and the mechanical strain generated due to the difference in thermal expansion can be reduced. Further, since the peak temperature is lowered, the reliability of the surge protection element and the surge current withstand capability can be improved.

【0015】しかし、これはサイリスタ(11〜16)
がすべて同一特性をもった場合であり、実際には半導体
基板1、拡散ベース層領域2,2′、拡散エミッタ層領
域3,3′の不純物濃度の不均一性や結晶欠陥その他の
原因により、すべて同一特性をもつように製造すること
は困難である。一般のサイリスタは、このような不均一
性により最初のスイッチングはある1点の微小部分で起
こり、隣接領域が順次スイッチングして動作領域が拡大
し、全領域がスイッチングする動作となる。
However, this is a thyristor (11-16)
All have the same characteristics, and in reality, due to non-uniformity of the impurity concentration of the semiconductor substrate 1, the diffusion base layer regions 2 and 2 ', and the diffusion emitter layer regions 3 and 3', crystal defects and other causes, It is difficult to manufacture them so that they all have the same characteristics. In a general thyristor, the first switching occurs at a certain minute portion due to such non-uniformity, the adjacent regions are sequentially switched, the operation region is enlarged, and the entire region is switched.

【0016】図8に示すサージ防護素子においても一般
のサイリスタと同様に、雷サージ印加時には順方向サイ
リスタ11〜13あるいは逆方向サイリスタ14〜16
のうち、最初のスイッチングはある1点の微小部分であ
り、隣接領域が順次スイッチングして動作領域が広がっ
ていく。しかし、エミッタ幅Wがベース層における多数
キャリアの横方向の拡散長dに比べて長い場合は、複数
の同極性サイリスタはそれぞれ独立となるので、個別の
サイリスタを並列接続した場合と同じになる。このよう
な状況から、複数のサイリスタのうちわずか1つのサイ
リスタしか動作しないこともあり、その場合にはそのサ
イリスタに雷サージが集中して流れ、発熱が著しく大き
くなり、サージ電流耐量が低下する問題点があった。
In the surge protection element shown in FIG. 8, as in a general thyristor, when a lightning surge is applied, the forward thyristors 11 to 13 or the reverse thyristors 14 to 16 are applied.
Of these, the first switching is a minute portion of a certain point, and the adjacent regions are sequentially switched to expand the operation region. However, when the emitter width W is longer than the diffusion length d of the majority carriers in the base layer in the horizontal direction, the plurality of thyristors of the same polarity are independent from each other. Under such circumstances, only one of the thyristors may operate, and in such a case, a lightning surge is concentrated on the thyristor, and the heat generation is remarkably increased, resulting in a decrease in surge current resistance. There was a point.

【0017】特開平6−53487号公報に記載のサー
ジ防護素子は、ストライプ状の拡散エミッタ層領域3,
3′をそれぞれ櫛形状に一体化し、同極性サイリスタの
すべてを確実に動作させるようにしたものである。すな
わち、櫛形構造によって順方向、逆方向それぞれに1つ
のサイリスタとし、一部に雷サージ電流が集中すること
を防ぐものである。しかし、1点の微小部分で起こった
最初のスイッチングからキャリアの拡散により動作領域
が広がっていく構造には変わりない。したがって、櫛形
構造によりいずれ全面がスイッチングするものの、キャ
リアの拡散による動作領域の広がりは時間がかかるの
で、全面がスイッチングするまでに時間がかかる問題点
があった。
The surge protection element described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-53487 discloses a stripe-shaped diffusion emitter layer region 3,
3 'are integrated in a comb shape to ensure that all thyristors of the same polarity operate. That is, one thyristor is provided in each of the forward direction and the reverse direction by the comb-shaped structure, and the lightning surge current is prevented from being partially concentrated. However, there is no change in the structure in which the operation region is expanded by the diffusion of carriers from the first switching occurring at a minute portion of one point. Therefore, although the entire surface is eventually switched by the comb-shaped structure, it takes time to spread the operation region due to the diffusion of carriers, so that it takes time until the entire surface is switched.

