JP2940377B2 - ２方向性２端子サイリスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は２方向性２端子サイリス
タに関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は従来の２方向性２端子サイリスタ
を示す。これはＰ形の第１の半導体領域１、Ｎ形の第２
の半導体領域２、Ｐ形の第３の半導体領域３、Ｎ形の第
４の半導体領域４、Ｐ形の第５の半導体領域５を備え、
第１、第２、第３及び第４の半導体領域１、２、３、４
から構成される第１のサイリスタと、第１、第２、第４
及び第５の半導体領域１、２、４、５から構成される第
２のサイリスタとが並列接続された複合素子である。

【０００３】図１の２方向性２端子サイリスタに、第１
の電極６の電位を第２の電極７の電位よりも高くする電
圧を印加した場合、第１の半導体領域１と第２の半導体
領域２との界面に形成されるＰＮ接合８が逆方向にバイ
アスされる。ここで、この印加電圧がＰＮ接合８のブレ
ークダウン電圧を越えるとブレ−クオ−バ電流がサイリ
スタをトリガ−し第１のサイリスタが導通する。

【０００４】また、第２の電極７の電位を第１の電極６
の電位よりも高くする電圧を印加した場合、第１の半導
体領域１と第４の半導体領域４との界面に形成されるＰ
Ｎ接合９が逆方向にバイアスされる。ここで、この印加
電圧がＰＮ接合９のブレークダウン電圧を越えるとブレ
−クオ−バ電流がサイリスタをトリガ−し第２のサイリ
スタが導通する。結果として双方向にサイリスタ動作す
る。

【０００５】この種の２方向性２端子サイリスタをファ
ンヒータの点火装置等に使用する場合がある。このよう
な場合、第１のサイリスタと第２のサイリスタの内のど
ちらか一方又は両方のブレークオーバー電圧が長期に亘
って経時変化しないことが要望される。図１に示す２方
向性２端子サイリスタでは保護膜１０、１１に安定性の
高いリンガラス等を使用した場合においても半導体基板
表面の安定性を長期に亘って良好に保持することは困難
である。このため、上記要望を十分に満足することがで
きなかった。また、エネルギ−ロスを小さくするためオ
ン電圧の小さいサイリスタが要求されている。

【０００６】上述のような欠点を解決するために本件出
願人は特願平５−８５４８９号によって図２に示す２方
向性２端子サイリスタを提案した。この２端子サイリス
タは、Ｐ形の第１の半導体領域２１、Ｎ形の第２の半導
体領域２２、Ｐ形の第３の半導体領域２３、Ｐ形の第４
の半導体領域２４、Ｎ形の第５の半導体領域２５、Ｐ形
の第６の半導体領域２６及びＰ形の等電位リング用半導
体領域２７を有する。

【０００７】第２の半導体領域２２は半導体基板の一方
の主面に露出しており、平面環状に形成されている。第
３の半導体領域２３は半導体基板の一方の主面に露出し
ており、第２の半導体領域２２の内側に環状に形成され
ている。第２の半導体領域２２の内縁と第３の半導体領
域２３の内縁との距離は、第２の半導体領域２２の外縁
と第３の半導体領域２３の外縁との距離よりも小さくな
っている。第２及び第３の半導体領域２２、２３は、半
導体基板の一方の主面に形成された絶縁性保護膜２８に
設けられた開口２９を通じて第１の電極３０に接続され
基板表面で電気的に短絡されている。

【０００８】第４の半導体領域２４は、半導体基板の中
央に配され、第２の半導体領域２２に隣接して包囲され
ている。第４の半導体領域２４は基板表面に露出する
が、その上面には保護膜２８が形成されており、第１の
電極３０には接続されていない。第１の電極３０は保護
膜２８を介して第４の半導体領域２４の上面全体を覆っ
ている。

【０００９】第５の半導体領域２５は、第１の半導体領
域２１に対して第２の半導体領域２２とは反対側におい
て隣接している。第５の半導体領域２５は基板の他方の
主面に露出しており、第２の電極３１に電気的に接続さ
れている。

