JP2002368209A - 双方向型二端子サイリスタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サージ耐量を向上させたサージ防護素子を実
現する。 【解決手段】 Ｐ型の半導体基板１に第１Ｎ型導電領域
２、第２Ｎ型導電領域３を形成する。また、第１Ｎ型導
電領域２内に４つの第１Ｐ型導電領域４，８，９，１
０、第２Ｎ型導電領域３内にＰ型の４つの第２Ｐ型導電
領域５，１１，１２，１３を点対称に形成する。また、
第１Ｐ型導電領域４，８，９，１０と第２Ｐ型導電領域
５，１１，１２，１３とは、平面的に見てそれぞれ端部
が重なり合うように配置する。このような構造によっ
て、ＰＮＰトランジスタが追加されたＰＮＰＮ構造５３
で示す単位サイリスタが４つ並列に形成されたことと同
じになり、電流が分流され且つ各単位サイリスタ領域が
点弧動作し易いために、サージ耐量を向上させることが
出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、サイリスタ、特に異常
電圧または異常電流から電子回路系を保護するサージ防
護素子等に用いる双方向型二端子サイリスタに関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】双方向型二端子サイリスタは、電話回線
などの通信回線に発生した異常電圧や異常電流から電子
回路を保護するサージ防護素子として、通信業界等で幅
広く用いられている。

【０００３】図２は、従来技術に係る双方向型二端子サ
イリスタを示す断面図である。図２において、１は半導
体基板、２は第１Ｎ型導電領域、３は第２Ｎ型導電領
域、４は第１Ｐ型導電領域、５は第２Ｐ型導電領域、６
は第１電極、７は第２電極、５１はＰＮＰＮ構造であ
る。

【０００４】半導体基板１は、Ｐ型の導電型を有するも
のである。第１Ｎ型導電領域２と第２Ｎ型導電領域３
は、半導体基板１内部に不純物拡散によって形成された
Ｎ型の導電型を有するものである。第１Ｐ型導電領域４
と第２Ｐ型導電領域５は、半導体基板１内部に不純物拡
散によって形成されたＰ型の導電型を有するものであ
る。第１電極６と第２電極７は、半導体基板１の両主面
に形成された電極である。ここで、電極６は、第１Ｎ型
導電領域２と第１Ｐ型導電領域４の双方と電気的に接続
される。また、第２電極７は、第２Ｎ型導電領域３と第
２型Ｐ型導電領域５の双方と電気的に接続されるが、電
極６及び７からみた電気的特性が同一になるように、全
体の構造を点対称とするのが一般的である。

【０００５】前記した双方向型二端子サイリスタにおい
て、第１Ｎ型導電領域２が設けられた上面側を第２Ｎ型
導電領域３が設けられた下面側に対して正の電位とする
電圧の印加方向を順方向、上面側を下面側に対して負の
電位とする電圧の印加方向を逆方向とする。図３は、従
来技術に係る双方向型二端子サイリスタの順方向の電気
的特性を示すグラフである。図３に示すように、順方向
においては、第１Ｐ型導電領域４をエミッタ、第１Ｎ型
導電領域２をベース、半導体基板１をコレクタとするＰ
ＮＰトランジスタと、第２Ｎ型導電領域３をエミッタ、
半導体基板１をベース、第１Ｎ型導電領域２をコレクタ
とするＮＰＮトランジスタの間で電子と正孔の交換が行
なわれて、オフ状態からオン状態へ移行する点弧動作が
行なわれる。

【０００６】すなわち、最初オフ状態にあった図２のＰ
ＮＰＮ構造５１において、当該二端子電極領域に印加さ
れる電圧が、ブレークオ−バー電圧Vｂに達すると雪崩
降伏あるいはパンチスルーにより、逆バイアス状態にあ
るＮ型の導電領域２とＰ型半導体基板の境界及び当該境
界近傍において、電子と正孔の交換が活発に行なわれる
ようになる。そして、前記のＰＮＰトランジスタのベー
スと前記のＮＰＮトランジスタのコレクタが共通の第１
Ｎ型導電領域２であるため、当該ＰＮＰＮ構造からなる
サイリスタが点弧してオン状態へ遷移する。なお、構造
が上下で対称であることから逆方向においても全く同様
な動作が行なわれる。

【０００７】なお、ＰＮＰＮ構造からなるサイリスタが
点弧動作してオフ状態からオン状態へ移行することは周
知の事実であるので、ここでは内部動作のより詳細な説
明については省略する。