【0018】ところで、複数のトランジスタを並列使用
する時に、図10(1),(2) に示すようにエミッタ・接地
間に抵抗61を接続する回路構成法がある。これは、1
つのトランジスタに電流が集中したときに、その抵抗に
よる電位上昇で他のトランジスタをスイッチングさせて
均等に電流を流し、電流集中を回避する技術である。同
様に複数のサイリスタを並列使用する場合には、図11
(1),(2) に示す等価回路のように、アノードあるいはカ
ソードと接地間に抵抗62を接続することにより電流集
中を避けることができる。しかし、図5あるいは図8に
示すサイリスタは電極7,7′が全面に形成されてお
り、抵抗を外付けできる構造にはなっていなかった。
By the way, there is a circuit configuration method in which a resistor 61 is connected between the emitter and the ground as shown in FIGS. 10 (1) and 10 (2) when a plurality of transistors are used in parallel. This is 1
In this technology, when current concentrates on one transistor, the other transistor is switched by the potential rise due to the resistance to flow current evenly to avoid current concentration. Similarly, when a plurality of thyristors are used in parallel, FIG.
As in the equivalent circuits shown in (1) and (2), the current concentration can be avoided by connecting the resistor 62 between the anode or cathode and the ground. However, the thyristor shown in FIG. 5 or FIG. 8 has the electrodes 7, 7 'formed on the entire surface, and does not have a structure in which a resistor can be externally attached.

【0019】特願平6−137661号のサージ防護素
子は、ストライプ状あるいは櫛形状に微細化したサイリ
スタ構造において、拡散エミッタ層領域と電極との間に
抵抗体を設ける。この拡散エミッタ層領域がストライプ
状であれば、1つのサイリスタに電流が集中しても抵抗
による電位上昇で他のサイリスタをスイッチングさせ、
各サイリスタを確実に並列動作させることができる。ま
た、拡散エミッタ層領域が櫛形状であれば、サイリスタ
の1点の微小部分からスイッチングが始まっても、抵抗
体の電圧効果作用によって短時間に素子全体に動作領域
を広げることができる。このように、抵抗の働きにより
素子全体を確実にかつ短時間で動作させることができ、
これによりサージ電流耐量を向上させ、高い信頼性を得
ることができるようになっている。
In the surge protection element of Japanese Patent Application No. 6-137661, a resistor is provided between a diffusion emitter layer region and an electrode in a thyristor structure which is miniaturized in a stripe shape or a comb shape. If the diffused emitter layer region has a stripe shape, even if the current is concentrated in one thyristor, another thyristor is switched by the potential increase due to the resistance,
The thyristors can be reliably operated in parallel. In addition, if the diffusion emitter layer region has a comb shape, even if switching starts from a minute portion of one point of the thyristor, the operating region can be spread over the entire device in a short time by the voltage effect of the resistor. In this way, the function of the resistor makes it possible to operate the entire element reliably and in a short time,
As a result, the surge current resistance can be improved and high reliability can be obtained.

【0020】[0020]

【発明が解決しようとする課題】しかし、抵抗体を有す
るサージ防護素子では、抵抗体に雷サージの大電流が流
れるので、抵抗による電力損失の発生が避けられない。
たとえば、電力損失は、電流の2乗×抵抗値であること
から、雷サージ電流が1000A、抵抗値が0.01Ωであれ
ば、 10000Wの非常に大きな電力損失が発生する。その
結果、素子が局部的に発熱してシリコンの融点以上にな
ると、素子の破壊を招くことがあった。
However, in a surge protection element having a resistor, a large current of lightning surge flows through the resistor, so that power loss due to the resistance cannot be avoided.
For example, the power loss is the square of the current multiplied by the resistance value. Therefore, if the lightning surge current is 1000 A and the resistance value is 0.01 Ω, a very large power loss of 10000 W occurs. As a result, if the element locally generates heat and becomes equal to or higher than the melting point of silicon, the element may be broken.

