JPH01181577A - 光半導体素子 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、光源からの光照射により電力を発生する光半
導体素子に関する。詳しくは発生する起電力をバイポー
ラ−型トランジスタ、ＭＯ８型ＦＥＴ等半導体素子に人
力して、該半導体素子を駆動するよう構成された半導体
スイッチ、半導体リレー等に用いられる半導体素子駆動
用の光半導体素子に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、ＭＯＳ型ＦＥＴを利用した半導体スイッチが
ｆｌｊ用されているが、この半導体スイッチ内には例え
ば発光ダイオード（以下ＬＥＤと略す）のような光源よ
り発する光にて電力を発生する光半導体素子が使用され
ている。光半導体素子として多結晶または単結晶系シリ
コン半導体を用いたしのや、非晶質半導体を用いたもの
があるが、ここでは非晶質半導体を用いた光半導体素子
について説明する。第６図に従来の光半導体素子の概略
を示す。

２０は、−辺が約１ｍｍから約５ｍｍの方形状で、ガラ
ス等の透明材料にてなる従来の光半導体素子の絶縁基板
である。基板２０の上表面２０ａには、上表面２０ａを
格子状に分割した配置にて、方形状のインジウム−錫酸
化物（ＩＴＯ）または二酸化錫（Ｓ　ｎｏ　り等にてな
る透明導電膜の下部電極２１が合計２４個形成される。

尚、各下部電極２１は互いに接触していない。各下部電
極２■の上表面全面には、非晶質シリコンにてなる光半
導体２２　　゛が各下部電極２１を覆いわ成される。尚
、各光半導体２２は互いに接触していない。各光半導体
２２の上表面には、アルミニウム等の金属にてなる上部
電極２３が形成される。これら構成物２１゜２２．２３
にて、各光半導体セルを形成している。

これらの各光半導体セルの平面面積はほぼ同一である。

尚、基板２０上の２４個の光半導体セルは電気的に直列
に接続されるように、上部電極２３の一部は突出延在し
、隣接する一つの光半導体セルの下座電極に接続されて
いる。さらに各光半導体セルを覆い、絶縁性の保護膜が
形成される。

このような複数の光半導体セルを複数個平面上に並べた
構成にてなる光半導体素子は、第３図（ａ）、（ｂ）に
示すようにＬＥＤ等の光源との間隔ｄを０゜５＋＋ｕｎ
から数ｍｍ程度とし、また、ＬＥＤ等の光源の光軸が光
半導体素子の中央部（第６図（ａ）に示す０部）となる
ように配置される。光源からの光は第６図（ｂ）に示す
、基板２０の表面２０ｂから入射し、基板２０、各下部
電極２１を通過し、各光半導体２２に達する。各光半導
体２２は受光することにより、電力を発生し個々の光半
導体セルに発生した起電圧が合計されて、第６図（Ｃ）
に示すの電極２４．２５から出力される。

［発明か解決しようとする課ｊ！ｆｉ］ところがＬＥＤ
等の光源から出射される光は平行光でないため、光半導
体素子の各光半導体セルの受光面に入る光の照度にムラ
が生ずる。一般には、ＬＥＤが光半導体素子の受光面の
中心部の上に配置されている場合には光半導体素子の中
心（第６図（ａ）の０点）で光強度が最も強く、中心か
ら遠ざかるに従い次第に光強度が低下してゆくような分
布となる。従って第６図に示す従来の光半導体素子を用
いた場合、各々の光半導体セルの受光面の面積がほぼ等
しくなるよう構成しであるため、第６図（ａ）に示され
る光半導体素子の中心に位置する光半導体セル２６と光
半導体素子の４隅の一つに位置する光半導体セル２７で
は発生する起電力が光半導体セルに照射される光量に応
じて異なってしまう。即ち、光半導体セル２７に照射さ
れる光量が光半導体セル２６に照射される光量の１７２
であれば発生する起電力もほぼ１／２となってしまう。

