JPH05145022A - サージ防護素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 通信装置等のサージ防護に用いる場合におい
て、通信装置等の絶縁耐圧を小さくすることができるサ
ージ防護素子を提供する。 【構成】 サイリスタを構成するＰ型ベース領域１のチ
ャネルストッパ領域４の上に第一の絶縁物６を形成し、
その上にアノード電極８を拡張して電極を形成すること
によりコンデンサを形成する。このようにチャネルスト
ッパ領域４をコンデンサの１電極として利用し、また表
面保護膜である第一の絶縁物６をコンデンサを形成する
絶縁物として利用することにより、従来のプロセス技術
でコンデンサをサイリスタ素子のアノード電極８および
Ｐ型ベース領域１間に形成し、サージ特有の急峻な電圧
の時間変化（ｄＶ／ｄｔ）を利用して、変位電流でサイ
リスタをスイッチングさせる。このときのオン電圧が低
いことで、通信装置等の絶縁耐圧を小さくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電話回線等に誘導され
た雷サージ等の高電圧から、通信端末や保守作業を保護
する、サージ防護素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６に、従来のサージ防護素子である双
方向性２端子サイリスタの断面構造を示す。この従来例
は、Ｐ型ベース領域４１、Ｎ型ベース領域４２，４
２′、Ｐ型アノード領域４３，４３′、Ｎ型カソード領
域４４，４４′、高濃度のＰ型不純物を含むチャネルス
トッパ領域４５，４５′、第一の絶縁物４６，４６′、
第二の絶縁物４７，４７′および電極４８，４８′から
構成されている。

【０００３】図７は、図６に示したサージ防護素子を用
い、２本の信号線（Ａ線とＢ線）を用いて通信を行う装
置（たとえば加入者回路）を、サージから防護するため
のサージ防護素子の接続回路を示したものであり、５１
は信号線のＡ線、５２は信号線のＢ線、５３は加入者回
路ＩＣ、５４は交換機、５５は保安器、５６，５７はサ
ージ防護素子、５８，５９はリンガ信号送出スイッチ、
６０はリンガ信号電源、６１はリングトリップ電源、６
２，６３は抵抗器、６４，６５は給電スイッチ、６６は
給電電源，６７は接地端子を示している。

【０００４】このサージ防護素子の接続回路では、加入
者回路ＩＣ５３を雷サージから防護するために、Ａ線５
１と接地端子６７間およびＢ線５２と接地端子６７間
に、図６に示した従来のサージ防護素子５６，５７がそ
れぞれ保安器５５に内蔵されて接続されている。

【０００５】図８に、図６の従来のサージ防護素子の電
圧−電流特性を示す。サージ防護素子５６，５７は、電
極４８あるいは４８′への印加電圧がブレークオーバ電
圧Ｖ_bo以上になると低電圧のオン電圧Ｖ_onになり、加入
者回路ＩＣは過電圧から防護される。

【０００６】図７のサージ防護素子の接続回路において
は、通常、電話器のベルを鳴らす信号であるリンガ信号
電源６０よりリンガ信号を送出するために、加入者回路
ＩＣ５３の電子スイッチであるリンガ信号送出スイッチ
５８，５９を制御信号によりオンにしている。このリン
ガ信号が通信線である信号線５１，５２を通り、加入者
電話へ供給されてそのベルを鳴らす。リンガ信号電源６
０の電圧は約１２０Ｖ_0-pであり、この電圧でサージ防
護素子５６，５７が動作しないようにサージ防護素子５
６，５７の動作電圧は、１２０Ｖ以上に設計されてい
た。このサージ防護素子は１２０Ｖ以上で動作し、雷サ
ージが印加された場合でも１９５Ｖ以下に抑えるため
に、ブレークオーバ電圧は、製造精度，温度特性変動等
を考慮して通常１５０Ｖ程度に設計されていた。したが
って、サージ防護素子５６，５７による雷サージ抑圧電
圧は、１２０Ｖ以上、１９５Ｖ以下となる。