【0021】本発明は、このような抵抗による電力損失
を小さくして発熱を抑えることにより、サージ電流耐量
を向上させ、高い信頼性を得ることができるサージ防護
素子を提供することを目的とする。
It is an object of the present invention to provide a surge protection element capable of improving surge current withstanding capability and obtaining high reliability by reducing power loss due to such resistance and suppressing heat generation. .

【0022】[0022]

【課題を解決するための手段】本発明は、拡散エミッタ
層領域と電極との間に抵抗体を設けた特願平6−137
661号のサージ防護素子において、抵抗体を負の温度
係数を有する抵抗体で構成する。動作初期は、先願のサ
イリスタ素子と同じメカニズムで、抵抗の働きにより素
子全体を確実にかつ短時間で動作させることができる。
さらに、雷サージの大電流が流れると、サイリスタ素子
の自己発熱が抵抗体に伝わる。ここで、負の温度係数を
有する抵抗体は、温度の上昇によって抵抗値が減少し、
抵抗体による電力損失が低減する。
According to the present invention, a resistor is provided between a diffused emitter layer region and an electrode in Japanese Patent Application No. 6-137.
In the surge protection element of No. 661, the resistor is composed of a resistor having a negative temperature coefficient. At the initial stage of operation, the same mechanism as that of the thyristor element of the prior application allows the entire element to operate reliably and in a short time by the action of resistance.
Further, when a large current of lightning surge flows, the self-heating of the thyristor element is transmitted to the resistor. Here, the resistance value of a resistor having a negative temperature coefficient decreases as the temperature rises,
Power loss due to the resistor is reduced.

【0023】このサージ防護素子の拡散エミッタ層領域
は、エミッタ領域の周辺部に電流が集中するエミッタ・
クラウディング効果および過渡熱拡散を考慮して、その
面積Aと周辺長Lの比A/Lが小さくなる形状(例えば
ストライプ状あるいは櫛形状)とする。サージ防護素子
がストライプ状の拡散エミッタ層領域をもっている場合
には、各拡散エミッタ層領域に対応する複数の微細化サ
イリスタが並列に動作しようとする。また、サージ防護
素子が櫛形状の拡散エミッタ層領域をもっている場合に
は、1つのサイリスタとして動作する。
The diffused emitter layer region of this surge protection element is an emitter layer in which current concentrates on the periphery of the emitter region.
In consideration of the crowding effect and transient heat diffusion, the shape is set such that the ratio A / L of the area A and the peripheral length L becomes small (for example, stripe shape or comb shape). When the surge protection element has stripe-shaped diffusion emitter layer regions, a plurality of miniaturized thyristors corresponding to the diffusion emitter layer regions tend to operate in parallel. When the surge protection element has a comb-shaped diffusion emitter layer region, it operates as one thyristor.