【００１０】第６の半導体領域２６は基板の他方の主面
の外縁に沿って平面環状に形成されている。第６の半導
体領域２６は、基板の他方の主面に露出して第２の電極
３１に電気的に接続され、基板表面で第５の半導体領域
２５と電気的に短絡されている。平面的に見たとき、第
６の半導体領域２６は第２の半導体領域２２の外縁に沿
ってこれと重なる部分を環状に有している。この環状部
分は開口２９の内側まで延びている。

【００１１】等電位リング用半導体領域２７は基板の一
方の主面の外縁に沿って平面環状に形成されており、第
１の半導体領域２１を介して第２の半導体領域２２を包
囲する。この等電位用半導体領域２７の上面は基板の一
方の主面に露出して保護膜２８に被覆されている。

【００１２】次に、この２方向性２端子サイリスタの動
作について説明する。図２の２端子サイリスタは、第
１、第２、第３、第４及び第５の半導体領域２１、２
２、２３、２４、２５から構成される第１のサイリスタ
と、第１、第２、第５及び第６の半導体領域２１、２
２、２５、２６から構成される第２のサイリスタとが逆
並列接続された複合素子である。

【００１３】第１の電極３０と第２の電極３１との間に
第１の電極３０の電位を第２の電極３１のそれよりも大
きくする電圧を印加すると、第１のサイリスタの第１の
半導体領域２１及び第４の半導体領域２４と第２の半導
体領域２２との界面に形成されるＰＮ接合３３及び３４
が逆方向にバイアスされる。この結果、図示のようにＰ
Ｎ接合３３及び３４からそれぞれ第１及び第２の空乏層
３５、３６が広がる。また、第４の半導体領域２４の表
面側には、第１の電極３０の電界効果によって第３の空
乏層３７が広がる。第１の空乏層３５と第２の空乏層３
６と第３の空乏層３７は互いに連続して広がるので、厳
密に区別されるものではない。

【００１４】ここで、第４の半導体領域２４は第１の半
導体領域２１よりも不純物濃度が高く且つ横方向への濃
度勾配がほとんどないから、ＰＮ接合３４から広がる第
２の空乏層３６は図示のように第１の空乏層３５に比べ
て幅の狭い空乏層である。また、第４の半導体領域２４
は拡散によって形成されるから、不純物濃度はその表面
側に向かうにつれ高くなる。しかし、第４の半導体領域
２４の表面には第３の空乏層３７が形成されるから、第
２の空乏層３６のその幅が最も狭くなる部分は第４の半
導体領域２４の表面よりもやや内側に形成される。

【００１５】逆方向電圧がブレークダウン電圧に達する
と、第２の空乏層３６の幅狭部分に臨界電界強度Ｅcrit
を越える部分（電界集中点）が生じて、この部分を引き
金としてブレークダウンが起きる。

【００１６】ブレークダウンが起きると、第２の半導体
領域２２を横方向に流れる電流による電圧降下によって
第２の半導体領域２２と第３の半導体領域２３の界面に
形成されるＰＮ接合が順方向にバイアスされ、第１、第
２、第３及び第４の半導体領域２１、２２、２３、２４
から構成されるトランジスタが導通する。また、第１、
第２、第４及び第５の半導体領域２１、２２、２４、２
５から構成されるトランジスタも導通し、結果として第
１のサイリスタが導通する。

【００１７】第１の電極３０と第２電極３１との間に第
２の電極３１の電位を第１の電極３０の電位よりも高く
する電圧を印加したときは、ｄｖ／ｄｔによって第２の
サイリスタが導通する。

