JPH065739B2 - 光駆動型半導体制御整流装置 - Google Patents

光駆動型半導体制御整流装置

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JPH065739B2
JPH065739B2 JP58032773A JP3277383A JPH065739B2 JP H065739 B2 JPH065739 B2 JP H065739B2 JP 58032773 A JP58032773 A JP 58032773A JP 3277383 A JP3277383 A JP 3277383A JP H065739 B2 JPH065739 B2 JP H065739B2
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thyristor
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信武 小西
武司 横田
森  睦宏
知行 田中
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Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/111Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by at least three potential barriers, e.g. photothyristors
    • H01L31/1113Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by at least three potential barriers, e.g. photothyristors the device being a photothyristor

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Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、臨界順電流上昇率の高い光駆動型半導体制御
整流装置に関する。
〔従来技術〕
光エネルギーで点弧できる光駆動型半導体制御整流装置
(以下光サイリスタと称す)は、電気信号は点弧するサ
イリスタのゲート信号を電気信号から光信号に代えたサ
イリスタで、電子信号で点弧するサイリスタに比較し
て、(1)主回路とゲート回路とを電気的に高絶縁できる
ため、ゲート回路を簡単にできる。(2)電磁誘導による
ノイズに対して強い、などの利点がある。このため最
近、高圧直流送電装置用サイリスタ変換装置への応用が
期待されている。こういつた用途に使用される光サイリ
スタにおいて問題となる特性の一つに臨界順電流上昇率
(略してdi/dt耐量と呼ぶ)がある。これを第1図
により記述する。第1図は、光サイリスタの従来例でそ
の縦断面図を示す。図においては、一対の主表面11,
12を有し、主表面間に一方の主表面11から他方の主
表面12に向かつてpエミツタ層13、nベース層1
4、pベース層15、nエミツタ層16が順次積層され
てなる半導体基板であり、pエミツタ層とnベース層と
の間に第1のpn接合J、nベース層とpベース層と
の間に第2のpn接合J、pベース層とnエミツタ層
との間に第3の接合Jを有しており、pエミツタ層の
うち主表面11側の不純物濃度はnベース層側の不純物
濃度よりも高くなつている。上記nエミツタ層16は他
方の主表面12の略中央部に位置する補助エミツタ部分
16aと、その周縁に位置し一定の間隔を有して補助エ
ミツタ領域16aを包囲する補助エミッタ領域16aよ
り広い面積を有する主エミツタ領域16bとに分かれた
構造を有している。2は半導体基体1の一方の主表面1
1においてpエミツタ層13に低抵抗接触したアノード
電極、3は他方の主表面12においてnエミツタ層16
の主エミツタ領域16b表面及びその周縁側でpベース
層15表面に低抵抗接触したカソード電極、4は他方の
主表面12においてnエミツタ層16の補助エミツタ領
域16aの周縁とその周縁に位置するpベース層表面と
に低抵抗接触した補助電極、5は補助エミツタ領域16
aの露出面(受光面と称する)に光信号を与えるライト
ガイドである。
かかる構造の光サイリスタは、アノード電極2がカソー
ド電極3より正電位となるように電圧が印加された状態
で、ライトガイド5により光信号を付与すると補助エミ
ッタ領域16aを一方の端層とする補助サイリスタTh
がターンオンし、そのターンオン電流が主エミツタ領
域16bを一方の端層とする主サイリスタThのゲー
ト電流となり主サイリスタがターンオンするという順序
でオフ状態からオン状態へ移行する。このターンオン移
動において、補助エミツタ領域16aに光信号が照射さ
れたとき、それに隣接するpベース層の中で最も電位が
高いのは、補助エミッタ領域16aの中央部の真下のA
点となる。従つてライトガイド5から補助エミツタ領域
