JPS60195969A - 自己保護型半導体装置 - 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】 、〔発明の利用分野〕 本発明は、４層半導体スイッチング装置ＩＬＫ係り、特
にターンオフ時での順方向過電圧の印加に対して自己保
護機能を備えた半導体装置に関する。

〔発明の背景〕

４層構造のスイッチング素子であるサイリスクは、小電
力から大電力のスイッ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、狗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
よっ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゛りとなっている。

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ッ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ってターンオ
ンさせることができるよ５になっているものであり、こ
のため、（１）主回路と制御回路との間での高電圧耐力
をもった電気的なアイソレージ四ンが容易で、主回路の
電圧が高くなっ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イズに対して強く。

誤動作の虞れが少ない。

などの利点があり、従って、最近高電圧直流送用サイリ
スタ変換装置１などへの応用に多くの期待力ｔかけられ
るようＫなってきた。

ところで、このようなサイＩＪスタを用（曳だ装置にお
ける課題の一つに、順方向過電圧印加時での保護をどの
ようにして行なう力１カーある。つまり、サイリスタ素
子がターンオフして（・るときに、雷サージなどにより
順方向過電圧力ー与えられた場合。

これによる素子の破壊を如何にして防ぎ、素子を、保護
したら、パ”力大きな課題となる・この課題の解決のた
め、従来力）ら採られて−・る方法の一つに、サイリス
ク素子自身に保護機能を与える方法があり、このような
自己保護機能を備えたサイリスタの一例を第１図に示す
。

この第１図は、光駆動型サイリスタに自己保護機能を与
えた従来例を示したもので、図にお（・て。

光サイリスク（以下、光駆動型サイ１ノスタをこう呼ぶ
）１００は、ｎベース層１ｔｐペース層２．ｐエミッタ
層３．ｎエミッタ層４．該ｐエミッタ層３にオーミック
接触したアノード°電極５．少なくとも該ｎエミツタ層
４′にオーミック接触したカソード電極６．顔方向のｉ
電圧が印加されバときにトリガ手段となる過電圧検知値
域晶０．とから成る。なお、この過電圧検知値域２００
はｉぺ一哀層２の表面に形成されたくばみであり、この
部芥では訃ペース層２とｎペニス膚１との間のｐｎ接谷
（Ｊ、接合）も、このくぼみに応じてわん曲した形にな
っている。

このような光サイリスタ１００において、カッニド端子
ＫＫマイナス、７ノニド端子ＡＫプラスの順方向電圧を
印加すれば、ｐペース層２ｈｎペース層１との間のＪ、
接合の握傍に空乏層７が発生し。

との空乏層７には矢印８で示すような電界Ｅがかかる。

そして、このときの電界Ｅは、過電圧検知領域２００が
存在していない部分では□、７ノードからカソードに向
って垂直に、しかも等間隔に現われる。しかしながら、
遺１ｋＦＥ検知領域２００が設けられている部分では、
Ｊｔ接合にわん曲部が形成されているため、この部分で
は電界Ｅが集φし、他＾加へＦハ譬−バ論２棲駄剖六Ｐ
べｙ　ｆｐスこのため、雷サージなどにより順方向印加
電圧が、この光サイリスタ１００のブレークオーバー電
圧Ｖ０．近傍にまで上昇すると、まず過電圧検知領域２
００によるＪ、接合のわん曲部分での電界が７バランシ
エを起こし、これによって流れるアバランシェ電流によ
り主サイリスタ領域３００にも点弧状態が移行し、トリ
ガ入力によるターンオンと同じく、主サイリスタ領域で
の破壊を伴なわずにターンオンさせて過電圧保護が行な
われることになる。

しかしながら、この従来の自己保護機能を備えた光サイ
リスタにおいＣは、上記した電界の７バランシエを起こ
す順方向過電圧の大きさが、過電圧検知領域２００によ
るＪ、接合のわん曲部の形状や寸法、接合部温度などに
依存しているため、素子ととＫ、或いは動作条件などに
より大きくばらつき、常に所定の順方向過電圧で保護動
作を行なわせることが困難であるという欠点があった。