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】図1は、本発明のサージ防護素子
の第1の実施形態を示す図である。なお、(1) は上面
図、(2) は上面図におけるA−A′断面図、(3) は下面
図である。また、ここでは第1の導電型をp型とし、第
2の導電型をn型とする。図において、p型の半導体基
板1の両面に、n型の拡散ベース層領域2,2′を形成
する。このn型の拡散ベース層領域2内にストライプ状
のp型の拡散エミッタ層領域3を形成し、n型の拡散ベ
ース層領域2′内に拡散エミッタ層領域3と互い違いに
なるようにストライプ状のp型の拡散エミッタ層領域
3′を形成する。この各拡散エミッタ層領域3,3′を
覆うように、抵抗体10,10′として例えばアモルフ
ァスシリコンを形成する。また、それらの表面にシリコ
ン酸化膜などの保護膜6,6′を酸化法あるいは堆積法
その他の手法により形成し、n型の拡散ベース層領域
2,2′、抵抗体10,10′の位置に窓開けを施し、
その窓全面に電極7,7′を形成する。なお、上面図お
よび下面図では、保護膜6,6′および電極7,7′は
省略されている。
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a surge protection element of the present invention. (1) is a top view, (2) is a sectional view taken along the line AA 'in the top view, and (3) is a bottom view. Here, the first conductivity type is p-type, and the second conductivity type is n-type. In the figure, n-type diffusion base layer regions 2 and 2'are formed on both surfaces of a p-type semiconductor substrate 1. A striped p-type diffusion emitter layer region 3 is formed in the n-type diffusion base layer region 2, and a stripe-shaped p-type diffusion emitter layer region 3 is formed in the n-type diffusion base layer region 2 'so as to be alternate with the diffusion emitter layer region 3. To form a p-type diffused emitter layer region 3 '. Amorphous silicon, for example, is formed as the resistors 10 and 10 'so as to cover the diffusion emitter layer regions 3 and 3'. Further, protective films 6, 6 ', such as a silicon oxide film, are formed on the surfaces of the n-type diffusion base layer regions 2, 2', resistors 10, 10 'by the oxidation method, the deposition method, or another method. I gave a window to
Electrodes 7 and 7'are formed on the entire surface of the window. In the top and bottom views, the protective films 6, 6 'and the electrodes 7, 7' are omitted.

【0025】このようにしてp型の拡散エミッタ層領域
3,n型の拡散ベース層領域2,p型の半導体基板1,
n型の拡散ベース層領域2′によりpnpn構造の順方
向サイリスタが構成される。また、p型の拡散エミッタ
層領域3′,n型の拡散ベース層領域2′,p型の半導
体基板1,n型の拡散ベース層領域2によりpnpn構
造の逆方向サイリスタが構成される。これらの順方向サ
イリスタおよび逆方向サイリスタが交互に配置された構
造になっているので、熱的には特開平5−74321号
公報に記載のサージ防護素子と同等の効果(図9の温度
分布)を得ることができる。
In this way, the p-type diffusion emitter layer region 3, the n-type diffusion base layer region 2, the p-type semiconductor substrate 1,
The n-type diffusion base layer region 2 'forms a forward thyristor having a pnpn structure. The p-type diffusion emitter layer region 3 ', the n-type diffusion base layer region 2', the p-type semiconductor substrate 1, and the n-type diffusion base layer region 2 constitute a reverse thyristor having a pnpn structure. Since the structure is such that these forward thyristors and reverse thyristors are alternately arranged, it is thermally equivalent to the surge protection element described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-74321 (temperature distribution in FIG. 9). Can be obtained.

【0026】さらに、それぞれのサイリスタの拡散エミ
ッタ層領域3,3′が、抵抗体10,10′を介して電
極7,7′に接続された構造になっているので、回路的
には図11(2) に示す複数のサイリスタの並列運転構成
と同様になる。すなわち、抵抗体10,10′の働きに
より、一部のサイリスタに電流が集中することを避け、
素子全体を確実かつ短時間で動作させることができる。
Further, since the diffusion emitter layer regions 3 and 3'of each thyristor are connected to the electrodes 7 and 7'through the resistors 10 and 10 ', the circuit is shown in FIG. It is similar to the parallel operation configuration of multiple thyristors shown in (2). That is, the action of the resistors 10 and 10 'prevents the current from being concentrated on some thyristors,
The entire device can be operated reliably and in a short time.

【0027】さらに、時間の経過とともに雷サージ電流
が増加していくが、抵抗体10,10′がサイリスタ素
子に接して形成された構造であるので、サイリスタの自
己発熱により熱が抵抗体へ伝導していく。抵抗体10,
10′を形成するアモルファスシリコンは、図2に示す
ように負の温度係数を有するので、温度が高くなると抵
抗値が減少し、抵抗体による損失を低減することができ
る。
Further, although the lightning surge current increases with the passage of time, since the resistors 10, 10 'are formed in contact with the thyristor element, heat is conducted to the resistor by self-heating of the thyristor. I will do it. Resistor 10,
Since the amorphous silicon forming 10 'has a negative temperature coefficient as shown in FIG. 2, the resistance value decreases as the temperature rises, and the loss due to the resistor can be reduced.

