DE68923789T2 - Optische halbleitervorrichtung mit einer nulldurchgangsfunktion. - Google Patents

Optische halbleitervorrichtung mit einer nulldurchgangsfunktion.

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Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Foto- Halbleitereinrichtung mit einer Nulldurchgangsfunktion, bei der ein durch ein optisches Triggersignal anzusteuernder Foto-Trigger-Thyristor (mit einem Foto-Trigger-Triac, etc.), bin MOS-Feldeffekttransistor (im folgenden als MOSFET bezeichnet) zum Steuern der Gate-Empfindlichleit des Foto- Trigger-Thyristors und eine Zener-Diode zum Schutz eines Gate-Oxidationsfilms des MOSEETS, alle monolithisch in dem gleichen Halbleitersubstrat gebildet sind.
    • Sand der Technik
  • Seit kurzem werden weitläufig Foto-Trigger-Thyristoren mit einer eingebauten Nulldurchgangs-Schaltung unter Verwendung eines MOSFET als EIN/AUS-Schaltelement für eine AC-Steuerung zur Verwendung in elektrischen Haushaltsgeräten, einer elektrischen Kopiermaschine oder dergleichen verwendet. Eine derartige Foto-Halbleitereinrichtung, ist beispielsweise in der veröffentlichten ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. 59-151463 und ihrem entsprechenden US-Patent US-A-4 779 126 offenbart.
  • In Fig 1 ist ein allgemeines Ersatzschaltbild eines Foto- Trigger-Trhyristors mit einer Null-Durchgangsfunktion. Ein Foto-Trigger-Thyristor 11 wird durch ein optisches Triggersignal gezündet. Ein Widerstand 12 ist zwischen das Gate und die Kathode A des Foto-Trigger-Transistors 11 geschaltet. Ein Strompfad zwischen der Source und Drain eines MOSFET 13 ist parallel zu dem Widerstand 12 oder zwischen das Gate und die Kathode K des Thyristors 11 geschaltet. Das Rück-Gate des MOSFET 13 ist mit der Kathode K verbunden. Die Anode einer Zenerdiode 14 ist mit der Kathode K verbunden und ihre Kathode ist mit dem Gate des MOSFET 13 verbunden. Eine Spannungs-Aufnahmeschaltung 15 mit Kondensatoren C1 und C2 dient dazu, an das Gate des MOSFET 13 eine Gate-Vorspannung entsprechend einer zwischen der Anode A und der Kathode K des Thyristors 11 angelegte Spannung anzulegen, und diese Funktion wird äquivalent durch die Kondensatoren C1 und C2 cargestellt. Eine Elektrode des Kondensators C1 ist mit der Anode A des Thyristors 11 verbunden und die andere Elektrode ist mit einer Elektrode des Kondensators G2 und dem Gate des MOSFET 13 verbunden. Die andere Elektrode des Kondensators C2 ist mit der Kathode K verbunden. Der Kondensator C1 ist die Kapazität eines PN-Übergangs, der zum Aufnehmen einer Spannung zwischen der Anode A und der Kathode K des Thyristors 11 gebildet ist. Der Kondensator C2 ist die kombinierte Kapazität der Kapazität der Verarmungsschicht des PN-Übergangs der Zenerdiode 14 und der Gate-Kapazität des MOSFET 13, d.h. sie stellt äquivalent eine parasitäre Kapazität dar.
  • Ein durch ein optisches Triggersignal, welches an das Gate des Foto-Trigger-Transistors 11 angelegt ist, erzeuger Gate- Strom weist im Vergleich mit dem Gate-Trigger-Strom eines gewöhnlichen Thyristors einen kleineren Wert auf, so daß der Transistor 11 eine hohe Gate-Empfindlichkeit aufweisen muß. Wenn allerdings der Foto-Trigger-Thyristor 11 so aufgebaut ist, daß er eine hohe Gate-Empfindlichkeit aufweist, dann nimmt die dV/dt-Durchschlagfestigkeit ab. Wie diese weisen die Gate-Ernpfindlichkeit und die dV/dt-Durchschlagfestigkeit eine Wechselwirkung auf. Demzufolge ist der MOSFET 13 zum Steuern der Gate-Empfindlichkeit vorgesehen, um die Peziehng der Gate-Empfindlichkeit und der dV/dt-Durchschlagfestigkeit zu verbessern, um so zu verhindern, daß die dV/dt- Durchschlagfestigkeit selbst für den Transistor 11 mit einer hohen Gate-Empfindlichkeit abnimmt.
  • Der MOSFET 13 befindet sich in einem AUS-Zustand, wenn die Gate-Spannung kleiner als die Schwellspannung Vth des MOSFET 13 ist und der Foto-Trigger-Thyristor 11 kann mit seiner ursprünglichen hohen Gate-Empfindlichkeit arbeiten, d.h. er kann durch einen winzigen Strom, beispielsweise einen optischen Triggersignalstrom, eingeschaltet werden. Wenn die Gate-Spannung gleich oder größer wie die Schwellspannung Vth wird, dann wird der MOSFET 13 eingeschaltet und das Gate und die Kathode K des Foto-Trigger-Thyristors 11 werden kurzgeschlossen. Wenn der MOSFET 13 in einen EIN-Zustand gebracht worden ist, erzeugt der Thyristor 11 den gleichen Effekt wie ein Thyristor mit kurzgeschlossener Kathode und Emitter. Dies verringert die Gate-Empfindlichkeit des Foto- Trigger-Thyristors 11, so daß er nicht durch einen winzigen optischen Triggersignalstrom eingeschaltet wird, wodurch die dV/dt-Durchlagfestigkeit verbessert wird. Um den voranstehend erwähnten Betrieb durchzuführen, wird an das Gate des MOSFET 13 eine zu der Anoden-Kathoden-Spannung VAK des Thyristors 11 proportionale Spannung von der Spannungs-Aufnahmeschaltung 15 angelegt. Unter der Annahme, daß die Gate-Spannung des MOSEET 3 die Schwellspannung Vth (= 3 V) erreicht, wenn die AC- Spannung VAK 5 V wird, wird dieser Foto-Trigger-Thyristor 11 eingeschaltet, wenn er einen optischen Triggersignalstrom während einer Phase erhält, zu der VAK 0 bis 5 V ist, aber er wird nicht eingeschaltet, selbst wenn der optische Triggersignalstrom bei der Phase angelegt wird, in der VAK 5 V übersteigt. Ein Thyristor, dessen Triggerfunktion in einem bestimmten Spannungsbereich ungefähr dort arbeitet, wo eine an die Hauptelektroden (Anode und Kathode) des Thyristors angelegte AC-Spannung eine Spannung von 0 V kreuzt (dieser Bereich wird nachstehend als Null-Durchgangs- Abschnitt bezeichnet und 0 bis 5 V in dem vorangehenden Beispiel) wird als Thyristor vom Null-Durchgangstyp nezeichnet. Eine Schaltung, umfassend einen MOSFET etc. zur Bereitstellung einer Null-Durchgangsfunktion wird als Null- Durchgangsschaltung bezeichnet.
