JPS6180855A - 自己保護型半導体装置 - Google Patents
自己保護型半導体装置Info
- Publication number
- JPS6180855A JPS6180855A JP59201704A JP20170484A JPS6180855A JP S6180855 A JPS6180855 A JP S6180855A JP 59201704 A JP59201704 A JP 59201704A JP 20170484 A JP20170484 A JP 20170484A JP S6180855 A JPS6180855 A JP S6180855A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor device
- overvoltage
- base layer
- layer
- thyristor
- 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
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
- H10F30/00—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
- H10F30/20—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
- H10F30/21—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H10F30/26—Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having three or more potential barriers, e.g. photothyristors
- H10F30/263—Photothyristors
Landscapes
- Thyristors (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
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。
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〕
本発明は光駆動型サイリスタの過成圧自己保護構造に保
シ、特に、サイリスタに過電圧が印加された場合、外部
補助回路無しで素子自体が安全に自己点弧できる構造に
関する。
シ、特に、サイリスタに過電圧が印加された場合、外部
補助回路無しで素子自体が安全に自己点弧できる構造に
関する。
高耐圧直流送電用ブイリスク変侠装置などに用いられる
尚耐圧サイリスタの技術課題の一つは、順方向にサイリ
スタ素子に雷丈−ジなどの過電圧が印加されたとぎに如
何に水子を破壊させずに、安全に動作させるかというこ
とにある。第６図はサイリスタの順方同過電圧陳護回路
の従来例ケ示す。図に２いて、サイリスタに過゛醒圧が
印加された場合、この過電圧を過電圧保凌回路が伏仰す
る。
尚耐圧サイリスタの技術課題の一つは、順方向にサイリ
スタ素子に雷丈−ジなどの過電圧が印加されたとぎに如
何に水子を破壊させずに、安全に動作させるかというこ
とにある。第６図はサイリスタの順方同過電圧陳護回路
の従来例ケ示す。図に２いて、サイリスタに過゛醒圧が
印加された場合、この過電圧を過電圧保凌回路が伏仰す
る。
検知後、ブイリスタを点弧させるためのゲートパルスを
発生して、サイリスタを動作させる。しかし、この方式
では次のような欠点がるる。その一つは過電圧保間回路
を形成するために、部品点数が増加し、装置のコストが
瑠刀口すると共に装置の信頼性が低下することでるる。
発生して、サイリスタを動作させる。しかし、この方式
では次のような欠点がるる。その一つは過電圧保間回路
を形成するために、部品点数が増加し、装置のコストが
瑠刀口すると共に装置の信頼性が低下することでるる。
もう一つの問題Ｖユ、過電圧保詣回路が過電圧を恢知し
てから、ゲートパルスを兄生芒ぜ、サイリスタを点弧さ
せるまでに時間遅れがあるということでりる。このよう
な欠点を解消するには、サイリスタ自体に過電圧保必機
能を持たせることでるる。
てから、ゲートパルスを兄生芒ぜ、サイリスタを点弧さ
せるまでに時間遅れがあるということでりる。このよう
