JP5938725B2 - 半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置に関し、特に光によって駆動される半導体リレーに関するものである。

半導体リレーにおいて、フォトダイオードアレイを直列に接続すると、開放電圧は大きくなるが、短絡電流が小さくなる。一方、フォトダイオードアレイを並列に接続すると、短絡電流は大きくなるが、開放電圧が小さくなる。

そこで、特許文献１には、３個の発光ダイオード（ＬＥＤ）と、２個のフォトダイオードアレイと、３個のフォトトランジスタと、１個の出力用ＭＯＳ（metal-oxide-semiconductor）電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）とを備えた半導体リレーが開示されている。ただし、駆動入力端子とは別に制御入力端子を備える必要があった。

また、特許文献２には、フォトダイオードアレイを構成するように互いに直列接続された複数のフォトダイオードの一部を一時的に短絡するように制御回路を設けた半導体リレーが開示されている。

特開平８−１２５５１４号公報 特開２００３−４６１１６号公報

上記特許文献１の技術は、駆動用のＬＥＤだけでなく、制御用のＬＥＤを必要としている。また、駆動と制御とでＬＥＤを合計３個使用しており、各受光素子に各ＬＥＤの光しか入らないように分離しなくてはならないため、サイズアップを招く。

また、特許文献２の技術では、制御回路が非導通となるまでは、フォトダイオードアレイの一部から発生する光電流しか活用できない。

本発明の目的は、フォトダイオードアレイの開放電圧を低下させずに短絡電流を増加させることで、オン動作が速く、かつ低オン抵抗の半導体リレーとして動作する半導体装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る半導体装置は、出力用ＭＯＳＦＥＴのオン／オフを制御する半導体装置において、駆動入力端子に接続された発光素子と、各々前記発光素子からの光を受けて光起電力を発生する第１及び第２のフォトダイオードアレイと、前記第１のフォトダイオードアレイのカソードと前記第２のフォトダイオードアレイのアノードとの間に接続されたノーマリオフ型の第１の半導体スイッチと、前記第１のフォトダイオードアレイのカソードと前記第２のフォトダイオードアレイのカソードとの間に接続されたノーマリオン型の第２の半導体スイッチと、前記第１のフォトダイオードアレイのアノードと前記第２のフォトダイオードアレイのアノードとの間に接続されたノーマリオン型の第３の半導体スイッチと、前記第１のフォトダイオードアレイのアノードと前記第２のフォトダイオードアレイのカソードとの間に接続されて、前記出力用ＭＯＳＦＥＴのゲートへの電荷の充放電を制御する充放電回路とを備えることとしたものである。しかも、前記出力用ＭＯＳＦＥＴをオンさせる際に、前記第１のフォトダイオードアレイのアノードと前記第２のフォトダイオードアレイのカソードとの間の電圧が低い間は、前記第１の半導体スイッチがオフ状態であり、かつ前記第２及び第３の半導体スイッチがそれぞれオン状態であることにより、前記第１及び第２のフォトダイオードアレイが互いに並列接続され、前記第１のフォトダイオードアレイのアノードと前記第２のフォトダイオードアレイのカソードとの間の電圧が所定の電圧まで上昇した時点で、前記第１の半導体スイッチがオン状態へ移行し、かつ前記第２及び第３の半導体スイッチがそれぞれオフ状態へ移行することにより、前記第１及び第２のフォトダイオードアレイが互いに直列接続されるように構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、ノーマリオフ型の第１の半導体スイッチと、各々ノーマリオン型の第２の半導体スイッチとの採用により、制御用のＬＥＤを設けなくとも、第１及び第２のフォトダイオードアレイの並列から直列への切り替えを実現することができる。また、第１及び第２のフォトダイオードアレイの双方の電流を常に利用できる。したがって、本発明によれば、フォトダイオードアレイの開放電圧を低下させずに短絡電流を増加させることで、オン動作が速く、かつ低オン抵抗の半導体リレーとして動作する半導体装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る半導体装置である半導体リレーの回路図である。 図１中の第１〜第３の半導体スイッチを具体化した回路図である。 図２の半導体リレーの動作原理を示す説明図である。 図２の半導体リレーの第１変形例を示す回路図である。 図２の半導体リレーの第２変形例を示す回路図である。 図２の半導体リレーの第３変形例を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る半導体装置である半導体リレーの回路図である。図１の半導体リレーは、出力端子８ａ，８ｂの間に接続された出力用ＭＯＳＦＥＴ８のオン／オフを制御する半導体装置であって、駆動入力端子１ａ，１ｂに接続された発光素子であるＬＥＤ１と、各々ＬＥＤ１からの光を受けて光起電力を発生する第１及び第２のフォトダイオードアレイ２，３と、第１のフォトダイオードアレイ２のカソードと第２のフォトダイオードアレイ３のアノードとの間に接続されたノーマリオフ型の第１の半導体スイッチ４と、第１のフォトダイオードアレイ２のカソードと第２のフォトダイオードアレイ３のカソードとの間に接続されたノーマリオン型の第２の半導体スイッチ５と、第１のフォトダイオードアレイ２のアノードと第２のフォトダイオードアレイ３のアノードとの間に接続されたノーマリオン型の第３の半導体スイッチ６と、第１のフォトダイオードアレイ２のアノードと第２のフォトダイオードアレイ３のカソードとの間に入力端子７ａ，７ｂが接続されて出力用ＭＯＳＦＥＴ８のゲートへの電荷の充放電を制御する充放電回路７とを備えている。