  • Der Thyristor vom Null-Durchgangstyp weist die folgenden zwei Baupteffekte auf. Bei der Durchführung der EIN/AUS-Steuerung einer AC-Energie mit einer kommerziell verfügbaren Frequenz durch einen Thyristor, bei dem es sich nicht um einen Nulldurchgangstyp handelt, wird allgemein aufgrund eines Überstroms oder einer Transientenspannung Rauschen erzeugt, wenn der Transistor in der Phase einer AC-Spannung mit hohem Wert eingeschaltet wird (in Abhängigkeit von einer Last). Dies verursacht eine Fehlfunktion einer LSI-Schaltung, einer IC-Logikschaltung etc., die in der Nähe des Thyristors vorgesehen sind, oder bewirken eine elektromagnetische Störung, beispielsweise ein Funk- oder TV-Rauschproblem an elektronischen Geräten. Die Null-Durchgangsschaltung weist eine Wirkung auf, um die elektromagnetische Störung beträchtlich zu unterdrücken. Der zweite Effekt ist der Art, daß ein Thyristor, der ausgelegt ist, um eine hohe Gate- Empfindlichkeit aufzuweisen, die hohe Gate-Empfindlichkeit nur dann erhält, wenn sich die AC-Spannung VAK an der Phase (ies Nulldurchgangs-Abschnitts befindet und der Transistor weist eine sogenannte Kathoden-Emitter-Kurzschlußstruktur in anderen Phasen auf, um dadurch beträchtlich die Gate- Empfindlichkeit zu verringern. Infolgedessen wird die dV/dt- Durchlagfestigkeit verbessert.
  • Die Zener-Diode 14 ist vorgesehen, um den Gate-Isolationsfilm des MOSFET 13 zu schützen. Der Grund hierfür ist, daß die Dicke des Gate-Isolationsfilms des MOSFET 13 hauptsächlich durch die gewünschte Schwellspannung Vth bestimmt wird und rticht ausreichend dick eingestellt werden kann, um den dielektrischen Durchbruch zu verhindern. Mit anderen Worten ausgedrückt, ist die Diode 14 mit einer kleineren Zenerspannung als die dielektrische Durchbruchspannung des Gate-Isolationsfilms zwischen dem Gate des MOSFET 13 und der Kathode K des Thyristors 11 vorgesehen, so daß, wenn eine anormale die Zenerspannung übersteigende Spannung angelegt wird, sie durchgebrochen wird, um an die Kathode K geführt zu werden.
  • Die Ausgangsspannung der Spannungs-Aufnahmeschaltung 15 (Spannung an dem gemeinsamen Knotenpunkt zwischen den Kondensatoren C1 und C2) ist im wesentlichen gleich zu dem umgekehrten Verhältnis der Kondensatoren C1 und C2 in bezug auf die Anoden-Kathoden-Spannung VAK des Thyristors 11. Wenn die Spannung VAK klein ist, ist die Kapazität der Verarmungsschicht an dem PN-Übergang des Kondensators C1 sehr groß und die Gate-Spannung des MOSFET 13 ist im wesentlichen gleich zu der Spannung VAK. Diese Gate-Spannung (die gleiche wie die Ausgangsspannung der Spannungs-Aufnahmeschaltung 15) wird nachstehend mit VP bezeichnet.
  • In dem voranstehend beschriebenen Foto-Trigger-Thyristor 11 vom Null-Durchgangstyp ist eine spezifische Charakteristik vorhanden, die die Aufbildungsrate dVAK/dt der maximalen Anoden-Kathoden-Spannung VAK für den Foto-Trigger-Thyristor 11 darstellt, der an dem Null-Durchgangsabschnitt eingeschaltet werden soll (diese Charakteristik wird im folgenden als "dV/dt-EIN-Charakteristik" bezeichnet). Wenn die Aufbildungs-Rate der Anoden-Kathoden-Spannung VAK gleich oder größer als der Wert dieser dV/dt-EIN-Charakteristik wird, dann erreicht die Gate-Spannung VP des MOSFET 13 die Schwellspannung Vth, bevor der Foto-Trigger-Thyristor 11 vollständig eingeschaltet ist, d.h. bevor der leitende Strom einen Fialtestrom erreicht, wodurch der MOSFET 13 eingeschaltet wird. Demzufolge kann der Foto-Trigger- Thyristor 11 nicht durch einen winzigen Gate-Strom, beispielsweise einen optischen Triggersignalstrom, eingeschaltet werden. Eine derartige dV/dt-EIN-Charakteristik weist eine strenge Korrelation mit der Spannung VAK (im folgenden als "Spannung VAW" bezeichnet) auf, bei der begonnen wird, den NOSFET 13 anzusteuern und die durch Vth des MOSFET 13 oder VP/VAK oder dergleichen bestimmt ist. Demzufolge weist die dV/dt-EIN-Charakteristik eine Wechselwikungsbeziehung mit der dV/dt-Durchlagfestigkeit auf, was eine der grundlegenden Eigenschaften eines Thyristor ist. Wenn die Spannung VW zur Verbesserung der dV/dt-EIN- Charakteristik vergrößert wird, tendiert deshalb herkömmlicherweise die dV/dt-Durchschlagfestigkeit dazu anzusteigen und wenn die Spannung VW zur Verbesserung der dV/dt-Durchschlagfestigkeit verringert wird, dann steigt die dV/dt-EIN-Charakteristik an.