【０００７】一方、リンガ信号電源６０は常に±１２０
Ｖ_0-p、１６Ｈｚで動作している。したがってリンガ信
号送出スイッチ５８がオフの状態で、かつリンガ信号電
源６０が−１２０Ｖの場合、Ａ線５１に誘導された正の
雷サージがサージ防護素子５６により１９５Ｖに抑圧さ
れても、リンガ信号送出スイッチ５８には３１５Ｖ（１
９５＋１２０Ｖ）が印加される。この電圧でリンガ信号
送出スイッチ５８が絶縁破壊しないように、スイッチ素
子の耐圧は５Ｖのマージンを取り、３２０Ｖ以上と高い
ものが必要とされていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】以上に述べたように、
図７に示す従来のサージ防護素子の接続回路では、ブレ
ークオーバ（過電圧を検出）で動作するサージ防護素子
のサージ抑圧電圧は、通信に使用する最高電圧（リンガ
信号電圧）より小さくすることができないので、リンガ
信号送出スイッチ５８の耐圧は通信に使用する最高電圧
（＝１２０Ｖ）の２倍以上が必要になる。したがって、
加入者回路ＩＣ５３の製造プロセスは高耐圧を得るため
に誘電体分離プロセスという特殊なプロセスを用いる必
要があり、製造プロセスが複雑であり、かつ非常に高価
なものになっていた。

【０００９】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたものであり、その目的は、通信装置等のサージ防
護に用いる場合において、通信装置等の絶縁耐圧を小さ
くすることができるサージ防護素子を提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のサージ防護素子においては、雷サージ等の
過電圧から装置を防護するサイリスタ素子あるいは双方
向性２端子サイリスタ素子から成るサージ防護素子にお
いて、Ｐ型ベース領域表面（双方向性２端子サイリスタ
素子においては半導体基板両面に形成されたＰ型ベース
領域表面）に絶縁物を形成し、該絶縁物上に電極を施し
てコンデンサを形成し、該電極を前記サイリスタ素子の
アノード電極あるいは双方向性２端子サイリスタ素子そ
れぞれの電極に接続したことを特徴としている。

【００１１】

【作用】本発明のサージ防護素子では、Ｐ型ベース領域
上に形成される表面保護膜をコンデンサ形成用の絶縁物
として利用することにより、従来のプロセス技術でコン
デンサをサイリスタ素子のアノードおよびＰ型ベース領
域間に形成し、サージ特有の急峻な電圧の時間変化（ｄ
Ｖ／ｄｔ）を利用して、それによる変位電流でサイリス
タをオンにスイッチングさせる。このときのオン電圧が
低いことで、通信装置の絶縁耐圧を小さくしている。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を、図面を参照して詳
細に説明する。

【００１３】図１は本発明の第一の実施例を示す断面構
造図である。本実施例は、サイリスタ素子から成るサー
ジ防護素子に適用した実施例であり、Ｐ型ベース領域
１、Ｎ型ベース領域２、Ｐ型アノード領域３、チャネル
ストッパ領域４、Ｎ型カソード領域５、第一の絶縁物
６，６′、第二の絶縁物７，７′、アノード電極８、お
よびカソード電極９から構成される。

【００１４】本実施例では、Ｐ型ベース領域１の一部の
表面に高濃度のＰ型不純物を導入して形成したチャネル
ストッパ領域４の表面に、第一の絶縁物６およびさらに
その上部に第二の絶縁物７を形成し、その上にＰ型アノ
ード領域３の上の電極８を拡張して電極を形成する。こ
れにより、チャネルストッパ領域４を一方の電極とし、
アノード電極の拡張部分を他方の電極とするコンデンサ
が構成されるとともに、そのコンデンサの電極（アノー
ド電極８の拡張部分）とアノード電極８が接触され、そ
のコンデンサがアノード領域３とＰ型ベース領域１との
間に接続された構造になる。

【００１５】なお、上記構成において、第二の絶縁物
７，７′は、第一の絶縁物６，６′が非常に薄い場合等
に有効であり、省くことも可能である。また、第一およ
び第二の絶縁物６，６′，７，７′は本来ＰＮ接合面等
を保護する表面保護膜であるが、本表面保護膜をコンデ
ンサの絶縁物として利用することにより、従来のプロセ
スの工程をそのまま利用することができる利点を持つ。