【0028】図3は、本発明のサージ防護素子の第2の
実施形態を示す図である。なお、(1) は上面図、(2) は
上面図におけるA−A′断面図、(3) は下面図である。
また、ここでは第1の導電型をp型とし、第2の導電型
をn型とする。図において、p型の半導体基板1の両面
に、n型の拡散ベース層領域2,2′を形成する。この
n型の拡散ベース層領域2内に櫛形状のp型の拡散エミ
ッタ層領域3を形成し、n型の拡散ベース層領域2′内
に拡散エミッタ層領域3と点対称になるように櫛形状の
p型の拡散エミッタ層領域3′を形成する。なお、櫛形
状の拡散エミッタ層領域3,3′は、第1実施例のスト
ライプ状の拡散エミッタ層領域3,3′と同様に、その
面積Aと周辺長Lとの比A/Lが小さくなる形状の1例
であり、この形状に限定されるものではない。
FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the surge protection element of the present invention. (1) is a top view, (2) is a sectional view taken along the line AA 'in the top view, and (3) is a bottom view.
Here, the first conductivity type is p-type, and the second conductivity type is n-type. In the figure, n-type diffusion base layer regions 2 and 2'are formed on both surfaces of a p-type semiconductor substrate 1. A comb-shaped p-type diffusion emitter layer region 3 is formed in the n-type diffusion base layer region 2, and a comb-shaped p-type diffusion emitter layer region 3 is formed in the n-type diffusion base layer region 2 ′ so as to be point-symmetric with the diffusion emitter layer region 3. A p-type diffusion emitter layer region 3'having a shape is formed. The comb-shaped diffusion emitter layer regions 3, 3 'have a small ratio A / L between the area A and the peripheral length L, similarly to the stripe-shaped diffusion emitter layer regions 3, 3' of the first embodiment. This is an example of the shape, and is not limited to this shape.

【0029】さらに、n型の拡散ベース層領域2,2′
内で櫛形状の拡散エミッタ層領域3,3′を埋めるよう
に、オーミック接合形成のために拡散ベース層領域2,
2′の拡散表面濃度より高い濃度のn型のオーミック領
域5,5′を点対称に形成する。さらに、各拡散エミッ
タ層領域3,3′を覆うように第1実施例と同様の負の
温度係数を有する抵抗体10,10′を形成する。ま
た、それらの表面にシリコン酸化膜などの保護膜6,
6′を酸化法あるいは堆積法その他の手法により形成
し、抵抗体10,10′、n型のオーミック領域5,
5′の位置に窓開けを施し、その窓全面に電極7,7′
を形成する。なお、上面図および下面図では、保護膜
6,6′および電極7,7′は省略し、拡散層領域の形
状を示している。
Further, the n-type diffusion base layer regions 2, 2 '
In order to fill the comb-shaped diffusion emitter layer regions 3 and 3 ′ therein, a diffusion base layer region 2 and an ohmic junction are formed.
The n-type ohmic regions 5 and 5'having a concentration higher than the diffusion surface concentration of 2'are formed point-symmetrically. Further, resistors 10 and 10 'having the same negative temperature coefficient as in the first embodiment are formed so as to cover the diffusion emitter layer regions 3 and 3'. In addition, a protective film 6 such as a silicon oxide film
6'is formed by an oxidation method, a deposition method, or another method, and the resistors 10, 10 ', the n-type ohmic region 5,
A window is opened at the 5'position, and electrodes 7, 7'are formed on the entire surface of the window.
To form In the top and bottom views, the protective films 6 and 6'and the electrodes 7 and 7'are omitted and the shape of the diffusion layer region is shown.