  • Wie voranstehend beschrieben, existiert in einem Foto- Trigger-Thyristor vom Null-Durchgangstyp eine spezifische Charakteristik, die die maximale VAK Spannungs- Aufbildungsrate für den an dem Null-Durchgangsabschnitt einzuschaltenden Foto-Trigger-Thyristor, d.h. die dV/dt-EIN- Charakteristik darstellt. Es ist wünschenswert, daß der Wert der dV/dt-EIN-Charakteristik so groß wie möglich ist und von der Spannung VW wünscht man, daß sie größer ist. Im Gegensatz dazu ist es zur Verbesserung der dV/dt-Durchschlagfestigkeit des Foto-Trigger-Thyristors wünschenswert, den MOSFET durch eine so gering wie mögliche Spannung VAK einzuschalten, mit der entgegengesetzten Anforderung, den Wert der dV/dt-EIN- Charakterisitik kleiner zu machen. Herkömmlicherweise ist es allerdings schwierig, sowohl einen großen Wert der dV/dt-EIN- Charakteristik als auch eine hohe dV/dt-Durchschlagfestigkeit zu erfüllen.
  • Demzufolge ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
  • eine Foto-Halbleitereinrichtung mit einem Aufbau bereitzustellen, der die dV/dt-EIN-Charakteristik ohne Verringerung der dV/dt-Durchlagfestigkeit in einem Foto- Trigger-Thyristor mit einer Null-Durchgangs-Schaltung unter Verwendung eines MOSFET verbessern kann.
  • Gemäß der Erfindung ist eine Foto-Halbleitereinrichtung vorgesehen, umfassend: einen Foto-Trigger-Thyristor, dessen EIN/AUS-Zustand durch ein optisches Triggersignal gesteuert wird; ein MOSFET, dessen Strompfad zwischen seiner Source und Drain zwischen eine Steuerelektrode und eine erste Hauptelektrode des Foto-Triggerthyristors geschaltet ist und ein damit kapazitiv gekoppeltes Gate aufweist und zum Empfang einer zu der Spannung zwischen der ersten Hauptelektrode und einer zweiten Hauptelektrode des Foto-Trigger-Thyristors proportionaler Vorspannung, so daß, wenn der MOSFET eingeschaltet ist, das optische Triggersignal nicht mehr wirksam ist, um den Foto-Trigger-Thyristor EINzuschalten, wodurch der MOSFET als eine Null-Durchgangsschaltung dient; und eine Zener-Diode, deren Anode mit der ersten Elektrode des Foto-Trigger-Thyristors verbunden ist und deren Kathode mit der Gate-Elektrode des MOSFET verbunden ist, um den MOSFET und den Foto-Trigger-Thyristor zu schützen, wobei der MOSFET und die Zenerdiode in einer monolithischen Weise gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Diode einen Lichtempfangsabschnitt zum Empfangen des optischen Triggersignals aufweist, so daß, wenn das optische Triggersignal auf den Lichtempfangsabschnitt angewendet wird, die Zener-Diode als eine Foto-Diode dient und einem durch Anwenden des optischen Trigger-Signals erzeugten fotoelektrischen Strom erlaubt, durch die erste Hauptelektrode des Foto-Trigger-Thyristors von dem Gate des MOSFET zu fließen, um einen Anstieg der Gate-Vorspannung des MOSFET zu unterdrücken.
  • In der Foto-Halbleitereinrichtung vom Null-Durchgangstyp mit dem voranstehenden Aufbau ermöglicht die Bereitstellung des Lichtaufnahmeabschnitts an der Zener-Diode, die nur zum Schutz des Gate-Isolationsfilms des MOSFET verwendet worden ist, den Empfang eines optischen Triggersignals in der Umgebung des PN-Übergangs der Zener-Diode. Demzufolge dient cie Zener-Diode auch als eine Eotodiode und ein fotoelektrischer Strom wild zu der Zeit einer Anwendung eines optischen Triggersignals erzeugt. Dieser fotoelektrische Strom fließt innerhalb der Zener-Diode und fließt in Richtung auf die erste Hauptelektrode (Kathode) der Foto- Halbleitereinrichtung. Dieser Strom dient zum Unterdrücken des Anstiegs der Gate-Spannung des MOSFET, wobei es möglich ist, die Spannung VAK zu der Zeit zu erhöhen, zu der die Gate-Spannung die Schwellspannung Vth, d.h. die Spannung VW erreicht. Wenn das optische Triggersignal nicht angewendet wird, fließt kein fotoelektrischer Strom und die Spannung VW ändert sich nicht, wodurch somit die dV/dt- Durchschlagfestigkeit auf einem hohen Pegel gehalten wird.
  • Demzufolge ist es möglich, die dV/dt-EIN-Charakteristik zu verbessern, die eine Charakteristik zu der Zeit der Anwendung von Triggerlicht ist, ohne die dV/dt-Durchschlagfestigkeit zu verringern, die eine Charakteristik zu der Zeit ist, bei der kein Triggerlicht angewendet wird.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 ein Diagramm, welches ein allgemeines Ersatzschaltbild eines Foto-Trigger-Thyristors mit einer Null-Durchgangsfunktion darstellt;
  • Fig. 2 einen Querschnitt, der den Aufbau der ersten Ausführungsform einer Foto-Halbleitereinrichtung der vorliegenden Erfindung beispielhaft darstellt;
  • Fig. 3A eine vergrößerte Strukturaufsicht, die die Struktur einer Zener-Diode in der Foto-Halleitereinrichtung in der Fig. 2 darstellt;
  • Fig. 3B einen Querschnitt der Struktur entlang der Schnittlinie X-X' in Fig. 3A;
  • Fig. 4A eine Strukturdraufsicht, die eine andere Struktur der Zener-Diode in der in Fig. 2 gezeigten Foto- Halbleitereinrichtung darstellt;
  • Fig. 4B einen Querschnitt der Struktur entlang der Schnittlinie Y-Y' in Fig. 4A;
  • Fig. 5 einen Querschnitt der in Fig. 2 gezeigten Foto- Halbleitereinrichtung zur Erläuterung ihrer Arbeitsweise;
  • Fig. 6 einen Querschnitt, der beispielhaft die Struktur der zweiten Ausführungsform einer Foto- Halbleitereinrichtung der vorliegenden Erfindung darstellt; und
  • Fig. 7 einen Querschnitt, der die Struktur der dritten Ausführungsform der Foto-Halbleitereinrichtung der vorliegenden Erfindung beispielhaft darstellt.