【００１６】以上の構成の第一の実施例の動作および作
用を説明する。いま、アノード電極８に正の雷サージが
印加された場合、雷サージ特有の急峻な電圧の時間変化
ｄＶ／ｄｔおよび、第一の絶縁物６を絶縁物とし、アノ
ード電極８およびチャネルストッパ領域４で構成される
コンデンサの容量Ｃで決まる変位電流Ｉ_d（Ｃ・ｄＶ／
ｄｔ）が、サージ防護素子のＰ型ベース領域１に流れ
る。Ｐ型ベース領域１はサイリスタ素子のゲートに相当
するため、この変位電流Ｉ_dはいわゆるサイリスタのゲ
ート電流Ｉ_gに等しい。

【００１７】図２の一般のサイリスタの電圧（Ｖ）−電
流（Ｉ）特性に示すように、ゲート電流Ｉ_gの値により
サイリスタ素子のアノード−カソード間に発生する電圧
Ｖ_sが異なり、ゲート電流Ｉ_gが大きい（Ｉ_g1＞Ｉ_g2）ほ
ど発生電圧Ｖ_sが小さく（Ｖ_s1＜Ｖ_s2）なる。すなわ
ち、変位電流Ｉ_dでサイリスタをオンさせることは、ゲ
ート電流Ｉ_gでオンさせることと等しく、ブレークオー
バによりオンさせた場合の発生電圧Ｖ_boに比べて、サイ
リスタの発生電圧Ｖ_sを素子のオン電圧Ｖ_on程度と非常
に小さくすることができる。

【００１８】図３は本発明の上記実施例のサージ防護素
子における、サージ印加時の時間応答を示したものであ
り、（１）は本発明の上記実施例の応答特性、（２）は
従来の応答特性、（３）は入力サージを示す曲線であ
る。従来のようにブレークオーバでオンしていたサージ
防護素子は発生電圧がＶ_bo（＝１５０Ｖ）と高かったの
に対し、ｄＶ／ｄｔでオンする本実施例のサージ防護素
子はすぐにオン電圧Ｖ_on（＝３Ｖ）になることがわか
る。したがって、リンガ信号のような小さな電圧の時間
変化（ｄＶ／ｄｔ）に対してはオン状態にスイッチング
せず、雷サージのような大きな電圧の時間変化（ｄＶ／
ｄｔ）に対してスイッチングする素子を設計することが
できる。

【００１９】たとえば、リンガ信号電圧Ｖ（ｔ）のよう
な１６Ｈｚ，１２０Ｖ_0-Pの信号のｄＶ／ｄｔの最大値
は、次式より０．０１２（Ｖ／μｓｅｃ）である。

【００２０】 Ｖ（ｔ）＝１２０ｓｉｎ（２πｆｔ） （ｄＶ（ｔ）／ｄｔ）_t=0＝１２０・２πｆ・ｃｏｓ（２πｆｔ） ＝０．０１２（Ｖ／μｓｅｃ） 一方、雷サージのｄＶ／ｄｔは、一般的な雷サージ波形
が（１０／１０００）μｓであることから立ち上がり時
間が１０μｓであり、ピーク電圧を１００Ｖとすると、
次式より１０（Ｖ／μｓｅｃ）である。

【００２１】 ｄＶ／ｄｔ＝１００／１０×１０^-6 ＝１０（Ｖ／μｓｅｃ） たとえば、ゲート電流Ｉ_gが１０ｍＡでオンするサイリ
スタ素子の場合、ゲート電流より大きな変位電流Ｉ_dが
印加された場合（Ｉ_d＞Ｉ_g）に、サイリスタ素子はオン
する。したがって次式より、静電容量Ｃの値を１．０×
１０^-9（Ｆ）以上に設計することで、リンガ信号ではス
イッチングせず、雷サージが印加された場合にオン状態
にスイッチングするサージ防護素子を設計することがで
きる。

【００２２】 Ｉ_g＜Ｉ_d＝Ｃ・ｄＶ／ｄｔ ∴ Ｃ＞Ｉ_g／（ｄＶ／ｄｔ）＝１．０×１０^-9（Ｆ） 上記実施例におけるコンデンサの静電容量Ｃの値は、第
一の絶縁物６に接している電極の大きさおよび絶縁物６
の厚さ等で任意に設計することができる。

【００２３】本実施例では、本来、表面の反転層等によ
るリーク電流を防止するために形成した、Ｐ型ベース領
域１の一部の表面に高濃度のＰ型不純物を導入して形成
したチャネルストッパ領域４を利用して、その特性がオ
ーミックに近いことから、それをコンデンサの電極とし
て利用している。このチャネルストッパ領域４を電極と
見なすことにより、絶縁物６の誘電率，厚さ，面積等で
コンデンサの静電容量値の設計精度を向上させることが
できる。もちろん、チャネルストッパ領域４が無くても
コンデンサが構成できることは明らかである。