一つの光半導体セルより構成された光半導体素子の場合
には、照度ムラがあってもその光半導体セルに照射され
ている総光量で起電力が決定されるため問題はないが、
上述の例のように光半導体セルが複数個直列接続された
光半導体素子の場合にはこの照度ムラが大きな問題とな
る。一般に光半導体素子の特性は第７図の如くなる。第
７図のＩｓｃはＶ＝０のときの出力電流即ち短絡電流で
、ＶｏｃはＩ＝０のときの出力電圧即ち開放電圧である
。短絡電流１ｓｃは光半導体セル血清が同じ場合には光
源光量にほぼ比例する。これに対し、開放電圧Ｖｏｃは
光源の光量により幾分変化するが、さほど大きくは変化
しない。光半導体セルが複数個直列に接続された場合に
も基本的には同様の特性が得られる。但し、短絡電流Ｉ
ｓｃは光半導体セル１個の面積で決まり、開放電圧Ｖｏ
ｃは光半導体セル１個当たりのＶｏｃｉＸ段数で決まる
電圧レベルである。第６図に示すような各々の光半導体
セルの面積がほぼ等しくなるよう構成された従来の光半
導体素子において各々の光半導体セルにほぼ均一に光量
が照射された場合には′第８図の破線で示すような特性
が得られる。先に述べたように各々の光半導体セル面積
および各々の光半導体セルに照射される光量が等しい場
合、各々の光半導体セルで得られる短絡電流Ｔｓｃｉが
素子全体として得られろ短絡電流Ｉｓｃ、になる。しか
しながら、各々の光半導体セルに照射される光量にムラ
がある場合、例えば、前述したように光半導体素子の中
心の光強度が最も強く中心から離れるに従って光強度が
低下してゆくような光量分布の場合には、第６図（ａ）
の光半導体セル２６にて得られる短絡電流Ｉ　５ｃ（ｉ
）が短絡電流ｌ５ｃｔより大きくても光半導体セル２７
にて得られる短絡電流１５ｃ（ｉｉ）が短絡電流１ｓｃ
、より小さければ光半導体素子全体として得られる短絡
電流［ｓｃは短絡電流Ｉ　５ｃ（ｉｉ）と同じとなり第
８図の実線で示すような特性となっ　　。

てしまう。従って第９図に示すように、光半導体素子に
負荷抵抗Ｒｃが接続された場合、光半導体素子が発生す
る動作電圧は第８図に示すように、破線で示される各半
導体セルに対する照度が均一のときに得られる動作電圧
Ｖｏｐ、より低い動作電圧ＶｏｐｔＬか得られず、効率
が悪いという問題点があった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
で、複数の光半導体セルが接続された光半導体素子にお
いて、各光半導体セルに入射する光量が均一でなくても
、各々の光半導体セルの発生する起電力が均一となるよ
うな光半導体素子を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、光源からの光照射により起電力を発生する光
半導体セルが複数個接続されてなる光半導体素子におい
て、各々の光半導体セルの受光面積が、光源からの照度
分布に応じて異なるよう構成したことを特徴とする。

［作用］ 光半導体セルの起電力は、光半導体セルに照射される光
量が均一な場合、即ち照度が一定であれば光半導体セル
の受光面積に比例する。従って複数接続された光半導体
セルへの照度が不均一な場合には照度小の光半導体セル
の面積を大きくし、照度大の光半導体セルの面積を小さ
くすることにより、個々の光半導体セルの起電力をほぼ
同一にすることができ、光半導体素子全体として得られ
る起電力の効率をよくすることができる。

［実施例］ 第１１２図において、ｌは本発明の一実施例を示す光半
導体素子の基板であり、基板ｌは一辺が０．５ないし１
０ｍｍの正方形状で、ガラス等の透明な材料にてなる。

基板ｌの上表面１ａの中央部Ｃには、突出部２ａを有す
るほぼ正方形状の平面形状を有するインジウム−錫酸化
物（［ＴＯ）または二酸化錫（Ｓｏｆｔ）等の透明導電
膜にてなる下部電極２−１が１個形成される。この下部
電極２−１を中心とし、形状が下部電極２−１と同様で
、上表面面積が異なる下部電極２郡が格子状に基板ｌの
上表面ｌａ上に各々が接触せず形成される。

即ち、下部電極２−１の４辺に各々隣接して下部電極２
−２が４個形成され、下部電極２−１の対角線延長上に
下部電極２−２と隣接して下部電極２−３が４個形成さ
れ、下部電極２−２に隣接して下部電極２−４が３個形
成され、下部電極２−３の２辺に隣接して下部電極２−
５が８個形成され、下部電極２−５に隣接して下部電極
２−６゜２−７が各々２個ずつ形成される。従って基板
ｌの上表面Ｉａ上には合計２４個の下部電極２郡が形成
されろ。また、下部電極２−６の一つである下部電極２
−６−１の突出部２ａは延長され、光半導体素子より発
生する電力を外部へ導くための接続端２ｂを形成し、接
続端２ｂは基板ｌの上表面１ａに設けられる。さらに接
続端２ｂの上表面全面にはアルミニウム等の金属にてな
る電極２Ｃが形成される。尚、各下部電極２の上表面面
積は、下部電極２−１が最も小さく、以下順次大きくな
り、下部電極２−７が最も大きい。