【０００８】以上のような点弧動作を行うサイリスタ
は、前記したように、ブレークオーバー電圧Vｂでサー
ジ電圧を抑圧するが、雷誘導サージのようにかなり速い
電気的サージに対してもその応答が他のサージ防護素
子、例えば避雷管や金属酸化物バリスタなどと比較して
非常に速いために、高い信頼性を要求される通信ネット
ワーク系の電子機器のように雷誘導サージを拾いやすい
ところでは殆ど利用されている状況にある。

【０００９】また、半導体基板で出来ているため、サー
ジ電流によって消耗するところがなく長期間に亘って信
頼性を維持することが可能であるという保守上の大きな
利点を有している。

【００１０】ところが、このような利点を有する双方向
型二端子サイリスタにおいても、どのような電気的サー
ジに対してもサージ電圧を抑圧出来るわけではなく、雷
誘導サージのような非常に時間変化の大きいサージに対
してはおのずと限界があり、そのサージに十分速く応答
出来ず、素子内で電流の集中が生じて局所的に高温とな
り素子が溶解して破壊する場合がある。

【００１１】そこで、時間変化の大きいサージに対する
対策の１つとして、特許第２６５５５７５号公報に示さ
れるサイリスタがある。図４は、特許第２６５５５７５
号公報に記載の双方向型二端子サイリスタの概略を示す
断面図である。図４において、１は半導体基板、２は第
１Ｎ型導電領域、３は第２Ｎ型導電領域、５，１１，１
２は第２Ｐ型導電領域、６は第１電極、７は第２電極、
８，９，１０は第１Ｐ型導電領域、５２はＰＮＰＮ構造
である。また、図１０は、図４に示した双方向型二端子
サイリスタの等価回路図である。

【００１２】図４に示されるように、Ｐ型導電領域を上
面側と下面側において３個ずつに分割することによっ
て、図１０に示すような３個の単位サイリスタを形成し
てサージ電流の分流を図り、内部温度の上昇を抑制した
ものがある。当該公報によると、一例として最高温度を
半分にまで低下させ得ることが理論計算によって示され
ている。

【００１３】しかしながら、当該公報に示された構造で
は、サージ電流が分流されることによって点弧動作に必
要な電流が大きくなり、オフ状態からオン状態への遷移
時間が長くなることや、製造上のばらつきから複数ある
単位サイリスタの全てが同時に点弧動作するとは限らな
いため、サージ耐量が必ずしも期待したほど十分には大
きくならないという問題がある。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来構造の
改良型である前記した特許第２６５５５７５号に示され
る構造をさらに改良して、当該構造で複数形成されてい
る単位サイリスタを出来るだけ短時間にしかも同時に点
弧させてサージ耐量を大きくすることを目的としてい
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段として、本発明は、一方の面に露出させて形成し
てなる第１導電型の第１の導電領域と、前記一方の面に
露出させて形成するとともに前記第１の導電領域内に配
列してなるＮ個（Ｎ≧２）の前記第１の導電領域とは反
対型の第２導電型の第２の導電領域と、前記一方の面に
背向する他方の面に露出させて形成してなる第１の導電
型の第３の導電領域と、前記他方の面に露出させて形成
するとともに前記第３の導電領域内に配列してなるＮ個
の前記第１の導電領域とは反対型の第２導電型の第４の
導電領域を有する双方向型二端子サイリスタにおいて、
１番目の前記第２の導電領域は、平面的に見てその２番
目の前記第２の導電領域に近い側の端部及びその近傍部
分が１番目の前記第４の導電領域と重なり合うように配
置され、Ｎ番目の前記第４の導電領域は、平面的に見て
そのＮ−１番目の前記第４の導電領域に近い側の端部及
びその近傍部分がＮ番目の前記第２の導電領域と重なり
合うように配置され、１番目以外の前記第２の導電領域
は、平面的に見てそれらの両端部及びそれらの近傍部分
がＮ個の前記第４の導電領域と重なり合うように配置さ
れ、Ｎ番目以外の前記第４の導電領域は、平面的に見て
それらの両端部及びそれらの近傍部分がＮ個の前記第２
の導電領域と重なり合うように配置されてなることを特
徴とするものとした。

【００１６】前記した構成においては、単位サイリスタ
がＮ個並列に形成されたことと同じになり、電流がＮ個
分流され且つ各単位サイリスタ領域が点弧動作し易いた
めに、サージ耐量を向上させることが出来る。