この欠点は、特に、このような自己保護型牛導体装置を
高圧直流送電用のスイッチング装置に適用したときなど
、１００個以上もの素子を直列に接続して使用する場合
に大きな問題となり、上記した保護動作にいたる順方向
過電圧のばらつきＫより充分な保護機能が得られなくな
り、極端な場合には素子の破壊をもたらしてしまう虞れ
を生じることになる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を除き、順方
向過電圧による自己保繰機能の発動が、常に所定の値の
順方向過電圧によって得られ、素子間でばらついたり、
動作条件によって変化せず。

常に確実な保繰動作が得られるようにした自己保−型半
導体装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

この目的を達成するため、本発明は、４層構造の半導体
装置に順方向電圧を印加したとき発生する空乏層のうち
、この順方向電圧が所定の過電圧に達したときに虎は発
生する部分に光を入射させ、この空乏層内での光電流に
より保護のためのターンオンが得られるよ５Ｋした点を
特徴とする。

〔発明の実施例〕

以下、本発明による自己保線型半導体装置について、図
示の実施例により詳細に説明する。

第２図及び第３図は本発明の一実施例で、第１図の従来
例と同じく光サイリスタに本発明を適用した場合につい
て示したものであり、これらの図のうち第２図は縦断面
図、第３図は正面図で、これらの図において、２０．２
１は主サイリスタ領域３００に対して同心円状に設けら
れた第ｌと第２のｐペース領域であり、その他は第１図
の従来例と同じである。

ｐペース領域２０　、２１は主サイリスタ領域３００に
おけるｐペース層２とは異なって、ｎベースノー１の中
にフローティングされ、とこＫも接続されていない。そ
して、これらｐベース領域加と２１の間で素子の表面に
露呈しているｎペース層１の所定の部分ＲＫ、所定の波
長の光りが照射されるようになっている。

なお、この部分ＲＫ対する光りの照射は、少くとも光サ
イリスタ１００がターンオフ状態にあり。

かつ順方向電圧が印加されているときに行なわれるよ５
にすればよい。

また、この第２図及び第３図では、第１図の場合と同様
１、通常のゲート制御に使用する点弧用光源及びこの光
源に対応する栄光部領域については省略しである。

次に、この実施例の動作について説明する。

既に第１図の従来例で説すしたように、と？光サイリス
タ１００に順方向電黒々を印加されると、？ペース層１
とｐペー２層子との−のＪ、−合の近傍の広がりは順方
向電圧によっ１変化する。

そこで、ｐペース領域２０　、２１の同心円半径などを
適当に定めると、順方向印加電圧が定格値以下に保たれ
ているときには、第２図の破ＩＩｓ！Ｆｌで示すように
、空乏層７の横方向や広がりが臀１のｐペース領域加の
近傍以内に収まっており、順方向印加電圧が定格電圧な
超木、このサイリスタ１００のブレークオーバー電圧Ｖ
、。よ？も低い所定の順方向過電圧（以下、これを保護
過電圧とい５＞Ｋ違したときＫは、第２図の破線Ｆ、で
示すように、空乏層７の横方向の広がりが第１のｐベー
ス領域加を超えて第２のｐベース領域２１の近傍にまで
達するようにすることができる。

一方、このようなサイリスタでは、そのｎペース層ＩＫ
光を照射した場合、そこに空乏Ｎｌｌ７が広がっていな
いときと広がっているときとでは、光電変換効率に大き
な差があり、空乏層７が広がっているときの方が断然大
きくなっている。

従って、光サイリスタ１００がターンオフ状態で順方向
電圧が印加されているときに、部分孔に光りが照射され
ていても、このときの順方向電圧が定格値以下となって
いる間は、ｎベースｆｔｉ　Ｉ　Ｋはほとんど光電流が
発生しないため、このままではサイリスタ１００の点弧
は起こらない。

しかしながら、このときの順方向電圧が上記した保護過
電圧に達したときＫは、このｎペース層１の部分孔の近
傍にまで空乏層７が、Ｆ、＃で示すよう一広祈っている
ため、この部分の表面領域に入射されている光りは効率
よく光電流に変換されてしまい、これが主サイリスタ領
域３００　Ｋ移行して点弧に到るようになる。