    • BESTE VORGEHENSWEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
  • Diese Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschriegen.
  • Fig. 2 zeigt die erste Ausführungsform einer Foto- Halbleitereinrichtung der vorliegenden Erfindung, die eine Null-Durchgangsfunktion darstellt. Bei dieser Foto- Falbleitereinrichtung, die grundlegend durch ein in Fig. 1 gezeigtes Ersatzschaltbild dargestellt wird, handelt es sich bin einen zusammengesetzten Foto-Trigger-Thyristor, der einen Thyristor 11 vom Foto-Triggertyp, einen NÖSFET 13 zum Steuern der Gate-Empfindlichkeit des Thyristors 11 und eine Zener- Diode 14 zum Schutz des Gate-Isolationsfilrns des MOSFETs 13 umfaßt.
  • Nun wird eine kurze Zusammenfassung der Herstellungsprozesse der Einrichtung unter Erläuterung der Struktur davon erklärt. Zunächst wird eine p-Typ-Verunreinigung selektiv in ein N&supmin;- Typ Siliziumsubstrat 16 mit einem bestimmten Widerstand von ungefähr 40 Ω cm eingeführt, um einen Element- Isolationsbereich 17 und einen Anodenbereich 18 (auch als P&spplus; Emitterbereich bezeichnet) zu bilden. Der Element- Isolationsbereich 17 wird so gebildet, daß er den Bereich umgibt, in dem der zusammengesetzte Foto-Trigger-Thyristor gebildet werden soll, indem die P-Typ-Verunreinigung von der Hauptoberfläche und Bodenoberfläche des Substrats 17 eingeführt wird. Der Anodenbereich 18 wird auf der unteren Oberfläche des Substrats 16 gebildet. Bei der Herstellung des Thyristors 11 mit einer Durchbruchspannung von beispielsweise 600 V sollte das verwendete Substrat 16 240 um dick sein und der Anodenbereich 18 sollte bei der Diffustionstiefe von ungefähr 100 um gebildet werden. Dann wird die Hauptoberfläche des Substrats 16 thermisch oxidiert, um einen Oxidfilm zu bilden. Eine Fotolackschicht wird auf diesem Oxidfilin aufgebracht, der wiederum durch ein Fotoätzverfahren strukturiert wird. Dementsprechend werden Öffnungen gebildet in einem Bereich, in dem die P-Basis des Foto-Trigger- Thyristors 11 gebildet werden soll, einem Bereich, in den eine P-Wanne zur Bildung des MOSFET 13 und die Zener-Diode 14 gebildet werden sollen und einem Bereich, in dem ein P-Typ- Verunreinigungsbereich zur Bildung eines Kondensators C1 gebildet werden soll. Danach wird der freigelegte Teil des Substrats 16 für den P-Wannen-Bildungsbereich thermisch oxidiert, um so einen Gate-Isolationsfilm 19 (ungefähr 100 mm (1000 Å dick) des MOSFETs 13 zu bilden. Eine Gate-Elektrode 20 des MOSFET 13, die aus nichtdotiertem Polysilizium gebildet ist, wird auf dem Gate-Isolationsfilm 19 gebildet. Nachdem Bor (B) in die Hauptoberfläche des Substrats 16 ionenimplantiert ist, wird eine Eintreibungsdiffusion durchgeführt, um dadurch einen P-Basisbereich 21 des Foto- Trigger-Thyristors 11 mit einer Diffusionstiefe von ungefähr 25 um, einem P-Wannenbereich 22 zur Bildung des MOSFET 13 und der Zener-Diode 14 und einen P-Typ-Verunreinigungsbereich (einen Spannungs-Aufnahmeabschnitt 23) zu bilden. Ferner wird eine Verunreinigung in die nicht dotierte Polysilizium-Gate- Elektrode 20 in diesen Prozeß eingeführt und der Widerstand wird herabgesetzt. Dann wird eine N-Typ-Verunreinigung von der Oberfläche des P-Basisbereichs 21 selektiv ionenimplantiert, was die Aufbringung eines N&spplus;- Emitterbereichs 24 mit einer Diffusionstiefe von ungefähr 10 um zur Folge hat. Dieser N&spplus;-Emitterbereich 24 wird ein Kathodenbereich für den Foto-Trigger-Thyristor 11. Dann wird eine N-Typ-Verunreinigung selektiv in den Oberflächenbereich des P-Wannenbereichs 22 ionenimplantiert, um einen N&spplus;-Drain- Bereich 25 und einen N&spplus;-Source-Bereich 26 des MOSFET 13 und einen N&spplus;-Verunreinigungsbereich 27 der Zener-Diode 14 an vorgegebenen Intervallen bei einer Diffusionstiefe von ungefähr 5 um zu bilden. Ein Oxidfilm 28 wird auf der gesamten Hauptoberfläche des Substrats 16 gebildet und Kontaktlöcher zur Verbindung von allen Elektroden werden in dem Oxidfilm 28 gebildet. Danach wird eine Metallschicht, beispielsweise eine Aluminiumschicht, die als eine Elektrode dient, auf der gesamten Oberfläche mittels eines Aufdampfverfahrens aufgebracht und dann einer Strukturierung ausgesetzt. Im Ergebnis werden eine Kathodenelektrode 29 und eine Gate-Elektrode 30 des Foto-Trigger-Thyristors 11, eine Drain-Elektrode 31, eine Source-Elektrode 32 und eine Gate- Elektrodenverdrahtung 33 des MOSFET 13, eine Elektrode 34 und eine Elektrode 35 des Spannungs-Aufnahmeabschnitts gebildet. Genauso wird auf dem unteren Substrat 16 eine Anodenelektrode 36 gebildet, die aus Gold oder dergleichen hergestellt ist.