な欠点を解消するには、サイリスタ自体に過電圧保必機
能を持たせることでるる。
第７図は過電圧自己保護機能を持つサイリスタの従来信
逅をボア。本構造の特徴は、ゲート領域の近傍にある第
二ベース層３の一部を除去して、この部分に彎曲をもた
せることにある。サイリスクに順方向の過電圧が印加さ
れ７’Ｃ場合、第二ベースノ曽３に広がる空乏ｔｖ４が
このｑ・曲部７に到達するように予め素子構造パラメー
タを設定しておく。
逅をボア。本構造の特徴は、ゲート領域の近傍にある第
二ベース層３の一部を除去して、この部分に彎曲をもた
せることにある。サイリスクに順方向の過電圧が印加さ
れ７’Ｃ場合、第二ベースノ曽３に広がる空乏ｔｖ４が
このｑ・曲部７に到達するように予め素子構造パラメー
タを設定しておく。
（４曲部７では電界が果中するため、この部分で最ｍＫ
アパンン７工降伏が起こる。このアバランシェ４伏によ
る妊流が近傍のケート―極７に流入するが、この４流が
補助エミッタ５１ｒ順バイアスするに十分でめｎばサイ
リスタは点弧する。この場合、サイリスタは、必らず、
ゲート惧屓で点弧する７こめ素子は安全にｍ作丁心こと
になる。しかじ、本構造では彎曲部７の形状によって、
アバランク工降伏特性が大きく左右されるため、彎曲部
を形成する場合の製造精度が非常に難しい。
アパンン７工降伏が起こる。このアバランシェ４伏によ
る妊流が近傍のケート―極７に流入するが、この４流が
補助エミッタ５１ｒ順バイアスするに十分でめｎばサイ
リスタは点弧する。この場合、サイリスタは、必らず、
ゲート惧屓で点弧する７こめ素子は安全にｍ作丁心こと
になる。しかじ、本構造では彎曲部７の形状によって、
アバランク工降伏特性が大きく左右されるため、彎曲部
を形成する場合の製造精度が非常に難しい。
本発明の目的は、製造が容易で、かつ、制御精度の優れ
た過電圧自己保護サイリスタを提供することにある。
た過電圧自己保護サイリスタを提供することにある。
第１図は本発明の基本構造を示したものでるる。
図ではゲート領域近傍の第二ベース層３の厚さを他の第
二ペース領域よりも薄くしておぎ、サイリスタのカソー
ド側から光を照射しておくというもので６る。この場せ
、サイリスクに順方向の電圧が印加さ他の第二ベース領
域よシも薄いため、ゲート領域近傍では空乏ノーは他の
領域よりもカソード表面付近に形成される。このとき、
カソード側から光を照射する １と第二ベー
ス層３の空乏ノー内で光’＃Ｌａが発生するが、ゲート
領域の近傍では他の領域よりもカンード表面の近くまで
空乏層が形成されているため、よシ多くの光電流が発生
することになる。この光電流が補助エミッタ層５の接合
を；ｉ賦バイアスするに十分であれば、サイリスタはゲ
ート領域６から点弧することになる。このように第１図
のような構成によれば過電圧印加時、必らずゲート領域
で点弧するため素子は安全に動作し、過電圧自己保護機
能をもつことになる。次に、以上の動作機構を少し定量
的に述べてみる。
二ペース領域よりも薄くしておぎ、サイリスタのカソー
ド側から光を照射しておくというもので６る。この場せ
、サイリスクに順方向の電圧が印加さ他の第二ベース領
域よシも薄いため、ゲート領域近傍では空乏ノーは他の
領域よりもカソード表面付近に形成される。このとき、
カソード側から光を照射する １と第二ベー
ス層３の空乏ノー内で光’＃Ｌａが発生するが、ゲート
領域の近傍では他の領域よりもカンード表面の近くまで
空乏層が形成されているため、よシ多くの光電流が発生
することになる。この光電流が補助エミッタ層５の接合
を；ｉ賦バイアスするに十分であれば、サイリスタはゲ
ート領域６から点弧することになる。このように第１図
のような構成によれば過電圧印加時、必らずゲート領域
で点弧するため素子は安全に動作し、過電圧自己保護機
能をもつことになる。次に、以上の動作機構を少し定量
的に述べてみる。
第２図は、二つの異なる波長を持った光がシリコン内部
に侵入する様子金示したものである。光束φは距離Ｘと
共にｆ′１ｉｌｌ関数的に減衰し次式のように表わされ
る。
に侵入する様子金示したものである。光束φは距離Ｘと
共にｆ′１ｉｌｌ関数的に減衰し次式のように表わされ
る。
φ＝φＯｅｘｐ （−α・Ｘ）
ここでφ０はシリコ／表面での光束の値、αは光の吸収
係数で波長が長い程小さな値を示す波数の関数になって
いる。曲線Ａは波長λ１が８８０ｎｍで吸収係数αＩが