【００１８】この２端子サイリスタによれば以下のよう
な効果が得られる。 （１） 第１のサイリスタのブレ−クオ−バ電圧を長期
に亘って一定に保持することができる。即ち、この２端
子サイリスタによれば、ブレークダウン電圧を決定する
第２の空乏層３６が形成される第４の半導体領域２４の
上面全体に第１の電極３０が形成されている。このた
め、サイリスタ素子を覆う樹脂封止体や保護膜２８に含
まれるイオンによるブレークダウン電圧の変動が有効に
防止されている。また、第１の電極３０も保護膜として
機能する。このため、ブレ−クオ−バ電圧を長期に亘っ
て一定に保持でき、高い信頼性が得られる。 （２） 上記オン電圧の温度依存性が小さい。即ち、ア
バランシェブレークダウンを起こす第２の空乏層３６
は、幅狭であるからブレークダウン電圧の温度依存性を
小さくできる。 （３） クリープ現象が生じない。即ち、電界集中点が
半導体基板の表面よりも内側に形成されるので、逆方向
電圧印加時にブレークダウン電圧が短時間のうちに変動
する不安定な現象いわゆるクリープ現象が生じない。 （４） 第２のサイリスタのオン電圧が小さい。即ち、
第２のサイリスタが第１のサイリスタを環状に包囲する
ように配されており、第２のサイリスタを構成する第６
の半導体領域２６が平面的にみて第２の半導体領域２２
及び開口２９と重なっている。このため、第２の電極３
１から第１の電極３０への電流経路が短くオン電圧を比
較的小さくできる。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２の
サイリスタはブレ−クオ−バ電流Ｉ_BOが比較的大きい
（３５０μＡ程度）という欠点を有する。これは、第２
の半導体領域２２と第１の半導体領域２１と第５の半導
体領域２５によって構成されるＮＰＮトランジスタの電
流増幅率αが小さいためである。

【００２０】そこで、本発明の目的は、オン電圧の経時
変化及びオン電圧を小さくすることができると共に、ブ
レ−クオ−バ電流Ｉ_BOを小さくすることができる２方向
性２端子サイリスタを提供することにある。

【００２１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、実施例を示す図面の符号を参照して説明す
ると、第１の導電形の第１の半導体領域２１と、半導体
基板の一方の主面に露出した上面を除いて前記第１の半
導体領域２１に隣接し、環状の平面形状を有している第
２の導電形の第２の半導体領域２２と、前記半導体基板
の一方の主面に露出した上面を除いて前記第２の半導体
領域２２に隣接し、環状の平面形状を有している第１の
導電形の第３の半導体領域２３と、上面が前記半導体基
板の一方の主面に露出し、下面及び側面がそれぞれ前記
第１の半導体領域２１と前記第２の半導体領域２２に隣
接して包囲されている第１の導電形の第４の半導体領域
２４と、前記第１の半導体領域２１に対して前記第２の
半導体領域２２とは反対側で隣接し、前記半導体基板の
他方の主面から露出している第２の導電形の第５の半導
体領域２５と、前記半導体基板の他方の主面に露出し、
環状の平面形状を有している第１の導電形の第６の半導
体領域２６とを備え、前記第４の半導体領域２４は前記
第１の半導体領域２１よりも不純物濃度が高く、前記第
１の半導体領域２１と前記第５の半導体領域２５との間
のＰＮ接合３９の前記第４の半導体領域２４に対向する
領域３９ｂが前記第４の半導体領域２４の方向に突出す
るように前記第５の半導体領域２５が形成されており、
前記第３の半導体領域２３の前記第４の半導体領域２４
側、前記第２の半導体領域２２の前記第３の半導体領域
２３と前記第４の半導体領域２４の間の部分、及び前記
第４の半導体領域２４の上面には絶縁膜２８が形成され
ており、前記第２の半導体領域２２と前記第３の半導体
領域２３は前記絶縁膜２８の上面を覆う第１の電極３０
に電気的に接続されており、前記第５の半導体領域２５
及び前記第６の半導体領域２６は第２の電極３１に電気
的に接続されており、前記第６の半導体領域２６は平面
的に見て前記第２の半導体領域２２の外縁領域と重なる
環状領域を有する２方向性２端子サイリスタに係わるも
のである。なお、請求項２に示すように第７の半導体領
域４１を設けることが望ましい。