【００１７】また、前記の構成において、Ｎ個の前記第
２の導電領域及びＮ個の前記第４の導電領域は、等間隔
且つ交互に配列することも出来る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の第１の実施の形
態に係る双方向型二端子サイリスタを図面に基づいて詳
細に説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係
る双方向型二端子サイリスタを示す断面図である。図１
において、１は半導体基板、２は第１Ｎ型導電領域、３
は第２Ｎ型導電領域、４，８，９，１０は第１Ｐ型導電
領域、５，１１，１２，１３は第２Ｐ型導電領域、６は
第１電極、７は第２電極、５３はＰＮＰＮ構造である。

【００１９】図１に示されるように、本発明の第１の実
施の形態に係る双方向型二端子サイリスタは、双方向で
電気的特性が対称となるように形成している。すなわ
ち、Ｐ型の半導体基板１に第１Ｎ型導電領域２、第２Ｎ
型導電領域３を形成する。また、第１Ｎ型導電領域２内
に４つの第１Ｐ型導電領域４，８，９，１０、第２Ｎ型
導電領域３内に４つの第２Ｐ型導電領域５，１１，１
２，１３を相対向するＰ型導電領域と点対称になるよう
に且つ等間隔に形成する。また、第１Ｐ型導電領域４
を、平面的に見て第１Ｐ型導電領域８に近い側の端部及
びその近傍部分が第２Ｐ型導電領域１１に重なり合うよ
うに配置する。さらに、第２Ｐ型導電領域５を、平面的
に見て第２Ｐ型導電領域１３に近い側の端部及びその近
傍部分が第１Ｐ型導電領域１０に重なり合うように配置
する。くわえて、第１Ｐ型導電領域８，９，１０と第２
Ｐ型導電領域１１，１２，１３とを、平面的に見てそれ
らの両端部及びそれらの近傍部分が相対向するＰ型導電
領域とそれぞれ重なり合うように配置する。なお、第１
Ｐ型導電領域４，８，９，１０、及び第２Ｐ型導電領域
５，１１，１２，１３は、全て同一形状で同一面積に形
成することが好ましい。

【００２０】第１Ｐ型導電領域４，８，９，１０と第２
Ｐ型導電領域５，１１，１２，１３との重ね幅は、例え
ば２．６ｍｍチップの場合、マスク幅２５０μｍに対し
て、２５μｍ重なるようにすればよく、サージ耐量が３
０％以上向上することなどが確認されている。重なりが
大きくなるとオン電流が流れる領域が狭くなるため、マ
スク幅の５０％未満とする必要がある。したがって、こ
れらの重ね幅はあまり大きく出来ないが、サージの種類
に応じて適当な重ね幅に変更することが可能である。

【００２１】図１に示される構造においては、単位とな
るサイリスタ構造が特許第２６５５５７５号に示される
ものとは大きく異なってくる。すなわち、図４に示され
る構造においては、単位サイリスタはＰＮＰＮ構造５２
であり、その回路モデルは図５に示されるようなものに
なる。図５は、従来技術に係る双方向型二端子サイリス
タの等価回路図である。

【００２２】これに対して、図１に示される構造では、
単位サイリスタの当該回路モデルが図６のようになる。
図６は、本発明の第１の実施の形態に係る双方向型二端
子サイリスタにおける単位サイリスタ構造の等価回路図
である。すなわち、従来技術に係る双方向型二端子サイ
リスタでは２つのトランジスタで表現されていた単位サ
イリスタ構造が３つのトランジスタで表現されることに
なる。従って、本発明の第１の実施の形態における構造
では、点弧動作が容易になる。これは、図３に示す電流
−電圧特性で、Ｉｓが小さくなってＩｓｉ（＜Ｉｓ）と
なることを意味し、電流と電圧の積が小さくなるので素
子破壊に繋がる発熱を抑制出来、サージ耐量を向上させ
ることが出来るようになる。

【００２３】図１に示した構造の等価回路モデルは、図
９に示すものとなる。図９は、図１に示した双方向型二
端子サイリスタの等価回路図である。本発明の第１の実
施の形態に係る双方向型二端子サイリスタにおいては、
ＰＮＰトランジスタが追加されたＰＮＰＮ構造５３で示
す単位サイリスタが４つ並列に形成されたことと同じに
なり、電流が分流され且つ各単位サイリスタ領域が点弧
動作し易いために、サージ耐量を向上させることが出来
る。