【0030】このように、櫛形状のp型の拡散エミッタ
層領域3,n型の拡散ベース層領域2,p型の半導体基
板1,n型の拡散ベース層領域2′によりpnpn構造
の順方向サイリスタが構成される。また、櫛形状のp型
の拡散エミッタ層領域3′,n型の拡散ベース層領域
2′,p型の半導体基板1,n型の拡散ベース層領域2
によりpnpn構造の逆方向サイリスタが構成される。
なお、n型のオーミック領域5,5′を形成することに
より、半導体部分と電極との接触電位差(ショットキー
障壁による損失)を小さくし、サージ電流耐量を向上さ
せることができる。熱的には特開平6−53487号公
報に記載のサージ防護素子と同等の効果を得ることがで
きる。
As described above, the comb-shaped p-type diffusion emitter layer region 3, the n-type diffusion base layer region 2, the p-type semiconductor substrate 1, and the n-type diffusion base layer region 2'provide the forward direction of the pnpn structure. A thyristor is constructed. Also, a comb-shaped p-type diffusion emitter layer region 3 ', an n-type diffusion base layer region 2', a p-type semiconductor substrate 1, and an n-type diffusion base layer region 2
Constitutes a reverse thyristor having a pnpn structure.
By forming the n-type ohmic regions 5, 5 ', the contact potential difference (loss due to the Schottky barrier) between the semiconductor portion and the electrode can be reduced, and the surge current withstand capability can be improved. Thermally, the same effect as that of the surge protection element described in JP-A-6-53487 can be obtained.

【0031】本実施例では、拡散エミッタ層領域3,
3′が櫛形状になっているので、順方向、逆方向それぞ
れに1つのサイリスタとして動作する。ここで、拡散エ
ミッタ層領域3,3′と電極7,7′とを接続する抵抗
体10,10′が有効に働く。すなわち、サイリスタの
スイッチングはある1点の微小部分から始まるが、そこ
に電流集中が起こると抵抗体10,10′の電圧降下に
より不動作部のサイリスタがスイッチングする。したが
って、従来のキャリア拡散によるスイッチ領域の広がり
効果に、さらに電界のドリフトによるスイッチ領域の広
がり効果が加わり、全面がスイッチングする時間を非常
に短くすることができる。
In the present embodiment, the diffused emitter layer regions 3,
Since 3 'has a comb shape, it operates as one thyristor in each of the forward and reverse directions. Here, the resistors 10, 10 'connecting the diffusion emitter layer regions 3, 3' and the electrodes 7, 7 'work effectively. That is, the switching of the thyristor starts from a minute portion at a certain point, but when current concentration occurs there, the thyristor in the non-operating portion switches due to a voltage drop of the resistors 10 and 10 '. Therefore, the effect of expanding the switch region due to the drift of the electric field is further added to the effect of expanding the switch region due to the conventional carrier diffusion, so that the time required for switching over the entire surface can be significantly reduced.

【0032】さらに、時間の経過とともに雷サージ電流
が増加していくが、抵抗体10,10′がサイリスタ素
子に接して形成された構造であるので、サイリスタの自
己発熱により熱が抵抗体へ伝導する。しかし、抵抗体が
負の温度係数を有することから抵抗値が減少し、抵抗体
による損失が低減する。このように、第1実施例では複
数のサイリスタの並列運転効果により、第2実施例では
1つのサイリスタのスイッチ領域の高速広がり効果によ
り、素子全体を確実にかつ短時間で動作させることがで
きる。さらに、図9に示したように、時間の経過ととも
にサイリスタ素子が発熱し、その熱が抵抗体へ伝わって
抵抗体の温度が上昇するが、負の温度係数を有するため
に抵抗値が下がり、抵抗による電力損失を低減すること
ができる。
Further, although the lightning surge current increases with the passage of time, since the resistors 10, 10 'are formed in contact with the thyristor element, heat is conducted to the resistor by self-heating of the thyristor. To do. However, since the resistor has a negative temperature coefficient, the resistance value is reduced and the loss due to the resistor is reduced. As described above, in the first embodiment, the parallel operation effect of a plurality of thyristors and in the second embodiment, the high speed expansion effect of the switch region of one thyristor can surely operate the entire element in a short time. Further, as shown in FIG. 9, the thyristor element generates heat with the passage of time, and the heat is transmitted to the resistor to raise the temperature of the resistor, but the resistance value decreases due to the negative temperature coefficient, Power loss due to resistance can be reduced.