【００２２】

【発明の作用及び効果】請求項１及び２の発明によれ
ば、ブレークダウンを決定する領域として働く第４の半
導体領域２４の上記絶縁膜２８を介して第１の電極３０
が形成されているので、絶縁膜２８や樹脂封止体のイオ
ンによるブレークダウン電圧の変動を防止し、ブレ−ク
オ−バ電圧の経時変化を小さくすることができる。ま
た、第６の半導体領域２６を環状に配置し、第２のサリ
スタが第１のサイリスタを環状に囲むように構成したの
で、第２のサイリスタのオン電圧を小さくすることがで
きる。更に、第１の半導体領域２１と第５の半導体領域
２５とのＰＮ接合３９に突出する部分を設けることによ
ってブレ−クオ−バ電流Ｉ_BOを小さくすることができ
る。また、請求項２に示すように第７の半導体領域４１
を設けると、破壊耐量を高めることができる。

【００２３】

【第１の実施例】次に、図３を参照して本発明の実施例
に係わる２方向性２端子サイリスタを説明する。但し、
図３において図２と共通する部分には同一の符号を付し
てその説明を省略する。図３の２方向性２端子サイリス
タは、第１の半導体領域２１と第５の半導体領域２５と
の間のＰＮ接合３９が第４の半導体領域２４の方向に突
出する部分３９ｂを有すること、及び安定性を向上させ
るための等電位リングを構成する導電層４０が等電位リ
ング用半導体領域２７の上に環状に設けられていること
において図２と異なるが、その他は図２と同一に構成さ
れている。更に詳細には、第５の半導体領域２５が基板
の主面に対して平行なＰＮ接合３９ａを形成する部分２
５ａと基板の中央において第４の半導体領域２４の方向
に椀状に突出するＰＮ接合３９ｂを形成する突出部分２
５ｂとを有する。なお、椀状のＰＮ接合３９ｂは環状に
形成された第４の半導体領域２４の中心に一致するよう
に配置され、且つ第４の半導体領域２４の全部に対向す
る大きさを有するが、第２のサイリスタの特性を低下さ
せないために第６の半導体領域２６よりも内側に配置さ
れている。

【００２４】この実施例では椀状ＰＮ接合３９ｂを有す
る第５の半導体領域２５を形成する際に、まず、基板の
底面の中央からＮ形不純物を深く拡散して椀状領域２５
ｂを形成し、次に基板の底面の全体からＮ形不純物を浅
く形成する。この結果、突出部分２５ｂの基板の底面か
らのＮ形不純物濃度の分布は緩やかに傾斜した状態にな
り、ＰＮ接合３９ｂの近傍における第１の半導体領域２
１のＰ形不純物濃度に対して第５の半導体領域２５の突
出部分２５ｂのＮ形不純物濃度が急峻に変化しない。一
方、平行なＰＮ接合３９ａを形成する部分２５ａのＮ形
不純物濃度はＰＮ接合３９ａの近くで急峻に変化する。