従って、この実施例によれば、部分ルに、少くともサイ
リスタに順方向電圧が印加されているときだけ光りを入
射しておくｐけで自己保護機能が得られ、印加されてい
る順方向電圧が保護過電圧に達したときＫは、常に確実
に主サイリスタ領域でのターンオンが得られ、素子の破
壊をもたらすことなく保護動作を行なうことができる。

次に、第４図及び第５図は本発明の他の一実施例で、こ
の実施例が第２図及び第３図に示した実施例と異なる主
な点は、同心円状のフローティングルペース領域がｐペ
ース層２及びｎエミツタ層４をとり囲んで設けられてい
るのではな（、過電圧保線用の光を照射する部分Ｒを囲
んで設けてい暮点にある。なお、この第４図及び第゛ｂ
図の実施例では、７０−テイングｐペース領域が加、２
１゜ηと３重に設けられているが基本的には第２図及び
第３図の実施例と同じように動作するので、その詳しい
説明は省略する。

そして、この実施例の場合には、Ｊｔ接合の近傍に発生
する空乏層７が、円形の周辺から円周に向って集中する
ように広がってくるため、ｔ＆界強度が充分に嵩まり、
部分凡の近傍で発生した光電流を主サイリスタ領域３０
０に早く移行させることができるので、主サイリスタ領
域でのターンオンに到るまでの時間が短かくなり、保護
動作をさらに確実に行なわせることができる。

ところで、このような光サイリスタ１００では。

光によるゲートターンオンを効率的に行なわせるために
、シリコンなどの半導体材料中にもがなり透過するよう
な波長の光、例えば８００〜１■０（ｎｍ）の比較的長
い波長の光（赤外線）をゲート用として使用している。

しかしながら、上記した保護用の光としては、それが入
射される部分凡の表面近傍Ｋまで空乏層７が広がってき
たときだけ光電流を発生させればよいから、比較的短か
い波長の光、例えば４００〜６５０　（ｎｍ）の光を用
い、上記した保護過電圧以下の順方向電圧では光電流を
充分に小さく抑えるようＫすれば、確実な保護動作を行
なわせることができる。

一方、本発明の実施例としては、過電圧保護用の光とし
て光サイリス夛本来のゲート夛−ンオン用の光と同じ波
長の光を用い艶ものも、ある面で、は有用モある。即ち
、こめｉ５な光サイリ哀りにおけるゲートターンオン用
の光源や保護用の光源としては、信頼性や、発光波長が
赤外から可視領域まで広く選択可能であるという点から
、主として発光ダイオードが用いられている。しかしな
がら現在のところ、この発光ダイオードと”しては、一
般に赤外線領域では比較的発光効率の良いも凪が得られ
る反面、可視領域めものではあ童り効−の良いものがな
く、例えばＧａ’ＡＪＡｓ発光ダイオード（赤外線）で
は１０　（％）以上の効率が得られるのに対して、Ｇａ
ｋ１６．ｓＰｏ、ａ赤色発光ダイオードではせいぜい１
［’％〕の効率しかない。

そこで、過電圧保護用の光としても、ゲートターンオン
用の光と同じく赤外領域の波長のものを用いれば、それ
に必要な電力を少くすることができるというメリットが
あり、有用な面が見出せるのである。

なお、このように、過電圧保護用の光として赤外領域の
ものを用いると、保圓用の光が半導体層の小に深（透過
し子ぎるため、過電圧にいたらない順方向電圧の印加時
にも、この保護用の光による光電流が現われ、順方向の
耐電圧を低下させ工しま５虞れを生じるが、上記したよ
５に、保護過電圧以下では空乏層がまだ広がっていない
から、発生する光電流は僅かであり、実用上からはほと
んど問題を生じないようにすることができる。

また、以上の実施例では、フローティングルペースｉ域
の数を２個の場合と３個の場合について説明したが、こ
のフローティングルベース領域の数や形状、寸法などは
サイリスクの耐圧やそれに必要な保護過電圧の値などに
より任意に定めればよいのはいうまでもなく、これらを
適当に定めることにより保護過電圧を精度よく規制毛得
る点がこれら実施例の効果の一つでもある。