【００２４】また、図１に示した構造では、製造上のば
らつきがあっても、第１Ｐ型導電領域４，８，９，１０
と第２Ｐ型導電領域５，１１，１２，１３が平面的に見
て必ず重なるように余裕をもってマスクパターンを設計
することで、製造上のばらつきから、一部のサイリスタ
領域において、第１Ｐ型導電領域４，８，９，１０と第
２Ｐ型導電領域５，１１，１２，１３が平面的に見て必
ず重なるようにしている。

【００２５】これに対して、特許第２６５５５７５号で
は、もう一つの例として、マスクずれなどに起因する図
７に示されるような構造が示されている。図７は、特許
第２６５５５７５号公報に記載の別の双方向型二端子サ
イリスタの概略を示す断面図である。図７において、１
は半導体基板、２は第１Ｎ型導電領域、３は第２Ｎ型導
電領域、５，１１，１２は第２Ｐ型導電領域、６は第１
電極、７は第２電極、８，９，１０は第１Ｐ型導電領域
である。また、図８は、図７に示した双方向型二端子サ
イリスタの等価回路図である。

【００２６】特許第２６５５５７５号公報の前記の例で
は、第１Ｐ型導電領域８，９と第２Ｐ型導電領域１１，
１２は平面的に見てそれぞれ重なり合っているが、第１
Ｐ型導電領域１０と第２Ｐ型導電領域５は、平面的に見
て重なり合っていない。したがって、この例の場合、複
数ある単位サイリスタが各々同じものでない。すなわ
ち、この例の回路モデルは、図８に示されるものとな
り、各単位サイリスタのタイプが一致しないことから、
サージ電流を均一に分流させづらく、サージ耐量を大き
くすることが出来ないことが容易に分かる。

【００２７】なお、上記の実施の形態においては、Ｐ型
の半導体基板１に第１Ｎ型導電領域２、第２Ｎ型導電領
域３、第１Ｐ型導電領域４，８，９，１０、第２Ｐ型導
電領域５，１１，１２，１３を形成する場合について述
べたが、Ｎ型の半導体基板に第１Ｐ型導電領域及び第２
Ｐ型導電領域を形成し、第１Ｐ型導電領域内に第１Ｎ型
導電領域を形成し、さらに第２Ｐ型導電領域内に第２Ｎ
型導電領域を形成する場合にも好ましく適用出来る。

【００２８】さらに、本発明の第２の実施の形態に係る
双方向型二端子サイリスタを図面に基づいて詳細に説明
する。図１１は、本発明の第２の実施の形態に係る双方
向型二端子サイリスタを示す断面図である。図１１にお
いて、１は半導体基板、２は第１Ｎ型導電領域、３は第
２Ｎ型導電領域、４，８，９，１０は第１Ｐ型導電領
域、５，１１，１２，１３は第２Ｐ型導電領域、６は第
１電極、７は第２電極、２１，２２，２３，２４は第３
Ｎ型導電領域、２５，２６，２７，２８は第４Ｎ型導電
領域、５３はＰＮＰＮ構造である。

【００２９】本発明の第２の実施の形態に係る双方向型
二端子サイリスタにおいては、前記した第１の実施の形
態に係る双方向型二端子サイリスタの構成に加えて、第
１電極６と接する第１Ｎ型伝導領域２の露出面とその近
傍に、前記Ｎ型伝導領域２より伝導度の大きい第３Ｎ型
導電領域２１，２２，２３，２４を形成する。同様に、
第２電極７と接する第２Ｎ型伝導領域３の露出面とその
近傍に、前記Ｎ型伝導領域３より伝導度の大きい第４Ｎ
型導電領域２５，２６，２７，２８を形成する。

【００３０】この双方向型二端子サイリスタでは、半導
体基板１と第１電極６との間、及び半導体基板１と第２
電極７との間の接触抵抗がそれぞれ第３Ｎ型導電領域２
１，２２，２３，２４及び第４Ｎ型導電領域２５，２
６，２７，２８が存在することによって低減する。した
がって、点弧動作に必要な電流が流れやすくなるととも
に、点弧後のオン電圧を小さく出来る。ひいては、電気
的損失すなわち破壊に繋がる熱の発生を低減出来、サー
ジ耐量をより向上させることが出来る。