16aに光信号が付与されたとき、A点を含む4層領域
で点弧が始まる。di/dt耐量は、初期導通領域の大
きさに比例するが、従来の構造では極端な場合、初期点
呼領域はA点あるいはA点の極く近傍を含む極めて狭い
面積の4層領域に限られるため例えば100A/μsと
小さい値になつてしまう場合がある。高圧直流送電装置
に使用されている電気信号を用いるサイリスタでは例え
ば200〜300A/μs或いはそれ以上のdi/dt耐
量を有している。この様に光サイリスタをこの種の用途
に適用する場合には、di/dt耐量が小さ過ぎるとい
う実用上の問題がある。
〔発明の目的〕
本発明の目的は、初期点弧時のdi/dt耐量を高めた
光サイリスタを提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明光サイリスタの特徴とするところは、受光面に対
応する4層領域の光感度を受光面内で略均一した点にあ
る。具体的には、受光面に露出するnエミッタ層を受光
面とは反対側に位置する面に投影したとき、投影面の中
央部分にpエミッタ層表面からpエミッタ層内に延びる
凹部を形成し、これによってpエミッタ層の高不純物濃
度部分を除去してpエミッタ層の中央不の注入効率を周
辺部のそれより低くした点にある。従来の光サイリスタ
では、受光面の中央部でのみ初期点弧がされていたもの
が、本発明により上記中央部の注入効率が低いため、中
央部における光感度を周縁部のそれと等しくでき、初期
点弧領域を実質的に拡大できる。これにより本発明はd
i/dt耐量を向上させることができる。
〔発明の実施例〕
以下、本発明を実施例として示した図面により詳細に説
明する。第2図は本発明の先行例で、第1図と同一箇所
は同一符号を付している。この実施例の特徴とする点
は、アノード電極2に隣接しているpエミツタ層13
が、nベース層14に隣接している第1の領域131と
一方の主表面11に隣接し第1の領域131より高不純
物濃度を有する第2の領域132から構成され、第1の
領域131は受光面を一方の主表面11に投影したとき
にその中央部となる箇所において一方の主表面11に隣
接する突出部131aを有している点にある。これによ
つて受光面を一方の主表面11上に投影したとき、その
受光面に対応する領域内のpエミツタ層13は略中央部
が低不純物濃度の領域のみから、その周縁部が低不純物
濃度の領域131及び高不純物濃度の領域132からそ
れぞれ構成されることになる。次にこの構成により、d
i/dt耐量が向上する理由を第3図、第4図を用いて
説明する。第3図は、受光部である補助エミツタ領域1
6aの表面に入射される光入力とサイリスタに発生する
アノード電流の関係を示す。曲線Aは、第1図に示した
従来の光サイリスタの受光面の中央部に対応するpベー
ス層内のA点における光入力とアノード電流の関係を示
す。曲線A′は、第2図に示した構造の上記A点と同等
の位置である受光面の中央部に位置するA′点における
関係を示す。曲線Bは、第2図の受光面の周縁部に対応
し、補助エミツタ領域16a,pベース層15、nベー
ス層14、pエミツタ層131、pエミツタ層132
を通るB点における関係を示す。第1図に示した従来の
光サイリスタでは受光部に対応するpベース層内では、
A点の電位が最も高いので、曲線Aに示すようにA点が
その周縁部の曲線Bに示したB点よりも低い光入力で点
弧し、初期点弧はA点を含む4層に限られる。これに対
して、第2図に示した先行例では、曲線A′に示すよう
にA′点においては、A′点に対応するpエミツタ層の
注入効率を、A′点の周縁部に対応するB点の注入効率
よりも低くしている。従来の光サイリスタではA点、B
点それぞれに対応するpエミツタ層の注入効率は、両者
とも等しくしている。この先行例と従来のものとの構成
上の相違により先行例のA′点近辺のαpnp(電流増巾
率)は従来のA点近辺のαpnpよりも小さくなる。よつ
て先行例におけるA′点に流れ込む初期点弧時のアノー
ド電流は、同一光入力の下では従来のA点に流れ込むア
ノード電流よりも低くなる。このように先行例はA′点
に流れ込むアノード電流を抑制し、曲線A′,Bに示す
ようにA′点の点弧に必要な光入力をB点に点弧に必要
な光入力と略等しくなるように増加させて、第2図の
A′点、B点、B′点を同時に初期点弧するようにした
ものである。以上のことにより先行例によれば初期点弧
領域を拡大し、di/dt耐量を向上させることができ
るのである。
更に、第2図に示す先行例の構造では、初期点弧時の受
光部領域での電流の立ち下がりが速いので、この部分で
の破壊耐量を大きく出来るという長所がある。このこと
を第4図を用いて説明する。曲線IALは第1図の光サイ
リスタの補助サイリスタ部分に流れ込むアノード電流の
時間変化である。従来の光サイリスタでは時間tで補
助サイリスタのアノード電流IALが零となり、補助サイ
リスタ領域は消弧して、主サイリスタ領域のみが導通状
態になる。di/dt耐量はtをできるだけ短かくす
ることにより向上できる。先行例では、受光部に対応す