  • Die Source-Elektrode 32 wird über dem P-Wannenbereich 22 und dem Source-Bereich 26 gebildet, um diese zu kontaktieren. Ferner wird die Elektrode 34 der Zener-Diode 14 auf demjenigen Abschnitt des Oxidfilms 28 über dem N&spplus;- Verunreinigungsbereich 27 in solcher Weise gebildet, daß sie den Bereich 27 nicht vollständig abdeckt. Ein Bereich 37, der über dem N&spplus;-Verunreinigungsbereich 27 liegt, und nicht mit der Elektrode 34 abgedeckt ist, dient als ein Lichtempfangsabschnitt zum Empfangen eines optischen Triggersignals.
  • Die Anodenelektrode 36 des Thyristors 11 ist mit einem Anodenanschluß A verbunden und die Kathodenelektrode 29 mit einem Kathodenanschluß K. Ein Widerstand 12 ist zwischen die Kathodenelektrode 29 und die Gate-Elektrode 30 geschaltet und ist aus einer auf dem Substrat 16 über einem Isolationsfilm gebildeten Polysiliziumschicht gebildet. Die Drain-Elektrode 31 des MOSFET 13 ist mit einem Ende des Widerstands 12 und mit der Gate-Elektrode 30 verbunden. Die Source-Elektrode 32 ist mit dem Kathodenanschluß K verbunden. Die Gate- Elektrodenverdrahtung 33 des MOSFETs 13, die Elektrode 34 der Zener-Diode 14 und die Elektrode 35 des Kondensators C1 sind zusammengeschaltet.
  • Das Hauptmerkmal der in der vorangehenden Ausführungsforn gezeigten Foto-Halbleitereinrichtung liegt in dem Aufbau der Zener-Diode 14. Die Zener-Diode 14 ist mit dem Lichtempfangsabschnitt 37 versehen, um ein optisches Triggersignal zum Triggern des Foto-Trigger-Thyristors 11 zu empfangen. Fig. 3A ist eine vergrößerte Strukturdraufsicht, die den Aufbau der in Fig. 2 gezeigten Zener-Diode 14 zeigt und Fig. 3B ist ein Querschnitt der Struktur entlang der Schntitlinie X-X' in Fig. 3A. Die Elektrode 34 ist auf die minimale Größe verringert, um den Wert eines Stroms, der zur Zeit des Durchbruchs fließt, nicht zu beeinflussen und der Lichtempfangsabschnitt 37 zum Empfangen eines optischen Triggersignals wird in der Nähe des PN-Übergangs gebildet, der durch den N&spplus;-Verunreinigungsbereich 37 und den P- Wannenbereich 22 gebildet wird. Wenn das optische Triggersignal an den Thyristor 11 angelegt wird, wird dieses Licht durch den Lichtempfangsabschnitt 37 empfangen. Vorzugsweise und wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, sollte die Zener-Diode 14 einen Aufbau aufweisen, um den N&spplus;- Verunreinigungsbereich 27 auf eine derartige Größe zu vergrößern, um die Anstiegsrate der Ausgangsspannung (VP) der Spannungs-Aufnahmeschaltung 15 durch extremes Erhöhen der Kapazität des PN-Übergangs nicht zu einem großen Ausmaß zu beeinflussen, wodurch ein ausreichender fotoelektrischer ?troin bereitgestellt wird.
  • Die Betriebsvorgänge der Foto-Halbleitereinrichtung vom Null- Duchgangstyp mit dem obigen Aufbau werden nachstehend beschrieben. Da die grundlegenden Betriebsvorgänge und Wirkungen des MOSFET 13, der Zener-Diode 14 und der Spannungs-Aufnahmeschaltung 15 die gleichen wie diejenigen der voranstehend beschriebenen Ersatzschaltung in Fig. 1 sind, wird bei der ausführliche Beschreibung dem Betrieb und der Wirkung zu der Zeit, zu der ein optisches Triggersignal an die Zener-Diode 14 angelegt wird, die das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung ist, Aufmerksamkeit gewidmet.
  • Wenn die Vorwärts-Vorspannung VAK zwischen den Anodenanschluß A und dem Kathodenanschluß K des Foto-Trigger-Thyristors 16 angelegt wird, werden ein Übergang J1 zwischen dem P- Basisbereich 21 und dem N&supmin;-Typ-Substrats 16, ein Übergang J2 zwischen dem P-Wannenbereich 22 und dem Substrat 16 und ein Übergang J3 zwischen dem P-Typ-Verunreinigungsbereich 23 des Spannungs-Aufnahmeabschnitts und dem Substrat 16 in Sperrichtung vorgespannt, so daß Verarmungsschichten gebildet werden, wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 5 angedeutet. Da sich der N&spplus;-Verunreinigungsbereich 27 der Zener-Diode 14 in bezug auf den P-Wannenbereich 22 aufgrund einer Kombination der Kapazitäten durch die an dem Übergang J3 gebildete Verarmungsschicht auf einem positiven Potential Lefindet, wird eine Verarmungsschicht auch an einen Übergang J4 der Zener-Diode 14 gebildet. Die Elektrode 35 des Spannungs-Aufnahmeabschnitts ist elektrisch mit dem Anodenanschluß A über die Kapazität der Verarmungsschicht an cem Übergang J3 und mit dem Kathodenanschluß K über die Kapazitäten der Verarmungsschicht an dem Übergang J4 und der statischen Kapazität oder dergleichen der Gate-Elektrode 20 des MOSFET 13 und des N&spplus;-Source-Bereichs 25 elektrisch verbunden. Wenn die Spannung VAK zwischen dem Anodenanschluß A und dem Kathodenanschluß K innerhalb des Bereichs des Null- Durchgangsabschnitts klein ist, nimmt die Spannung VP der Elektrode 36 des Spannungs-Aufnahmeabschnitts einen Wert nahe bei der Spannung VAK an und steigt proportional zur Spannung VAK an (die Spannung VP ist allerdings im Sättigungsbereich, wenn die Spannung VAK groß wird und die Verarmungsschichten der Übergänge J2 und J3 nahe zueinander zu liegen kommen).