【００２４】なお、静電容量値Ｃが十分大きくない場
合、または入力サージの電圧の時間変化ｄＶ／ｄｔが十
分大きくない場合には、図２に示したサイリスタのＶ−
Ｉ特性に従い、Ｖ_boとＶ_onの中間（Ｖ_s2等）でスイッチ
ングが起こることはもちろんである。この場合でも、入
力サージ電圧の時間変化ｄＶ／ｄｔが大きなサージすな
わち、急峻なサージが印加された場合程、サージ防護素
子における発生電圧が小さくなり、被サージ防護装置の
耐圧を小さくすることができ、またサージ防護素子の高
速応答が可能となる。

【００２５】次に、本発明の第二の実施例を示す。図４
はその構成を示す断面構造図である。本実施例は、サイ
リスタの基本構造として双方向特性の２端子サイリスタ
を使用した例であって、Ｐ型ベース領域１１、Ｎ型ベー
ス領域１２，１２′、Ｐ型アノード領域１３，１３′、
チャネルストッパ領域１４，１４′、Ｎ型カソード領域
１５，１５′、第一の絶縁物１６，１６′、第二の絶縁
物１７，１７′、電極１８，１８′から構成される。

【００２６】本実施例では、半導体基板両面のＰ型ベー
ス領域詳しくはチャネルストッパ領域１４および１４′
表面にそれぞれ少なくとも第一絶縁物１６，１６′を形
成し、その上にアノード領域１３および１３′の電極１
８，１８′を拡張して電極を形成する。これにより、コ
ンデンサがそれぞれ構成されるとともに、コンデンサの
電極と電極１８，１８′が接続され、それぞれのコンデ
ンサがＰ型アノード領域１３および１３′とＰ型ベース
領域１１にそれぞれ接続された構造になる。ここで、第
一の絶縁物１６，１６′の上には一部に第二の絶縁物１
７，１７′を形成しているが、省略可能であることは第
一の実施例の第二の絶縁物（図１の７，７′）と同様で
ある。

【００２７】このような構造になっていることから、電
極１８に正の雷サージが印加された場合、雷サージ電圧
の立ち上がり急峻度ｄＶ／ｄｔおよび、第一の絶縁物１
６を絶縁物とするコンデンサの容量Ｃで決まる変位電流
Ｉ_d（Ｃ・ｄＶ／ｄｔ）が、サージ防護素子のＰ型ベー
ス領域１１に流れ、Ｐ型ベース領域１１はサイリスタ素
子のいわゆるゲートに相当するため、変位電流Ｉ_dはゲ
ート電流Ｉ_gに等しく、サージ防護素子はオン状態にス
イッチングする。従って、第二の実施例は、双方向に第
一の実施例と同様に動作し作用することができる。

【００２８】次に、本発明の第三の実施例を示す。図５
はその構成を示す断面構造図である。本実施例は、サイ
リスタの基本構造として双方向特性の２端子サイリスタ
を、複数個集積化した例である。本実施例は、Ｐ型ベー
ス領域２１、Ｎ型ベース領域２２，２２′，２３，２
３′、Ｐ型アノード領域２４，２４′，２５，２５′、
Ｎ型カソード領域２６，２６′、チャネルストッパ領域
２７，２７′、第一の絶縁物２８，２８′、第二の絶縁
物２９，２９′、電極３０，３１，３２から構成され
る。

【００２９】本実施例では、チャネルストッパ領域２７
および２７′の表面に少なくとも第一の絶縁物２８およ
び２８′を形成し、その上にＰ型アノード領域２４，２
４′，２５，２５′の電極３０，３１，３２を拡張して
電極を形成する。これにより、コンデンサが構成される
とともに、各コンデンサの電極と各電極３０，３１，３
２が接続され、そのコンデンサはＰ型アノード領域２
４，２４′，２５，２５′とＰ型ベース領域２１の間に
それぞれ接続された構造になる。第二の絶縁物２９，２
９′については、第二の実施例の第二の絶縁物と同様で
ある。