第１の半導体スイッチ４としては、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等が採用可能である。第２及び第３の半導体スイッチ５，６としては、ダイオード、デプレッション型ＭＯＳＦＥＴ、ジャンクションＦＥＴ等が採用可能である。

図２は、図１中の第１の半導体スイッチ４としてエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａを、第２及び第３の半導体スイッチ５，６として第１及び第２のダイオード５ａ，６ａをそれぞれ採用した構成である。エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａのゲートは、第１のフォトダイオードアレイ２を構成するように互いに直列接続された複数のフォトダイオードの接続点のうちのいずれかの電圧を受け取る。第１のダイオード５ａは、アノード端子が第２のフォトダイオードアレイ３のカソードに、カソード端子が第１のフォトダイオードアレイ２のカソードにそれぞれ接続されている。第２のダイオード６ａは、アノード端子が第２のフォトダイオードアレイ３のアノードに、カソード端子が第１のフォトダイオードアレイ２のアノードにそれぞれ接続されている。

図３は、図２の半導体リレーの動作原理を示す説明図である。駆動入力端子１ａ，１ｂに電圧が印加されると、ＬＥＤ１が発光するので、第１及び第２のフォトダイオードアレイ２，３に光起電力が発生する。この時点では、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａがオフ、第１及び第２のダイオード５ａ，６ａがオンであるので、充放電回路７の第２の入力端子７ｂから第１のダイオード５ａ及び第１のフォトダイオードアレイ２を順次介して充放電回路７の第１の入力端子７ａに至る回路と、充放電回路７の第２の入力端子７ｂから第２のフォトダイオードアレイ３及び第２のダイオード６ａを順次介して充放電回路７の第１の入力端子７ａに至る回路とに電流が流れ始める。つまり、この時点では第１のフォトダイオードアレイ２と第２のフォトダイオードアレイ３とが互いに並列接続されており（図３左半部）、充放電回路入力端子７ａ，７ｂの電圧は小さいものの、個々のフォトダイオードアレイ２，３の２倍の電流が充放電回路入力端子７ａ，７ｂに印加される。これにより、充放電回路７は出力用ＭＯＳＦＥＴ８を高速にオンさせることにより、出力端子８ａ，８ｂ間が高速に閉成する。つまり、半導体リレーのオン動作が速くなる。