下部電極２−１から２−７の上表面全面には、下部電極
２−１から２−７の各々の上表面の大きさに対応した方
形状の非晶質シリコンにてなる各光半導体３−１から３
−７が、各下部電極２−１から２−７を覆い、そして形
成される光半導体３−１から３−７が互いに接触しない
ように形成される。さらに、光半導体３−１から３−７
の上表面には、各光半導体３−１から３−７の下部電極
２−１から２−７と平面形状と寸法とを同じくしたアル
ミニウム等の金属にてなる上部電極４−１から４−７が
形成される。上記の構成によって、光半導体素子の中心
部では受光面積が最小で周辺になるに従って受光面積を
大きくした複数の半導体セルが同一平面上に格子状に並
べて形成される。

尚、上部電極４−５の一つである上部電極４−５−１の
突出部４ａは延長され、光半導体素子より発生する電力
を外部へ導くための接続端４ｂを形成し、接続端４ｂは
基板ｌの上表面１ａに設けられる。また、上部電極４−
１から４−７の各々が有する突出部４ａは、基板！方向
へ屈曲し、隣接する上部電極４−１から４−７が形成さ
れている下部電極２−１から２−７が各々有する突出部
２ａと、上部型［５４−１から４−７の突出部４ａの部
分４ｃ（第２図参照）にて重なり接触している。従って
基板ｌの上表面１ａに形成された２４個の下部電極ｉと
上部電極上は交互に接続されている。上記のような２４
個の光半導体セルは、直列に接続されている。

さらに、下部電極２−６−１の接続端２ｂの電極２ｃと
上部電極４−５−１の接続端４ｂを除いて上記により形
成された２４個の光半導体セルを覆い、絶縁性の保護膜
５が形成される。

上記のように構成された光半導体素子６は、従来例に示
す光半導体素子と同様に、例えば半導体スイッチを構成
するのに使用される。このような光半導体素子６は、第
３図（ａ）、（ｂ）に示すように、ＬＥＤ７またはＬＥ
Ｄチップ８と光半導体素子６間の寸法ｄを数＋ｎｍ程度
離して配置される。さらにＬＥＤ７またはＬＥＤチップ
８の光軸と光半導体素子６の中心（第１図（ａ）の０点
）がほぼ合致するように、ＬＥＤ７またはＬＥＤチップ
８と光半導体素子６は配置される。ＬＥＤ７またはＬＥ
Ｄチヅプ８より発生した光は、基板１の表面１ｂより人
　　。

射し、透明な基板ｌおよび下部電極ｉを通過し、光半導
体ｌに達する。受光した光半導体ｌはその受光量に応じ
た電力を発生するが、光半導体素子６に照射される光量
は、第１図（ａ）の中心部Ｃ付近が最も強く、中心部Ｃ
点から離れるに従って次第に低下する。しかし本実施例
では、前述したように基板ｌの中心にある光半導体３−
１の受光面積を最も小さくし、中心から離れるほど光半
導体ｌの受光面積を大きくするよう構成しているので、
各々の光半導体３−１から３−７で得られる短絡電流１
ｓｃはほぼ等しくなる。従って、光半導体素子全体とし
て得られる短絡電流も短絡電流１ｓＣにほぼ等しくなり
、光半導体素子全体として得られる電力は先に述べた第
８図の破線で示された特性に近い特性を得ることができ
る。よって第９図に示すような負荷抵抗Ｒ１２が光半導
体素子に接続された場合、負荷抵抗Ｒ１２に印加される
動作電圧は、第８図に示すように従来例より高い動作電
圧Ｖｏｐｌを得ることができる。即ち従来例第６図の光
半導体素子と素子サイズが同じであっても、本実施例の
光半導体素子の方がより高い出力電圧を得ることができ
る。

第１図（ａ）に示した本実施例では光半導体主の上表面
面積を光半導体３−１、光半導体３−２、・・・光半導
体３−７の順に受光面積を大きくし、その比率を１　：
１．１　：　１．２　：　１．４　：　１．５　：　１
．８　：　２．０としであるが、この比率は光半導体素
子に投射される光の照度ムラによって様々に変化させて
もよい。また本実施例では光半導体セルを２４個直列接
続して、少なくとも０，５ＶＸ２４＝１２Ｖ程度の開放
電圧Ｖｏｃが得られるようにしているが、これも駆動す
るトランジスタ、ＦＥＴの性能により限定されるもので
はなく、６個程度の光半導体セルの接続でも十分使用可
能である。使用目的により５個〜１００個程度の光半導
体セルの接続を適宜選択し得る。また、光半導体セルの
接続方法は全光半導体セルを必ずしも直列に接続しなく
てもよく、一部並列に接続してもよい。