【００２５】この椀状部分２５ｂを設けたことによっ
て、第１のサイリスタを構成する素子中心側に形成され
た第２の半導体領域２２と第１の半導体領域２１と椀状
部分２５ｂを含む第５の半導体領域２５とから成るＮＰ
Ｎトランジスタのベース幅（第２の半導体領域２２と第
５の半導体領域２５との間隔又は空乏層３５と第５の半
導体領域２５との間隔）が減少する。この結果、このＮ
ＰＮトランジスタの電流増幅率αを従来例のそれに比べ
て増大することができる。また、図４に示すように椀状
部分（中央部分）２５ｂは周辺部分２５ａに比べてその
不純物濃度が第１の半導体領域２１との界面から離間す
るにつれて緩やかに増加する不純物分布を有し、第１の
半導体領域２１との間にいわゆる傾斜接合を形成する。
このため、同一の順バイアスにおいて椀状部分２５ｂと
第１の半導体領域２１の界面に形成されるＰＮ接合３９
ｂにおける電流密度は図５に示すように周辺部分２５ａ
と第１の半導体領域２１の界面に形成されるいわゆる階
段接合と呼ばれるＰＮ接合３９ａにおける電流密度より
も大きくなる。この電流密度の増大効果と上述の電流増
幅率の増大効果とが相俟って、本実施例のサイリスタで
は上述のブレークオーバ電流Ｉ_BOを著しく減少させるこ
とができる。上記ベース幅を約４０μｍにすることで、
電流Ｉ_BOを約５０μＡまで減少できることが確認されて
いる。なお、椀状部分２５ｂを形成せずに、平行部分２
５ａを椀状部分２５ｂの深さまで全体的に深く形成する
ことによっても、上述の電流増幅率αを増大でき、電流
Ｉ_BOの低減がはかれる。しかしながら、このように形成
すると第２のサイリスタを構成する第１の半導体領域２
１と第５の半導体領域２５と第６の半導体領域２６によ
って形成されるＰＮＰトランジスタのベース幅が増大し
てしまい、第２のサイリスタの特性を低下させる。本実
施例ではこの問題が生ぜず、第２のサイリスタの特性も
良好である。

【００２６】

【第２の実施例】次に、図６を参照して第２の実施例の
２方向性２端子サイリスタを説明する。但し、図６にお
いて図３と共通する部分には同一の符号を付してその説
明を省略する。図６のサイリスタは図３のサイリスタに
第７の半導体領域４１を付加したものであり、この第７
の半導体領域４１以外の部分は図３と同一に構成されて
いる。第７の半導体領域４１は第３の半導体領域２３と
同時に形成されたＰ形領域であり、その上面を除いて第
２の半導体領域２２に隣接し、第３の半導体領域２３と
第４の半導体領域２４との間に環状に配設されている。
なお、第７の半導体領域４１の上面を絶縁性保護膜２８
で覆われている。また、第２の半導体領域２２は不純物
拡散で形成されているので、基板の表面から内部に向か
って不純物濃度が低下する領域である。

【００２７】第７の半導体領域４１は耐圧向上に寄与
し、第２の実施例のサイリスタの耐圧は第１の実施例の
サイリスタの耐圧よりも高くなる。即ち、第１の実施例
の２方向性２端子サイリスタでは、第１のサイリスタが
導通した初期の段階において、比較的大きなオン電流が
ブレークダウンを生じさせた狭いＰＮ接合３４に比較的
長い間流れ続ける。この結果、この領域に焼損が生じる
ことがある。第２の実施例の２方向性２端子サイリスタ
では、第２の半導体領域２２間にフローティングエミッ
タと呼べる第７の半導体領域４１を形成したことによっ
て、この破壊耐量が向上している。その理由は次の通り
である。第２の実施例のサイリスタの導通時のごく初期
には、第１の実施例のサイリスタと同様に、上記狭いＰ
Ｎ接合３４にオン電流が流れる。しかしながら、このオ
ン電流の径路となる第７の半導体領域（フローティング
エミッタ）４１の下方の第２の半導体領域２２の不純物
濃度は低く抵抗が大きい。このため、比較的小さなオン
電流（導通時初期電流）でこの領域にオン電流の流れを
抑制するような電圧効果が生じる。この結果、オン電流
の径路が比較的早いうちに、第２の半導体領域２２と第
３の半導体領域２３によって形成されるＰＮ接合の下面
側（主接合側）の広い接合に移行し、焼損を防止でき
る。