時間の経過につれて充放電回路７が出力用ＭＯＳＦＥＴ８のゲート容量を充電する一方、充放電回路入力端子７ａ，７ｂの電圧が上昇する。そして、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａのゲートが所定の電圧まで上昇した時点で、外部からの制御入力なしにエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａがオンし、第１及び第２のダイオード５ａ，６ａがオフする。このとき、充放電回路７の第２の入力端子７ｂから第２のフォトダイオードアレイ３、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａ及び第１のフォトダイオードアレイ２を順次介して充放電回路７の第１の入力端子７ａに至る回路に電流が流れる。つまり、この時点では第１のフォトダイオードアレイ２と第２のフォトダイオードアレイ３とが互いに直列接続されており（図３右半部）、個々のフォトダイオードアレイ２，３の２倍の電圧が充放電回路入力端子７ａ，７ｂに印加される。したがって、低オン抵抗の半導体リレーが実現する。

以上のように、第１の半導体スイッチ４としてエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａを使用すると、当該エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａのゲートに印加される電圧により、第１及び第２のフォトダイオードアレイ２，３が自動的に並列から直列へ切り替わる。この切り替えポイントは、第１のフォトダイオードアレイ２中のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａのゲートの接続点を変更することにより、調整可能である。

図４は、図２の半導体リレーの第１変形例を示す回路図である。図４の半導体リレーは、第１のフォトダイオードアレイ２のアノードと第２のフォトダイオードアレイ３のカソードとの間に接続された２本の抵抗９，１０からなる抵抗分圧回路を更に備え、これら２本の抵抗９，１０の接続点の電圧がエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａのゲートに与えられる。この場合には、抵抗９，１０の接続点の電圧により、第１及び第２のフォトダイオードアレイ２，３が自動的に並列から直列へ切り替わる。この切り替えポイントは、抵抗９，１０の少なくとも一方の抵抗値を変更することにより、連続的に調整可能である。

図５は、図２の半導体リレーの第２変形例を示す回路図である。図５の半導体リレーは、図２中のエンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ４ａをバイポーラトランジスタ４ｂに置き換えたものである。バイポーラトランジスタ４ｂは、例えば、第２のフォトダイオードアレイ３のアノードに接続されたエミッタと、第１のフォトダイオードアレイ２のカソードに接続されたコレクタと、抵抗１１を介して第２のフォトダイオードアレイ３のカソードに接続されたベースとを有するＰＮＰトランジスタである。

第１の半導体スイッチ４としてバイポーラトランジスタ４ｂを使用した場合、当該バイポーラトランジスタ４ｂのベースに流れる電流により、第１及び第２のフォトダイオードアレイ２，３が自動的に並列から直列へ切り替わる。この切り替えポイントは、抵抗１１の抵抗値を変更することにより、連続的に調整可能である。

図６は、図２の半導体リレーの第３変形例を示す回路図である。図６の半導体リレーは、図２の構成に、第３のフォトダイオードアレイ１２と、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ１３ａと、５個のダイオード２ａ，１４ａ，１５ａ，１６ａとを追加したものである。

図６のように並列に接続するフォトダイオードアレイの数を増やすことで、短絡電流が更に増加する。なお、フォトダイオードアレイの数は４以上であってもよい。

以上説明してきたとおり、本発明に係る半導体装置は、フォトダイオードアレイの開放電圧を低下させずに短絡電流を増加させることができるので、光によって駆動される半導体リレー等として有用である。

１ ＬＥＤ
１ａ，１ｂ 駆動入力端子
２，３ フォトダイオードアレイ
２ａ ダイオード
４ 第１の半導体スイッチ
４ａ エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ
４ｂ バイポーラトランジスタ
５ 第２の半導体スイッチ
５ａ ダイオード
６ 第３の半導体スイッチ
６ａ ダイオード
７ 充放電回路
７ａ，７ｂ 充放電回路入力端子
８ 出力用ＭＯＳＦＥＴ
８ａ，８ｂ 出力端子
９，１０，１１ 抵抗
１２ フォトダイオードアレイ
１３ａ エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴ
１４ａ，１５ａ，１６ａ ダイオード