４５０ｃｒｎ−’、曲ＨＢは波長λ２、吸収係数α２が
各々５３Ｑｎｍ、３０００ｃｍ−’のときのφ／φ０と
Ｘの関係を示す。波長が６３０ｎｍの場合はＸ≧１５μ
ｎ】には光は殆んどシリコン内部に侵入しないことがわ
かる。ところで、定格電圧４ｋＶのサイリスタを多数直
列接続してＨＶＤＣ用のサイリスタバルブに適用した場
合を考えると、通常運転時に丈イリスター個にかかる電
圧は島々定格電圧のｌ／２．即ち２ｋＶ程度である。こ
れは、サイリスタ素子の特性ばらつき、サイリスタ以外
にパルプに用いている部品、例えば、アレスタの特性ば
らつき等を考慮して決める安全係数がサイリスタの個数
に換算して、二。
係数で波長が長い程小さな値を示す波数の関数になって
いる。曲線Ａは波長λ１が８８０ｎｍで吸収係数αＩが
４５０ｃｒｎ−’、曲ＨＢは波長λ２、吸収係数α２が
各々５３Ｑｎｍ、３０００ｃｍ−’のときのφ／φ０と
Ｘの関係を示す。波長が６３０ｎｍの場合はＸ≧１５μ
ｎ】には光は殆んどシリコン内部に侵入しないことがわ
かる。ところで、定格電圧４ｋＶのサイリスタを多数直
列接続してＨＶＤＣ用のサイリスタバルブに適用した場
合を考えると、通常運転時に丈イリスター個にかかる電
圧は島々定格電圧のｌ／２．即ち２ｋＶ程度である。こ
れは、サイリスタ素子の特性ばらつき、サイリスタ以外
にパルプに用いている部品、例えば、アレスタの特性ば
らつき等を考慮して決める安全係数がサイリスタの個数
に換算して、二。
二倍でるることによる。こｎをサイリスタ素子の過電圧
保禮という点から考えると、通常運転時の２ｋＶ程度の
電圧印加時には過亀圧保踵機構は動作せず、４ｋＶ以上
の過電圧が印加され＋７’Ｃ楊合のみ動作することが必
要となる。
保禮という点から考えると、通常運転時の２ｋＶ程度の
電圧印加時には過亀圧保踵機構は動作せず、４ｋＶ以上
の過電圧が印加され＋７’Ｃ楊合のみ動作することが必
要となる。
第３図（ａ） 、 （ｂ）は第１図のような本発明の基
本構造において、定格電圧４ｋｖのサイリスタ内部の空
乏領域およびシリコン表面からの照射光（λ＝６３０
ｎ ｍ ）の光束の変化の様子を示す。Ｃａ）、 （ｂ
）は各々、第１図の八Ａ’ 、ＢＢ’ Ｎ上に対応して
いる。先ず、（ａ）でアノード・カソード間の順万同印
加電圧が２ｋＶ （通常動作時を想定）の場合、ｐベー
ス層に広がる空乏層のフロントはシリコン表面から約３
７μｍの位置ＤＩにあり、また、４ｋＶ（過電圧印加時
を想定）の場合には、約１５μｍの位ｆｆｆ、 Ｄ ２
にある。この時、シリコン表面から波長λ＝ ５３ Ｑ
ｎ ｍの元を照射すると、光束は図のように表面から
１５μｍ程度入ったところで殆んど零になってしまう。
本構造において、定格電圧４ｋｖのサイリスタ内部の空
乏領域およびシリコン表面からの照射光（λ＝６３０
ｎ ｍ ）の光束の変化の様子を示す。Ｃａ）、 （ｂ
）は各々、第１図の八Ａ’ 、ＢＢ’ Ｎ上に対応して
いる。先ず、（ａ）でアノード・カソード間の順万同印
加電圧が２ｋＶ （通常動作時を想定）の場合、ｐベー
ス層に広がる空乏層のフロントはシリコン表面から約３
７μｍの位置ＤＩにあり、また、４ｋＶ（過電圧印加時
を想定）の場合には、約１５μｍの位ｆｆｆ、 Ｄ ２
にある。この時、シリコン表面から波長λ＝ ５３ Ｑ
ｎ ｍの元を照射すると、光束は図のように表面から
１５μｍ程度入ったところで殆んど零になってしまう。
このため、４ｋＶの過電圧が印加された場合でも光電流
は殆んど発生せず、サイリスクは点弧することはない。
は殆んど発生せず、サイリスクは点弧することはない。
次に［有］）では、（ａ）に比較してシリコン表面から
１２μｍ程度、部分的に除去しである。順方向印加１圧
が２ＫＶおよび４ｋＶの場合、ｐベース層の空乏ノーの
フロントとシリコン表面との距離は、シリコンを咋去し
た分だけ（ａ）の場合よりも短くなる。印加電圧が２ｋ
Ｖの場合、空乏ノ四のフロントは表面から約２５μｍの
位置Ｄ１にるり、狭面からの光束は殆んど減衰してしま
う。このため、発生する光電流も零でるる。次に、４に
’ｖ’の過電圧が印加された場合、空乏ノ付のフロント
は表面力・ら約３μｍの位置Ｄ２にらる。この場合、空
乏層には全光采の約４１％の光束が入射され、光電流を
発生するのに十分有効である。ここで発生した光電流は
、これに近接する補助エミッタ、領域のゲート電極に流
れ込む。光電流が補助エミッタの接合を順バイアスする
ほど十分大きければ補助エミッタのめる補助サイリスタ