るpエミツタ層の中央部がその周縁部に比べて不純物濃
度が低いため、そこでの正孔の注入効率は小さく、その
周縁部に比べてオン状態電圧が若干大きくなる。そのた
め先行例の光サイリスタでは、主サイリスタに電流I
が流れた後は、補助サイリスタ領域の電流は切れ易く第
4図IAL′に示すようにt(<t)でIAL′は零に
なる。従つて、その領域での電力消費が従来の光サイリ
スタより小さくなり破壊耐量が向上する。
第5図は、本発明の実施例である。本実施例の特徴は、
先行例におけるpエミツタ層13の突出部131aに相
当する部分をエツチダウンして凹部133を形成した点
である。こうすることでpエミツタ層とnベース層間の
pn接合Jの凹部133に対応する個所の注入効率
を、pn接合Jの残りの部分より低くでき、先行例と
同様の理由により初期点弧時の点弧領域を広くすること
ができる。この構造では、凹部133にはアノード電極
を配していないので、初期点弧時の電流の切れ具合は先
行例より更に良くなり破壊耐量が増すという特徴を有す
る。
以上は本発明を増幅ゲート方式を採用した光サイリスタ
を例に採つて説明したが、増幅ゲート方式を採用しない
通電々流の少い光サイリスタにも本発明の思想は適用す
ることができるものである。
〔発明の効果〕
以上の様に本発明によれば、従来の光サイリスタに比べ
て初期点弧時の導通領域の面積をより広くすることがで
きるので、光サイリスタのdi/dt耐量を大巾に高め
ることが可能となつた。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の光サイリスタの縦断面図、第2図は本発
明光サイリスタの先行例の縦断面図、第3図は第2図の
光サイリスタの補助サイリスタのアノード電流と光入力
との関係を示す図、第4図は第2図の光サイリスタの初
期点弧時の主サイリスタと補助サイリスタのアノード電
流に時間変化を示す図、第5図は本発明光サイリスタの
実施例の縦断面図である。 1…半導体基板、13…pエミツタ、14…nベース、
15…pベース、16…nエミツタ、2,3,4…電
極、5…ライトガイド。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 知行 茨城県日立市幸町3丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭55−16497(JP,A) 特開 昭50−46083(JP,A) 特開 昭55−19863(JP,A)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】互いに反対側に位置する一対の主表面と、
    一方の主表面に隣接する第1導電型の第1の層部分及び
    第1の層部分に隣接しそれより低不純物濃度を有する第
    1導電型の第2の層部分からなる第1のエミッタ層と、
    第1のエミッタ層に隣接しその第2の層部分より低不純
    物濃度を有する第2導電型の第1のベース層と、第1の
    ベース層と他方の主表面に隣接し第1のベース層より高
    不純物濃度を有する第1導電型の第2のベース層と、第
    2のベース層と他方の主表面に隣接し第2のベース層よ
    り高不純物濃度を有する第2導電型の第2のエミッタ層
    とを有し、第2のエミッタ層を一方の主表面に投影した
    とき投影面の中央部分において一方の主表面から第1の
    エミッタ層の第2の層部分に到達する凹部が形成され、
    この凹部によって第1のエミッタ層の第1の層部分が除
    去されている半導体基板と、 半導体基板の一方の主表面において、第1のエミッタ層
    の第1の層部分のみに低抵抗接触する第1の主電極と、 半導体基板の他方の主表面において、第2のエミッタ層
    の中央部を除く部分及び第2のベース層に低抵抗接触す
    る第2の主電極と、 半導体基板の他方の主表面において、第2のエミッタ層
    の中央部に光ゲート信号を照射する手段とを具備するこ
    とを特徴とする光駆動型半導体制御整流装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項において、第2のベ
    ース層と他方の主表面に隣接し第2のベース層より高不
    純物濃度を有する第2導電型の第3のエミッタ層を設
    け、この第3のエミッタ層及び第2のベース層に第3の
    主電極を低抵抗接触したことを特徴とする光駆動型半導
    体制御整流装置。
JP58032773A 1983-03-02 1983-03-02 光駆動型半導体制御整流装置 Expired - Lifetime JPH065739B2 (ja)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP3409236B2 (ja) * 1997-02-18 2003-05-26 同和鉱業株式会社 熱処理炉の雰囲気制御方法
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