Claims (9)

1. 出力用ＭＯＳＦＥＴのオン／オフを制御する半導体装置であって、
   駆動入力端子に接続された発光素子と、
   各々前記発光素子からの光を受けて光起電力を発生する第１及び第２のフォトダイオードアレイと、
   前記第１のフォトダイオードアレイのカソードと前記第２のフォトダイオードアレイのアノードとの間に接続されたノーマリオフ型の第１の半導体スイッチと、
   前記第１のフォトダイオードアレイのカソードと前記第２のフォトダイオードアレイのカソードとの間に接続されたノーマリオン型の第２の半導体スイッチと、
   前記第１のフォトダイオードアレイのアノードと前記第２のフォトダイオードアレイのアノードとの間に接続されたノーマリオン型の第３の半導体スイッチと、
   前記第１のフォトダイオードアレイのアノードと前記第２のフォトダイオードアレイのカソードとの間に接続されて、前記出力用ＭＯＳＦＥＴのゲートへの電荷の充放電を制御する充放電回路とを備え、
   前記出力用ＭＯＳＦＥＴをオンさせる際に、
   前記第１のフォトダイオードアレイのアノードと前記第２のフォトダイオードアレイのカソードとの間の電圧が低い間は、前記第１の半導体スイッチがオフ状態であり、かつ前記第２及び第３の半導体スイッチがそれぞれオン状態であることにより、前記第１及び第２のフォトダイオードアレイが互いに並列接続され、
   前記第１のフォトダイオードアレイのアノードと前記第２のフォトダイオードアレイのカソードとの間の電圧が所定の電圧まで上昇した時点で、前記第１の半導体スイッチがオン状態へ移行し、かつ前記第２及び第３の半導体スイッチがそれぞれオフ状態へ移行することにより、前記第１及び第２のフォトダイオードアレイが互いに直列接続されるように構成されたことを特徴とする半導体装置。
2. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第１の半導体スイッチは、電界効果トランジスタであることを特徴とする半導体装置。
3. 請求項２記載の半導体装置において、
   前記第１の半導体スイッチは、エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする半導体装置。
4. 請求項３記載の半導体装置において、
   前記エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴのゲートは、前記第１のフォトダイオードアレイを構成するように互いに直列接続された複数のフォトダイオードの接続点のうちのいずれかの電圧を受け取ることを特徴とする半導体装置。
5. 請求項３記載の半導体装置において、
   前記第１のフォトダイオードアレイのアノードと前記第２のフォトダイオードアレイのカソードとの間に接続された抵抗分圧回路を更に備え、
   前記エンハンスメント型ＭＯＳＦＥＴのゲートは、前記抵抗分圧回路からの電圧を受け取ることを特徴とする半導体装置。
6. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第１の半導体スイッチは、バイポーラトランジスタであることを特徴とする半導体装置。
7. 請求項６記載の半導体装置において、
   前記バイポーラトランジスタは、前記第２のフォトダイオードアレイのアノードに接続されたエミッタと、前記第１のフォトダイオードアレイのカソードに接続されたコレクタと、抵抗を介して前記第２のフォトダイオードアレイのカソードに接続されたベースとを有することを特徴とする半導体装置。
8. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記第２及び第３の半導体スイッチは、それぞれダイオードであることを特徴とする半導体装置。
9. 請求項１記載の半導体装置において、
   前記発光素子からの光を受けて光起電力を発生する第３のフォトダイオードアレイを更に備え、
   前記第３のフォトダイオードアレイは、前記第１及び第２のフォトダイオードアレイに対して並列又は直列に接続されることを特徴とする半導体装置。

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