さらに、本発明の他の実施例を第４．５図に示す。尚、
第４図と第５図において、第１図に示した構成と同じ構
成については第１図と同じ符号にて示している。第４図
に示される光半導体素子は、第１図に示す光半導体素子
と同様に基板１の中央部にＬＥＤの光軸を合イつせる光
半導体素子であるが、基板ｌの中央部より外側に向かっ
て順次上表面積を大きくした扇形の前述と同じ構成にて
なる複数の光半導体セル１０が放射状に並べられる。

それら複数の光半導体セル１０は、第４図に示すように
接続端２Ｃに接続される最外周に位置する光半導体セル
（イ）より基板ｌの中央部に向かい、光半導体セル（イ
）、（ロ）、・・・の順に接続される。

基板ｌの中央部の光半導体セル（ヲ）は、隣接する光半
導体セル（ワ）に接続され、接続端４ｂに接続される最
外周に位置する光半導体セル（つ）に向かい、光半導体
セル（ワ）、（力）・・・の順に接続される。

接続端２Ｃと接続端４ｂ間の２４個の光半導体セルｌＯ
は直列に接続され、第４図に示される光半導体素子は前
記と同様の効果が得られる。

また、光半導体素子に光を照射する前記のようなＬＥＤ
またはＬＥＤチップを２個設けてもよい。

この場合第５図に示すように、ＬＥＤまたはＬＥＤチッ
プは、それらの光軸が基板！上の中央線より長手方向に
対照に位置したＣＩおよびＣ２にて示される位置となる
ように配置される。そして第１図と同様に、基板ｌのＣ
Ｉお上びＣ３部分に上表面面積が最も小さい光半導体セ
ル１１が配され、その周囲に光半導体セル２より上表面
面積の大きい光半導体セルが配置され、それらの光半導
体セルは直列に接続される。このように、光源を複数設
けた場合でも、光半導体セルに入射する光量に応じて光
半導体セルの上表面面積を変化させることで、前述と同
様の効果を得ることができる。

この他第１図、第４図、第５図に示す本実施例では基板
面側から光を入射するような光半導体素子構造となって
いるが、例えば第１図（Ｃ）に示す背面側から光を入射
する構造とすることも可能である。この場合には第２図
に示す上部電極上及び保護膜５に透明な材料を用いるこ
とになる。また本実施例は、光半導体材質が非晶質シリ
コン半導体に限定するものではなく単結晶、多結晶シリ
コン半導体を用いた光半導体素子にも適用できるため、
素子サイズも０．５ａａＸ０．５１ａａ＋程度である場
合も考えられる。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明によれば、多数段に接続され
た各々の光半導体セルの面積が光源からの照度ムラに応
じて異なるよう光半導体素子が構成されているため、各
光半導体セルより発生する起電力が均一となり光半導体
素子全体より得られる出力は従来例より高いレベルとな
る。従って従来の素子と同じ出力を得るためには、より
小さな素子サイズで済むという利点があり、光半導体素
子自身の低コスト化が可能である。また半導体スイッチ
、半導体リレーの低コスト、小型を可能とするものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明に係る光半導体素子の一例を示す
平面図、第１図（ｂ）は正面図、第１図（Ｃ）は背面図
、第２図は第１図及び第６図におけるＡ−Ａ断面を示す
断面図、第３図（ａ）、第３図（ｂ）はそれぞれ光半導
体素子と光源との配置を示す図、第４図、第５図は本発
明の他実施例を示す図、第６図（ａ）は従来例の光半導
体素子を示す平面図、第６図（ｂ）は正面図、第６図（
ｃ）は背面図、第７図は一般的な光半導体素子の出力特
性を示す図、第８図は本発明に係る光半導体素子の出力
特性の説明を行うための図、第９図は本発明及び従来例
の光半導体素子を利用した等価回路図である。 ｌ・・・基板、−２−・・・下部電極、ｌ・・・光半導
体、±・・・上部電極、５・・・保護膜。 特許出願人　鐘淵化学工業株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光照射により起電力を発生する光半導
   体セルが複数に接続されてなる光半導体素子において、
   各々の光半導体セルの受光面積が、光源からの照度分布
   に応じて異なるよう構成したことを特徴とする光半導体
   素子。