部分が点弧し、続いて主サイリスタが点弧する。このよ
うに第１図のような構造のサイリスタに適当な波長の光
を照射しておくと、過電圧が印加された場合、ゲート領
域から必らず点弧し、素子は自己保護されることになる
。以上、本発明では第７図に示した従来構造の過電圧保
ｄ方式に比較して、その特性を決める要因がベース層の
厚さのみであるため、素子製作が容易なばかりでなく、
サイリスタ素子表面に照射する光の波長と半導体除去層
の厚みとの組合せを変えることで、広い範囲にわたり、
過電圧自己保護構造を実 １現できる。
１２μｍ程度、部分的に除去しである。順方向印加１圧
が２ＫＶおよび４ｋＶの場合、ｐベース層の空乏ノーの
フロントとシリコン表面との距離は、シリコンを咋去し
た分だけ（ａ）の場合よりも短くなる。印加電圧が２ｋ
Ｖの場合、空乏ノ四のフロントは表面から約２５μｍの
位置Ｄ１にるり、狭面からの光束は殆んど減衰してしま
う。このため、発生する光電流も零でるる。次に、４に
’ｖ’の過電圧が印加された場合、空乏ノ付のフロント
は表面力・ら約３μｍの位置Ｄ２にらる。この場合、空
乏層には全光采の約４１％の光束が入射され、光電流を
発生するのに十分有効である。ここで発生した光電流は
、これに近接する補助エミッタ、領域のゲート電極に流
れ込む。光電流が補助エミッタの接合を順バイアスする
ほど十分大きければ補助エミッタのめる補助サイリスタ
部分が点弧し、続いて主サイリスタが点弧する。このよ
うに第１図のような構造のサイリスタに適当な波長の光
を照射しておくと、過電圧が印加された場合、ゲート領
域から必らず点弧し、素子は自己保護されることになる
。以上、本発明では第７図に示した従来構造の過電圧保
ｄ方式に比較して、その特性を決める要因がベース層の
厚さのみであるため、素子製作が容易なばかりでなく、
サイリスタ素子表面に照射する光の波長と半導体除去層
の厚みとの組合せを変えることで、広い範囲にわたり、
過電圧自己保護構造を実 １現できる。
第４図は本発明のその他の実施例を示す。図のように、
第二ベース１１３のフロントをゲート電・極近傍では浅
く、それ以外の領域では深くすることによっても、第１
図と同様な過電圧自己保護機能をもつことは云うまでも
ない。このような素子構造を実現するには、例えば、ゲ
ート電極近傍以外の領域では選択拡散法によって予め第
二ベース層３を選択的に形成しておき、続いて素子全面
にこれよりも浅い第二ペース層を形成することで実現で
きる。
第二ベース１１３のフロントをゲート電・極近傍では浅
く、それ以外の領域では深くすることによっても、第１
図と同様な過電圧自己保護機能をもつことは云うまでも
ない。このような素子構造を実現するには、例えば、ゲ
ート電極近傍以外の領域では選択拡散法によって予め第
二ベース層３を選択的に形成しておき、続いて素子全面
にこれよりも浅い第二ペース層を形成することで実現で
きる。
第５図は本発明の実施例の平面パターンを示す。
図では他の第二ベース層３よりも薄く、過電圧印加時に
光電流を発生する領域（自己保護領域１２と呼ぶ）が円
周状に六ケ所分散して配置された構造になっている。こ
れは過電圧が圧加された場合に、０期の点弧領域をでき
るだけ広げて篭流果中を防ぐためと、もし、ある自己保
護領域１２が働かなくとも、多数の自己保護領域を設け
ることにより確実に動作することを狙ったためである。
光電流を発生する領域（自己保護領域１２と呼ぶ）が円
周状に六ケ所分散して配置された構造になっている。こ
れは過電圧が圧加された場合に、０期の点弧領域をでき
るだけ広げて篭流果中を防ぐためと、もし、ある自己保
護領域１２が働かなくとも、多数の自己保護領域を設け
ることにより確実に動作することを狙ったためである。
なお、図中１は第一エミッタ、２は第一ベース帛、４は
第二エミッタ層、８はアノード電極、９はカソード電極
、１０は、第一ペース層空乏層端、１１は第二ベース層
空乏層端であろう
第二エミッタ層、８はアノード電極、９はカソード電極
、１０は、第一ペース層空乏層端、１１は第二ベース層
空乏層端であろう
第１図は本発明の基本構造とその動作を示す概念図、第
２図はシリコン表面から入射された波長の異なる光のシ
リコン中での減衰の様子を示す図、第３図は、第３図に
示した本発明の基本構造において、その動作を具体的に
示す図、第４図は本発明のその他の実施例を示す縦断面
図、第５図は本発明の実施例の平面パターンを示す図、