  • Wenn das Triggerlicht aufgestrahlt wird und an dem Lichtempfangsabschnitt 37 empfangen wird, fließt ein fotoelektrischer Strom in die Zener-Diode 14 in die Pfeilrichtung von dem N&spplus;-Verunreinigungsbereich 27 an den P- Wannenbereich 22. Dieser fotoelektrische Strom dient dazu, Ladungen, die sich in dem statischen Kondensator zwischen der Gate-Elektrode 20 und dem N&spplus;-Source-Bereich 26 des MOSFET 13 angesammelt haben, herauszulecken, um so das Ansteigen der an das Gate des MOSFETs 13 angelegten Spannung VP zu unterdrücken. Dies kann man als Aufstrahlen von Licht ansehen, was verursacht, daß ein Widerstand äquivalent parallel zu der Elektrode 35 und der Kathode des Spannungs- Aufnahmeabschnitts geschaltet wird, so daß die Rate einer Aufnahme der Spannung VAK (VP/VAK) verringert wird.
  • Deshalb wird die Anoden-Kathoden-Spannung VAK zu der Zeit, zu der die Gate-Spannung des MOSFETs 13 die Schwellspannung Vth erreicht, d.h. die Spannung VW größer in einem Fall, bei dem Licht aufgestrahlt wird als im Vergleich mit einem Fall, bei dem kein Licht aufgestrahlt wird. Dies kann die dV/dt-EIN- Charakteristik verbessern, was zu der Zeit der Aufstrahlung des Triggerlichts wichtig wird, und zwar ohne Veränderung der dV/dt-Durchschlagfestigkeit, die für einen Fall, bei dem kein Triggerlicht aufgestrahlt wird, wichtig ist.
  • Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat die dV/dt-EIN- Charakteristik der Halbleitereinrichtung mit dem an dem Übergang der Zener-Diode 14 (gezeigt in Fig. 2) vorgesehenen Lichtaufnahmeabschnitt 37 aus differenziellen Wellenformen der Spannung VAK gemessen und es wurde bestätigt, daß die dV/dt-EIN-Charakteristik im Vergleich mit der herkömmlichen Einrichtung ohne den Lichtempfangsabschnitt um 10% verbessert war.
  • Um diesen Effekt zu verbessern, ist es erforderlich, die Fläche des Übergangs J4 der Zenerdiode 14 so weit wie möglich zu vergrößern und ein derartiges Design vorzusehen, welches der Veramungsschicht erleichtert, sich an den Übergang J4 zu erstrecken. In diesem Fall sollte sich die Kapazität der Zener-Diode 14 ändern, um die Teilung der Kapazität durch die Kapazität des Übergangs J3 des Spannungs-Aufnahmeabschnitts, der parasitären Gate-Kapazität des MOSFETS 13 und der Kapazität der Zener-Diode 14 zu ändern, was eine Änderung in dem Verhältnis der Spannung VP des Spannungs- Aufnahmeabschnitts zu der Anoden-Kathoden-Spannung VAK, VP/VAK zur Folge hat. Allerdings kann eine derartige Veränderung auf ein Minimum unterdrückt werden, indem die Kapazitäten des Spannungsaufnahmeabschnitts und der Elektrode 20 des MOSFETs 13 gesteuert werden.
  • in der voranstehend erwähnten ersten Ausführungsform ist der P-Typ-Verunreinigungsbereich 22 zur Zuführung der Vorspannung entsprechend der zwischen der Anode und der Kathode des Thyristors 11 angelegten Spannung an das Gate des MOSFETs 13 vorgesehen. Alternativ kann eine Elektrode 35 auf dem Substrat 16 durch einen Isolationsfilm 38 vorgesehen werden, wie in Fig. 6 gezeigt. Die gleichen Bezugszeichen wie die in Fig. 2 verwendeten, sind an den identischen Strukturelementen in Fig. 6 angebracht und deren ausführliche Beschreibung erübrigt sich.
  • Liese Struktur kann grundlegend den gleichen Betrieb wie die erste Ausführungsform ausführen und den gleichen Effekt erzielen.
  • Obwohl der Spannungs-Aufnahmeabschnitt in den ersten und zweiten Ausführungsformen in dem gleichen Halbleitersubstrat gebildet ist, kann anstelle davon eine Spannungsteilerschaltung, die einen statischen Kondensator umfaßt und die Spannung zwischen der Anode und der Kathode ces Thyristors 11 teilt, extern vorgesehen werden.
  • Obwohl die voranstehende Beschreibung der obigen Ausführungsformen als Beispiel unter Bezugnahme auf einen Foto-Trigger-Thyristor vorgenommen wurde, kann diese Erfindung ferner auf spezifische Ausbildungen von Foto- Trigger-Thyristoren angewendet werden, beispielsweise auf einen den Umkehrfluß verhindernden Thyristor mit drei Anschlüssen und auf ein Triac, die drei oder mehrere PN- Übergänge aufweisen und zwei stabile Zustände, Ein und Aus, kn wenigstens einem Quadranten der Hauptspannungs- Stromcharakteristik aufweisen, vorausgesetzt, daß das Schalten der Foto-Trigger-Thyristoren auf einen EIN-Zustand von dem AUS-Zustand durch ein optisches Triggersignal ausgeführt werden kann.