【0033】[0033]

【発明の効果】以上説明したように本発明は、素子全体
を確実にかつ短時間で動作させることができるので、素
子内部の温度を速やかに均一にするとともに、ピーク温
度を低減することができる。さらに、抵抗による電流損
失を低減することができる。したがって、時間幅の短く
かつ高電圧のパルスが印加される雷サージや静電気の防
護素子として、またスイッチングノイズその他の吸収素
子としての信頼性を高めることができる。
As described above, according to the present invention, since the entire device can be operated reliably and in a short time, the temperature inside the device can be quickly made uniform and the peak temperature can be reduced. . Furthermore, current loss due to resistance can be reduced. Therefore, the reliability as a protection element against lightning surge or static electricity to which a high-voltage pulse having a short time width is applied, and as a switching noise and other absorbing elements can be improved.

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

【図1】本発明の第1の実施形態を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】アモルファスシリコンの電気伝導度の温度依存
性を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing temperature dependence of electric conductivity of amorphous silicon.

【図3】本発明の第2の実施形態を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.

【図4】サージ防護素子の等価回路を示す図。FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of the surge protection element.

【図5】従来のサージ防護素子の構造を示す断面図。FIG. 5 is a sectional view showing the structure of a conventional surge protection element.

【図6】雷サージ印加時の電圧−電流特性を示す図。FIG. 6 is a diagram showing voltage-current characteristics when a lightning surge is applied.

【図7】雷サージ印加時の素子内部の温度分布の時間変
化を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a time change of a temperature distribution inside the element when a lightning surge is applied.

【図8】従来のサージ防護素子(特開平5−74321
号)の構造を示す断面図。
FIG. 8 shows a conventional surge protection element (JP-A-5-74321).
FIG.

【図9】雷サージ印加時の素子内部の温度分布の時間変
化を示す図。
FIG. 9 is a diagram showing a time change of a temperature distribution inside the element when a lightning surge is applied.

【図10】従来の複数のトランジスタの並列使用時の回
路構成を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing a circuit configuration when a plurality of conventional transistors are used in parallel.

【図11】従来の複数のサイリスタの並列使用時の回路
構成を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing a circuit configuration when a plurality of conventional thyristors are used in parallel.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 p型の半導体基板 2,2′ n型の拡散ベース層領域 3,3′ p型の拡散エミッタ層領域 5,5′ n型のオーミック領域 6,6′ 保護膜 7,7′ 電極 8 順方向サイリスタ 9 逆方向サイリスタ 10 抵抗体 11,12,13 順方向サイリスタ 14,15,16 逆方向サイリスタ 51,52 サイリスタ 61,62 抵抗 1 p-type semiconductor substrate 2, 2 'n-type diffusion base layer region 3, 3' p-type diffusion emitter layer region 5, 5 'n-type ohmic region 6, 6' protective film 7, 7 'electrode 8 Direction thyristor 9 Reverse thyristor 10 Resistor 11, 12, 13 Forward thyristor 14, 15, 16 Reverse thyristor 51, 52 Thyristor 61, 62 Resistance