【００２８】

【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。 （１） 半導体基板の下面中央に凹部を形成し、この状
態でＮ形不純物を拡散することによって椀状ＰＮ接合３
９ｂを得ることができる。しかし、この場合には第５の
半導体領域２５の中央の椀状部分２５ｂの不純物濃度分
布が平行部分２５ａと同一になり、実施例のような傾斜
接合が得られない。従って、電流密度増大効果の点で実
施例より不利になる。 （２） 椀状部分２５ｂの大きさを種々変えることがで
きる。しかし、電流増幅率の増大効果を十分に得るため
に第４の半導体領域２４の中心に一致するように配置
し、且つ平面的に見て第４の半導体領域２４の少なくと
も１／４の面積に重複するような大きさに形成すること
が望ましい。また、第２のサイリスタの特性を低下させ
ないために椀状部分２５ｂを第６の半導体領域２６より
も内側に配置することが望ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の２方向性２端子サイリスタを示す中央縦
断面図である。

【図２】本件出願人が先に提案した２方向性２端子サイ
リスタの基本構造を示す中央縦断面図である。

【図３】本発明の第１の実施例の２方向性２端子サイリ
スタを示す中央縦断面図である。

【図４】図３の第５の半導体領域２５の椀状部分２５ｂ
と第１の半導体領域２１と接合部分の不純物濃度分布図
である。

【図５】 図３の第５の半導体領域２５の周辺部分２５
ａと第１の半導体領域２１との接合部分の不純物濃度分
布図である。

【図６】第２の実施例の２方向性２端子サイリスタを示
す中央縦断面図である。

【符号の説明】

２１〜２７ 第１〜第７の半導体領域 ２８ 絶縁膜

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の導電形の第１の半導体領域（２
   １）と、 半導体基板の一方の主面に露出した上面を除いて前記第
   １の半導体領域（２１）に隣接し、環状の平面形状を有
   している第２の導電形の第２の半導体領域（２２）と、 前記半導体基板の一方の主面に露出した上面を除いて前
   記第２の半導体領域（２２）に隣接し、環状の平面形状
   を有している第１の導電形の第３の半導体領域（２３）
   と、 上面が前記半導体基板の一方の主面に露出し、下面及び
   側面がそれぞれ前記第１の半導体領域（２１）と前記第
   ２の半導体領域（２２）に隣接して包囲されている第１
   の導電形の第４の半導体領域（２４）と、 前記第１の半導体領域（２１）に対して前記第２の半導
   体領域（２２）とは反対側で隣接し、前記半導体基板の
   他方の主面から露出している第２の導電形の第５の半導
   体領域（２５）と、 前記半導体基板の他方の主面に露出し、環状の平面形状
   を有している第１の導電形の第６の半導体領域（２６）
   とを備え、前記第４の半導体領域（２４）は前記第１の
   半導体領域（２１）よりも不純物濃度が高く、 前記第１の半導体領域（２１）と前記第５の半導体領域
   （２５）との間のＰＮ接合（３９）の前記第４の半導体
   領域（２４）に対向する領域（３９ｂ）が前記第４の半
   導体領域（２４）の方向に突出するように前記第５の半
   導体領域（２５）が形成されており、 前記第３の半導体領域（２３）の前記第４の半導体領域
   （２４）側、前記第２の半導体領域（２２）の前記第３
   の半導体領域（２３）と前記第４の半導体領域（２４）
   の間の部分、及び前記第４の半導体領域（２４）の上面
   には絶縁膜（２８）が形成されており、 前記第２の半導体領域（２２）と前記第３の半導体領域
   （２３）は前記絶縁膜（２８）の上面を覆う第１の電極
   （３０）に電気的に接続されており、 前記第５の半導体領域（２５）及び前記第６の半導体領
   域（２６）は第２の電極（３１）に電気的に接続されて
   おり、 前記第６の半導体領域（２６）は平面的に見て前記第２
   の半導体領域（２２）の外縁領域と重なる環状領域を有
   することを特徴とする２方向性２端子サイリスタ。
2. 【請求項２】 更に、第１の導電形の第７の半導体領域
   （４１）を有し、この第７の半導体領域（４１）は前記
   半導体基板の一方の主面に露出したこの上面を除いて前
   記第２の半導体領域（２２）に隣接し、且つ前記第３及
   び第４の半導体領域（２３、２４）の間に環状に形成さ
   れていることを特徴とする請求項１記載の２方向性２端
   子サイリスタ。