  • Jrig. 7 zeigt den Querschnittsaufbau der dritten Ausführungsform einer Foto-Halbleitereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, so wie sie auf ein laterales Foto- Trigger-Triac angewendet ist. In dieser Figur umfaßt ein Foto-Trigger-Triac 50 erste und zweite Foto-Trigger- Thyristoren 50-1 und 50-2 mit einer in einer fast lateralsymmetrischen Weise in einen N&supmin;-Typ Siliziumsubstrat 51 gebildeten PNPN-Struktur, die sich teilweise überlappen und in der Umkehrrichtung parallel geschaltet sind. Eine erste PNPN-Struktur (ein erster Foto-Trigger-Thyristor 50-1) ist durch einen in dem Hauptoberflächenbereich des Substrats 51 gebildeten P-Basisbereich 53-1, einen in diesem Bereich 53-1 gebildeten N-Emitterbereich 57-1, das Substrat 51 als ein N&spplus;- Basisbereich und einen P-Emitterbereich 52-1 gebildet. Eine erste Hauptelektrode 61-1 ist mit dem N-Emitterbereich 57-1 und dem P-Emitterbereich 52-2 des zweiten Thyristors 50-2 in einem ohm'schen Kontakt gebildet. In einem P-Wannenbereich 54-1 sind gebildet ein erster MOSFET 68-1 zum Steuern der Gate-Empfindlichkeit des ersten Foto-Trigger-Thyristors 50-1 und eine erste Zener-Diode 69-1 zum Schutz des Gate- Isolationsfilms dieses MOSFET 68-1. Die erste Zener-Diode 69- 1 umfaßt einen Lichtempfangsabschnitt 70-1 zum Empfangen eines optischen Triggersignals. In dem Hauptoberflächenbereich des Substrats 51 ist ein P-Typ- Verunreinigungsbereich 55-1 als ein Spannungsaufnahmeabschnitt zur Anlegung einer Gate- Vorspannung an den ersten MOSFET 68-1 gebildet. Der N&spplus;- Source-Bereich 59-1 des MOSFET 68-1 ist durch die Source- Elektrode 64-1 und die erste Hauptelektorde 61-1 mit der N- Emitterschicht 57-1 verbunden. Der N&spplus;-Drain-Bereich 58-1 des MOSEET 68-1 ist durch die Drain-Elektrode 63-1 und die erste Gate-Elektrode 62-1 des Foto-Trigger-Triacs 50 mit dem P- Basisbereich 53-1 verbunden. Die erste Hauptelektrode 61-1 und die Source-Elektrode 64-1 sind mit einem ersten Hauptelektrodenanschluß T1 verbunden. Ein Widerstand 71-1 ist zwischen die Source-Elektrode 63-1 und den ersten Hauptelektrodenanschluß TI geschaltet. Die Gate-Elektroden- Verdrahtung 72-1 des MOSFETs 68-1, die Elektrode 65-1 der Zener-Diode 69-1 und die Elektrode 66-1 des Spannungsaufnahmeabschnitts sind zusammengeschaltet.
  • Genauso ist eine zweite PNPN-Struktur (zweiter Foto-Trigger- Thyristor 50-2) durch einen in dem Hauptoberflächenbereich des N&supmin;-Typ Siliziumsubstrats 51 gebildeten P-Basisbereich 53- 2, einen selektiv in diesen Bereich 53-2 gebildeten N- Emitterbereich 57-2, das Substrat 51 als ein N&supmin;-Basisbereich und einen P-Emitterbereich 52-2 gebildet. Eine zweite Hauptelektrode 61-2 ist mit dem N-Emitterbereich 57-2 und dem P-Emitterbereich 52-1 des ersten Thyristors 50-1 in einem ohm'schen Kontakt gebildet. In einem P-Wannenbereich 54-2 sind gebildet ein zweiter MOSFET 68-2 zum Steuern der Gateempfindlichkeit des zweiten Foto-Trigger-Thyristors 50-2 und eine zweite Zenerdiode 69-2 zum Schutz des Gate- Isolationsfilms dieses MOSFETS 68-2. Die zweite Zener-Diode 69-2 umfaßt einen Lichtaufnahmeabschnitt 70-2 zum Empfang eines optischen Triggersignals. In dem Hauptoberflächenbereich des Substrats 51 ist ein P-Typ- Verunreinigungsbereich 55-2 als ein Spannungsaufnahmeabschnitt zur Anlegung einer Gate- Vorspannung an den zweiten MOSFET 68-2 gebildet. Der N&spplus;- Source-Bereich 59-2 der MOSFETs 68-2 ist durch die Source- Plektrode 64-2 und die zweite Hauptelektrode 61-2 mit der N- Emitterschicht 57-2 verbunden. Der N&spplus;-Drain-Bereich 58-2 des MOSFETS 68-2 ist durch die Drain-Elektrode 63-2 und die zweite Gate-Elektrode 62-2 des Foto-Trigger-Triacs 50 mit dem P-Basisbereich 53-2 verbunden. Die erste Hauptelektrode 61-2 und die Source-Elektrode 64-2 sind mit einem zweiten iiauptelektrodenanschluß T2 verbunden. Ein Widerstand 71-2 ist zwischen die Source-Elektrode 63-2 und den zweiten Hauptelektrodenanschluß T2 geschaltet. Die Gate- Elektrodenverdrahtung 72-2 des MOSFETs 68-2, die Elektrode 65-2 der Zener-Diode 69-2 und die Elektrode 66-2 des Spannungsaufnahmeabschnitts sind zusammengeschaltet.
  • Das Merkmal dieser Ausführungsform liegt darin, daß die Lichtempfangsabschnitte 70-1 und 70-2 jeweils auf den N&spplus;- Verunreinigungsbereichen 60-1 und 60-2 der Zener-Diode des Foto-Trigger-Triacs vorgesehen sind. Der Betrieb und die Wirkung sind grundlegend die gleichen wie diejenigen der ersten und zweiten Ausführungsformen, so daß deren ausführliche Beschreibung sich erübrigt.
  • Das Foto-Trigger-Triac mit der vorangehenden Struktur kann wie die Foto-Trigger-Thyristoren der ersten und zweiten Ausführungsformen die dV/dt-EIN-Charakteristik zur Zeit einer Aufstrahlung von Triggerlicht verbessern, ohne die dV/dt- Durchschlagwiderstands fähigkeit zu verringern, eine Charakteristik zu dem Zeitpunkt, zu dem kein Triggerlicht aufgestrahlt wird.
    • GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
  • Wie voranstehend beschrieben, kann eine Foto- Halbleitereinrichtung mit einer Null-Durchgangsfunktion gemäß der vorliegenden Erfindung die zur Zeit einer Aufstrahlung von Triggerlicht wesentliche dV/dt-EIN-Charakteristik verbessern, ohne die dV/dt-Durchschlagfestigkeit zu beeinflussen, indem eine relativ kleine Modifikation am Aufbau eines Zener-Dioden-Abschnitts durchgeführt wird, und dieser Effekt ist beträchtlich.

Claims (9)

1. Foto-Halbleitereinrichtung, umfassend:
einen Foto-Trigger-Thyristor (11), dessen EIN/AUS- Zustand durch ein optisches Triggersignal gesteuert wird; einen MOSFET (13), dessen Strompfad zwischen seiner Source und Drain (25, 26) zwischen eine Steuerelektrode (30) und eine erste Hauptelektrode (K, 29) des Foto-Trigger-Thyristors geschaltet ist und der ein damit kapazitiv gekoppeltes Gate aufweist und zum Empfang einer Vorspannung proportional zu der Spannung zwischen der ersten Hauptelektrode (K, 29) und einer zweiten Hauptelektrode (A, 36) des Foto-Trigger- Thyristors vorgesehen ist, so daß, wenn der MOSFET eingeschaltet ist, das optische Triggersignal nicht länger wirksam ist, um den Foto-Trigger-Thyristor Elnzuschalten, wobei der MOSFET als eine Null- Durchgangsschaltung dient; und eine Zener-Diode (14), deren Anode (22) mit der ersten Elektrode (29) des Foto- Trigger-Thyristors verbunden ist und deren Kathode (27) mit der Gate-Elektrode (20) des MOSFET verbunden ist, um den MOSFET zu schützen, wobei der Foto-Trigger- Thyristor, der MOSFET und die Zener-Diode in einer monolithischen Weise gebildet sind;
dadurch gekennzeichnet, daß
die Zener-Diode einen Lichtempfangsabschnitt (37) zum Empfangen des optischen Triggersignals aufweist, so daß, wenn das optische Triggersignal auf den Lichtempfangsabschnitt angewendet wird, die Zener-Diode als eine Foto-Diode dient und einem fotoelektrischen Strom, der durch Anlegung des optischen Triggersignals erzeugt wird, ermöglicht, durch die erste Hauptelektrode (K) des Foto-Trigger-Thyristors von der Gate-Elektrode (20) des MOSFET zu fließen, um dadurch ein Aufbauen der Gate-Vorspannung des MOSFET zu unterdrücken.
2. Foto-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Foto-Trigger-Thyristor umfaßt ein Halbleitersubstrat (16) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen in einem Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats gebildeten ersten Halbleiterbereich (21) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich (24) eines ersten Leitfähigkeitstyps, der in einem Oberflächenbereich des ersten Halbleiterbereichs (21) gebildet ist und eine höhere Verunreingigungskonzentration als das Halbleitersubstrat aufweist, und einen dritten Halbleiterbereich (18) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der in einer Bodenfläche des Halbleitersubstrats (16) gebildet ist und eine höhere Verunreinigungskonzentration als der erste Halbleiterbereich (21) aufweist, umfaßt, wobei die Steuerelektrode (30) auf dem ersten Halbleiterbereich (21) gebildet ist, die erste Hauptelektrode (K, 29) in dem zweiten Halbleiterbereich (24) gebildet ist und die zweite Hauptelektrode (1, 36) in dem dritten Halbleiterbereich (18) gebildet ist.
3. Foto-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der MOSFET (13) und die Zener-Diode (14) in einem vierten Halbleiterbereich (22) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der in einem Hauptoberflächenbereich des Halbleitersubstrats (16) gebildet ist, getrennt von dem ersten Halbleiterbereich (21) gebildet sind.
4. Foto-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der MOSFET (13) umfaßt: Source- und Drain-Bereiche (25, 26) eines ersten Leitfähigkeitstyps, die in einem vorgegebenen Abstand in einem Oberflächenbereich des vierten Halbleiterbereichs (22) gebildet sind und eine höhere Verunreinigungskonzentration als das Halbleitersubstrat aufweisen; einen Gate-Isolationsfilm (19), der auf dem vierten Halbleiterbereich (22) zwischen den Source- und Drain-Bereichen (25, 26) gebildet sind; und wobei die Gate-Elektrode (20) auf dem Gate-Isolationsfilm gebildet ist.
5. Foto-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zener-Diode (14) umfaßt: einen Verunreinigungsbereich (27) eines ersten Leitfähigkeitstyps, der in vorgegebenen Abständen von den Source- und Drain-Bereichen (25, 26) in einem Oberflächenbereich des vierten Halbleiterbereichs (22) gebildet ist und eine höhere Verunreingigungskonzentration als das Halbleitersubstrat aufweist; und eine Elektrode (34), die in einem ohm'schen Kontakt in den Verunreinigungsbereich (27) vorgesehen ist und eine kleinere Fläche als die des Verunreinigungsbereichs aufweist, wobei derjenige Abschnitt des Verunreinigungsbereichs, an dem die Elektrode nicht gebildet ist, als der Lichtaufnahmeabschnitt (37) zum Empfang des optischen Triggersignals dient.
6. Foto-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (20) des MOSFETs mittels eines in einem Hauptoberflächenbereich eines Halbleitersubstrats (16) eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildeten Verunreinigungsbereichs (23) eines zweiten Leitfähigkeitstyps und einer auf dem Verunreingungsbereich gebildeten Elektrode (35) kapazitiv mit der Spannung der ersten und zweiten Hauptelektrode gekoppelt ist.
7. Foto-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gate-Elektrode (20) des MOSFETs mittels einer auf einer Hauptoberfläche eines Halbleitersubstrats (16) eines ersten Leitfähigkeitstyps gebildeten Isolationsschicht (38) und einer auf der isolationsschicht gebildeten Elektrode (35) kapazitiv mit der Spannung zwischen der ersten und zweiten Hauptelektrode gekoppelt ist.
8. Foto-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend ein zwischen die Steuerelektrode (30) und die erste Hauptelektrode (K, 29) des Foto-Trigger-Thyristors geschaltetes Lastelement (12).
9. Foto-Halbleitereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, das das Lastelement (12) einen Widerstand umfaßt.
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