第６図はサイリスクの過電圧保護方式の従来例図、第７
図は従来の過電圧自己保獲型丈イリスタの構造を示す縦
断面図である。
２図はシリコン表面から入射された波長の異なる光のシ
リコン中での減衰の様子を示す図、第３図は、第３図に
示した本発明の基本構造において、その動作を具体的に
示す図、第４図は本発明のその他の実施例を示す縦断面
図、第５図は本発明の実施例の平面パターンを示す図、
第６図はサイリスクの過電圧保護方式の従来例図、第７
図は従来の過電圧自己保獲型丈イリスタの構造を示す縦
断面図である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １、第一導電型の第一のエミッタ層、前記第一導電型と
反対の導電型である第二導電型の第一ベース層、前記第
一導電型の第二ベース層、前記第二導電型の第二エミッ
タ層の積層構造をもち、前記第二ベース領域内に制御電
極をもつ半導体装置において、 前記制御電極近傍の前記第二ベース層の厚さを他の前記
第二ベース層よりも薄くし、ブレークオーバ電圧若しく
はそれに近い電圧が前記半導体装置に印加されたときに
、前記制御電極近傍の前記第二ベース層に広がる空乏層
領域に到達して前記半導体装置を点弧するに十分な光電
流を発生し、かつ、これ以外の前記第二ベース層では前
記半導体装置を点弧させない程度の光電流しか発生させ
ない波長の光信号を第二エミッタ層側から照射すること
を特徴とする自己保護型半導体装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59201704A JPS6180855A (ja) | 1984-09-28 | 1984-09-28 | 自己保護型半導体装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59201704A JPS6180855A (ja) | 1984-09-28 | 1984-09-28 | 自己保護型半導体装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6180855A true JPS6180855A (ja) | 1986-04-24 |
Family
ID=16445535
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59201704A Pending JPS6180855A (ja) | 1984-09-28 | 1984-09-28 | 自己保護型半導体装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6180855A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5804841A (en) * | 1995-05-17 | 1998-09-08 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Optical trigger thyristor and fabrication method |
| WO1999065080A3 (de) * | 1998-06-10 | 2002-10-03 | Siemens Ag | Vorrichtung und verfahren zur ansteuerung von thyristoren |
-
1984
- 1984-09-28 JP JP59201704A patent/JPS6180855A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5804841A (en) * | 1995-05-17 | 1998-09-08 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Optical trigger thyristor and fabrication method |
| WO1999065080A3 (de) * | 1998-06-10 | 2002-10-03 | Siemens Ag | Vorrichtung und verfahren zur ansteuerung von thyristoren |
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