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1の導電型の半導体基板の両面に第2
の導電型の拡散ベース層領域が形成され、前記各拡散ベ
ース層領域内に複数の第1の導電型の拡散エミッタ層領
域が前記半導体基板の両面で互い違いの関係となるよう
に形成され、前記各拡散エミッタ層領域の上面に抵抗体
が形成され、両面に形成された前記抵抗体および前記拡
散ベース層領域にそれぞれ電極が接続されたサージ防護
素子において、 前記抵抗体を負の温度係数を有する抵抗体で構成したこ
とを特徴とするサージ防護素子。
A first conductive type semiconductor substrate on both surfaces thereof;
Conductive type diffusion base layer regions are formed, and a plurality of first conductivity type diffusion emitter layer regions are formed in each of the diffusion base layer regions so as to have a staggered relationship on both sides of the semiconductor substrate. A resistor is formed on the upper surface of each diffused emitter layer region, and a resistor is formed on both surfaces and a surge protection element in which electrodes are connected to the diffused base layer region, respectively, wherein the resistor has a negative temperature coefficient. A surge protection element characterized by being composed of a resistor.
【請求項2】 請求項1に記載のサージ防護素子におい
て、 拡散エミッタ層領域が、その面積Aと周辺長Lの比A/
Lが小さくなる形状に拡散ベース層領域内に形成された
ことを特徴とするサージ防護素子。
2. The surge protection device according to claim 1, wherein the diffusion emitter layer region has a ratio A / A of its area A to its peripheral length L.
A surge protection element formed in a diffusion base layer region so as to reduce L.
【請求項3】 請求項2に記載のサージ防護素子におい
て、 拡散エミッタ層領域がストライプ状に形成されたことを
特徴とするサージ防護素子。
3. The surge protection device according to claim 2, wherein the diffused emitter layer region is formed in a stripe shape.
【請求項4】 請求項2に記載のサージ防護素子におい
て、 拡散エミッタ層領域が櫛形状に形成されたことを特徴と
するサージ防護素子。
4. The surge protection device according to claim 2, wherein the diffusion emitter layer region is formed in a comb shape.
JP19068695A 1995-07-26 1995-07-26 Surge protection element Pending JPH0945892A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP19068695A JPH0945892A (en) 1995-07-26 1995-07-26 Surge protection element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP19068695A JPH0945892A (en) 1995-07-26 1995-07-26 Surge protection element

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0945892A true JPH0945892A (en) 1997-02-14

Family

ID=16262192

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP19068695A Pending JPH0945892A (en) 1995-07-26 1995-07-26 Surge protection element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH0945892A (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002368209A (en) * 2001-06-04 2002-12-20 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Bidirectional two-terminal thyristor
JP2003017681A (en) * 2001-06-29 2003-01-17 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Bidirectional two-terminal thyristor
JP2003077932A (en) * 2001-09-03 2003-03-14 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Bidirectional type two terminal thyristor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002368209A (en) * 2001-06-04 2002-12-20 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Bidirectional two-terminal thyristor
JP2003017681A (en) * 2001-06-29 2003-01-17 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Bidirectional two-terminal thyristor
JP2003077932A (en) * 2001-09-03 2003-03-14 Shindengen Electric Mfg Co Ltd Bidirectional type two terminal thyristor

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5430311A (en) Constant-voltage diode for over-voltage protection
KR100197912B1 (en) Power ic
US4967256A (en) Overvoltage protector
KR100200352B1 (en) Protection device of semiconductor device
JP2006032923A (en) Diode with improved energy impulse rating
US3947864A (en) Diode-integrated thyristor
JP2862027B2 (en) Insulated gate bipolar transistor
EP0564473B1 (en) Electrostatic discharge protection device
JP2784458B2 (en) Surge protection element
JPH0945892A (en) Surge protection element
JP2655575B2 (en) Surge protection element
EP0128268B1 (en) Semiconductor device having a control electrode
JPH0677472A (en) Surge protective element
GB2208257A (en) Overvoltage protector
JPH0536979A (en) Surge protective element
JP2690050B2 (en) Surge protection element
JP3216315B2 (en) Insulated gate bipolar transistor
JP2003282865A (en) Thyristor
JP2802970B2 (en) Planar type two-terminal bidirectional thyristor
JP4260402B2 (en) Two-terminal thyristor
JPH1098202A (en) Semiconductor surge protection element
JPH0677505A (en) Two-terminal surge protecting element and multi-line protecting method
JP2004335634A (en) ESD protection diode
JPS5931869B2 (en) Electrostatic induction thyristor
JP2596312B2 (en) Semiconductor device