【００３１】

【発明の効果】このように本発明によれば、複数形成さ
れている単位サイリスタを全て同じタイプのものに出
来、且つ同じ導電型の導電領域を上面側と下面側に形成
し、平面的に見て重なり合うようにしたので、各サイリ
スタを短時間に同時に点弧させ易いために、同時点弧に
必要な電流がさほど大きくなくても良い。また、サージ
が入力したときに、発熱を抑制しやすく、従来技術に係
るサイリスタよりもサージ耐量を向上させることが出来
る。また、製造上のばらつきなどがあっても、従来技術
に係るサイリスタよりも同時点弧が容易になる。

【００３２】また、本発明は、半導体基板内部の不純物
の形成に使用するマスクパターンを変更するだけでよ
く、新規の設備も一切不要であるため、製造コストの増
大を招かないという経済的利点もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態に係る双方向型二
端子サイリスタを示す断面図である。

【図２】 従来技術に係る双方向型二端子サイリスタを
示す断面図である。

【図３】 従来技術に係る双方向型二端子サイリスタの
順方向の電気的特性を示すグラフである。

【図４】 特許第２６５５５７５号公報に記載の双方向
型二端子サイリスタの概略を示す断面図である。

【図５】 従来技術に係る双方向型二端子サイリスタの
等価回路図である。

【図６】 本発明の第１の実施の形態に係る双方向型二
端子サイリスタにおける単位サイリスタ構造の等価回路
図である。

【図７】 特許第２６５５５７５号公報に記載の別の双
方向型二端子サイリスタの概略を示す断面図である。

【図８】 図７に示した双方向型二端子サイリスタの等
価回路図である。

【図９】 図１に示した双方向型二端子サイリスタの等
価回路図である。

【図１０】 図４に示した双方向型二端子サイリスタの
等価回路図である。

【図１１】 本発明の第２の実施の形態に係る双方向型
二端子サイリスタを示す断面図である。

【符号の簡単な説明】

１ 半導体基板 ２ 第１Ｎ型導電領域 ３ 第２Ｎ型導電領域 ４ 第１Ｐ型導電領域 ５ 第２Ｐ型導電領域 ６ 第１電極 ７ 第２電極 ８ 第１Ｐ型導電領域 ９ 第１Ｐ型導電領域 １０ 第１Ｐ型導電領域 １１ 第２Ｐ型導電領域 １２ 第２Ｐ型導電領域 １３ 第２Ｐ型導電領域 ２１ 第３Ｎ型導電領域 ２２ 第３Ｎ型導電領域 ２３ 第３Ｎ型導電領域 ２４ 第３Ｎ型導電領域 ２５ 第４Ｎ型導電領域 ２６ 第４Ｎ型導電領域 ２７ 第４Ｎ型導電領域 ２８ 第４Ｎ型導電領域 ５１ ＰＮＰＮ構造 ５２ ＰＮＰＮ構造 ５３ ＰＮＰＮ構造

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の面に露出させて形成してなる第１
   導電型の第１の導電領域と、 前記一方の面に露出させて形成するとともに前記第１の
   導電領域内に配列してなるＮ個（Ｎ≧２）の前記第１の
   導電領域とは反対型の第２導電型の第２の導電領域と、 前記一方の面に背向する他方の面に露出させて形成して
   なる第１の導電型の第３の導電領域と、 前記他方の面に露出させて形成するとともに前記第３の
   導電領域内に配列してなるＮ個の前記第１の導電領域と
   は反対型の第２導電型の第４の導電領域を有する双方向
   型二端子サイリスタにおいて、 １番目の前記第２の導電領域は、平面的に見てその２番
   目の前記第２の導電領域に近い側の端部及びその近傍部
   分が１番目の前記第４の導電領域と重なり合うように配
   置され、 Ｎ番目の前記第４の導電領域は、平面的に見てそのＮ−
   １番目の前記第４の導電領域に近い側の端部及びその近
   傍部分がＮ番目の前記第２の導電領域と重なり合うよう
   に配置され、 １番目以外の前記第２の導電領域は、平面的に見てそれ
   らの両端部及びそれらの近傍部分がＮ個の前記第４の導
   電領域と重なり合うように配置され、 Ｎ番目以外の前記第４の導電領域は、平面的に見てそれ
   らの両端部及びそれらの近傍部分がＮ個の前記第２の導
   電領域と重なり合うように配置されてなることを特徴と
   する双方向型二端子サイリスタ。
2. 【請求項２】 Ｎ個の前記第２の導電領域及びＮ個の前
   記第４の導電領域は、等間隔且つ交互に配列してなるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の双方向型二端子サイリ
   スタ。