【００３０】このような構造になっていることから、電
話のような２線式の通信に適用する場合、電極３０，３
１，３２をそれぞれ図７のＡ線５１，Ｂ線５２，接地端
子６７へ接続することにより、従来の保安器５５のサー
ジ防護回路と同じ機能を実現することができる。

【００３１】なお、本実施例では電極３２は接続端子６
７とするために１電極としたが、電極３０，３１と同様
に分離し、２電極とすることにより、２素子の双方向性
サイリスタを形成することも、もちろん可能である。

【００３２】本実施例では、第二の実施例と同様に動作
し作用するものであって、電極３０，３１に正の雷サー
ジが印加された場合、雷サージ電圧の立ち上がり急峻度
ｄＶ／ｄｔおよび、第一の絶縁物２８、２８′を絶縁物
とするコンデンサの容量Ｃで決まる変位電流Ｉ_d（Ｃ・
ｄＶ／ｄｔ）が、サージ防護素子のＰ型ベース領域２１
に流れ、Ｐ型ベース領域２１はサイリスタ素子のいわゆ
るゲートに相当するため、変位電流Ｉ_dはゲート電流Ｉ_g
に等しく、サージ防護素子はオン状態にスイッチングす
る。

【００３３】なお、本発明は、上記各実施例で示したよ
うに、その主旨に沿って種々に応用され、種々の実施態
様を取り得るものである。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
サージ防護素子は、Ｐ型ベース領域に形成される表面保
護膜をコンデンサ形成用の絶縁物として利用することに
より、従来のプロセス技術でコンデンサをサイリスタ素
子のアノードおよびＰ型ベース領域間に形成でき、変位
電流で動作するサージ防護素子を実現することができる
ため、サージが印加された場合に素子にはブレークオー
バ電圧のような高い電圧が発生せず、すぐに低いオン電
圧になるので、被防護装置の絶縁耐圧を通信信号電圧と
同程度まで低減することができる。したがって、特に半
導体化された被防護装置の場合、その製造プロセスを低
耐圧用に変更できるため、大幅にそのコストを低減する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例を示す断面構造図

【図２】一般のサイリスタの電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特
性図

【図３】本発明のサージ防護素子におけるサージ印加時
の時間応答特性図

【図４】本発明の第二の実施例を示す断面構造図

【図５】本発明の第三の実施例を示す断面構造図

【図６】従来のサージ防護素子の断面構造図

【図７】サージ防護素子の接続回路図

【図８】従来のサージ防護素子の電圧−電流特性図

【符号の説明】

１…Ｐ型ベース領域、２…Ｎ型ベース領域、３…Ｐ型ア
ノード領域、４…チャネルストッパ領域、５…Ｎ型カソ
ード領域、６，６′…第一の絶縁物、７，７′…第二の
絶縁物、８…アノード電極、９…カソード電極、１１…
Ｐ型ベース領域、１２，１２′…Ｎ型ベース領域、１
３，１３′…Ｐ型アノード領域、１４，１４′…チャネ
ルストッパ領域、１５，１５′…Ｎ型カソード領域、１
６，１６′…第一の絶縁物、１７，１７′…第二の絶縁
物、１８，１８′…電極、２１…Ｐ型ベース領域、２
２，２２′、２３，２３′…Ｎ型ベース領域、２４，２
４′、２５，２５′…Ｐ型アノード領域、２６，２６′
…Ｎ型カソード領域、２７，２７′…チャネルストッパ
領域、２８，２８′…第一の絶縁物、２９，２９′…第
二の絶縁物、３０，３１，３２…電極。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 雷サージ等の過電圧から装置を防護す
   る、サイリスタ素子から成るサージ防護素子において、 Ｐ型ベース領域表面に絶縁物を形成し該絶縁物上に電極
   を施してコンデンサを形成し、該電極を前記サイリスタ
   素子のアノード電極に接続したことを特徴とするサージ
   防護素子。
2. 【請求項２】 雷サージ等の過電圧から装置を防護す
   る、双方向性２端子サイリスタ素子から成るサージ防護
   素子において、 半導体基板両面に形成されたＰ型ベース領域表面にそれ
   ぞれ絶縁物を形成し該絶縁物上に電極を施してコンデン
   サを形成し、該電極を前記双方向性２端子サイリスタ素
   子のそれぞれの電極に接続したことを特徴とするサージ
   防護素子。