さらに１以上の実施例では、光サイリスクに本発明を適
用した場合について示したが、本発明は通常の電気信号
トリガ型のサイリスタにも適用可能なことはいうまでも
なく、この場合には以下に説明するような効果がある−
即ち、従来の電気信号トリガ型サイリスタ（電気ゲート
サイリスタ）では、順方向過電圧保護のため、ツェナー
ダイオードなどの素子により過電圧を検知し、過電圧が
検出されたときＫは本来のゲート信号とは別に、過電圧
検知用のゲート信号を発生させ、これをサイリスタのゲ
ートに入力するようＫしている。しかしながら、高圧直
流送電装置などのように多数のサイリスタを直列接続し
て使用する必要がある場合には、過電圧検知用に使用す
る素子に存在する動作遅れ時間のばらつきなどにより各
サイリスタの保睦動作にもばらつきが現われ、この結果
、保護動作が充分に得られなくなり、破壊の慮れすら生
じる。これに対して上記実施例によれば、予じめ保護過
電圧が印加されたときに広がる空乏層領域に光を入射し
ておくだけで済むため、上記したばらつきの発生がなく
、しかも保籟過電圧によるゲートターンオフ時間が短か
いため、全てのサイリスタをほとんど同時に、破壊を生
じることなくターンオンさせることができるという効果
が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したよ５に１本発明によれば、半導体装置がタ
ーンオフして順方向電圧が印加されているときに予じめ
光を照射しておくだけで、常に充分な精度のもとで過電
圧保護のためのターンオンが得られるため、従来技術の
欠点を除き、多数の素子を直列接続して動作させる必要
がある高圧直流送電装置などに適用して常に、確実に過
電圧保護な行なわせることができる自己保鏝型半導体装
置を容易に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は自己保護型サイリスタの従来例を示す断面図、
第２図は本発明の一実施例を示す縦断面図、第３図は同
じくその正面図、第４図は本発明の他の一実施例を示す
縦断面図、第５図は同じ（その正面図である。 １・・・・・・ｎペース層、２・・・・・・ｐベース層
、３・・・・・・ｐエミッタ層、４・・・・・・ｎエミ
ツタ層、５・・・・・・アノード電極、６・・・・・・
カソード電極、加、　２１　、２２・・・・・・フロー
ティングルペース領域、１００・・・・・・光サイリス
タ。 代理人　弁理士　武　順次部（ほか１名）第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　第１４電型の第１エミッタ層と、第２導電型の第
   １ベース層、第１尋電型お第２ベースーおよび第２導電
   型の第２エミッタ層の４層を備え、それらの層を順次、
   それぞれ隣接する層間ＫＰＮ接合が存在するようにして
   形成した半導体素子において、との素子がターンオフ時
   態にあるときの順方向電圧の印加時に、順方向阻止電圧
   が現われるＰＮ接４に一生ずる空乏層領域のうち、上記
   順方向電圧御所定値を超え痘ときだけ発生する過電圧に
   よる空乏層領域に対して光を入射させる手段を設け、こ
   の過電圧による空乏層領域内÷−生する光電流によって
   順方向過電圧印加時でのターンオンによる保護動作を行
   なわせるように構成したことを特徴とする自己保護型半
   導体装置。 ２、特許請求の範囲第１項において゛、上記半導体素子
   が光駆動型サイリスタであることを特徴とする自己保護
   型半導体装置。 ３、％許請求の範囲第２項において、上記光駆動屋サイ
   リスタに対するトリガ光の波長と、上記過電圧による空
   乏層領域に入射させる光の波長とが同一となるように構
   成し声ことを特徴とする自己保護型半導体装置 ４、％許請求の範囲第２項において、上記光駆動型サイ
   リスタに対するトリガ光の波長に比して、上記過電圧に
   よる空乏層領域に入射させる光の成長が短かくなるよう
   に構成したことを特徴とする自己保護型半導体装置。 ５、特許請求の範囲第１項において、上記半導体素子が
   、トリガ入力端子を備えた電気信号トリガ型サイリスタ
   であることを特徴とする自己保ｍＷ半導体装！。