JPS58118151A - 双方向性半導体スイツチ素子 - Google Patents

双方向性半導体スイツチ素子

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Publication number
JPS58118151A
JPS58118151A JP42282A JP42282A JPS58118151A JP S58118151 A JPS58118151 A JP S58118151A JP 42282 A JP42282 A JP 42282A JP 42282 A JP42282 A JP 42282A JP S58118151 A JPS58118151 A JP S58118151A
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JP
Japan
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semiconductor layer
short
semiconductor
emitter
regions
Prior art date
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Pending
Application number
JP42282A
Other languages
English (en)
Inventor
Minoru Azuma
東 実
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPS58118151A publication Critical patent/JPS58118151A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L29/00Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/66Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
    • H01L29/68Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
    • H01L29/70Bipolar devices
    • H01L29/74Thyristor-type devices, e.g. having four-zone regenerative action
    • H01L29/747Bidirectional devices, e.g. triacs

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Thyristors (AREA)

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】 発明の技術分野 この発明は双方向性半導体スイッチ素子(いわゆるトラ
イブック)K係り、特に臨界オフ電圧上昇率(dv/d
t)、及び転流臨界オフ電圧上昇率(dV/dt)cを
改善する構造に関する。
発明の技術的背景およびその問題点 トライアックは、公知のように2個の主電極と1個の制
御電極(ダート)管有し、r−)と−お1間に正負のバ
イアス信号を与えることによって主電極間の両方向のバ
イアス状態において各方向独立につまシ4種類のモード
でオフ状態からオン状態にスイッチすることが可能な3
端子半導体装置である。数百がルト、10アンペア程度
の定格をもつトライア、りは一般にICからの出力信号
を制御信号として交流制御する目的で使われる。ICの
出力信号は10鮎以下の場合が多いので、トライア、り
の最小f−))リガが電流!。7が4種類のf−))リ
ガモードすべてにおいて10mA以下でないと直接ドラ
イブは不可能で、ICとトライア、りの制御電極との関
にトランジスタなどの増幅器を入れる必要がある。従来
はff−)感度を上げるために1制御電極に接する半導
体層の厚さWlを小さくしてキャリアの輸送効率を高め
る方法や特公昭41−12978−jl−(フイニス・
イ・ジエントリー、ゼネラル・エレクトリック・ラムノ
9ニー)に記載されているように、ウェハの厚さ方向に
投影し九際に、2つのエミ、り領域に重な多部分をもた
せることKよって注入されたキャリアを有効に利用する
方法が用いられてきた。しかし、これらの技術を駆使す
れば”Ofを下げることはできるが、他の特性、特に臨
界オフ電圧上昇率(dV/dt)s及び転流臨界オフ電
圧上昇率(dv/dt)cを大幅に損なうという欠点が
生じる。
これらの問題を図を用いて説明する。第1図は従来のト
ライアックの断面図である。半導体基体はp型の第1半
導体層1、n型の第2半導体層2、p型の第3半導体層
3の積層構造からなり、第1および第3半導体層1およ
び3飼主面にそれぞれエミッタとなるn型の第4半導体
層4および第5半導体層5が形成されている。第4、第
5半導体層4,5のそれぞれに主電極6と7が低抵抗接
触する。また第3半導体層3の一部にはf−上電極8が
低抵抗接触する。第3半導体層3のゲート電極近傍には
エミ、りと同じn型の半導体層9が配置され、これは第
3の半導体層3とダート電極8で短絡される。半導体層
9はf−)を負極性にするトリガモードの場合補助サイ
リスタのエミ、りとしての機能をもつ。また第5半導体
層5と第3半導体層3及び第4半導体層4と第1半導体
層1は素子の機能上必然的に各々主電極7と6で短絡さ
れる。
このように構成されるトライア、りはff−)端子Gと
1つの主電極端子TIの間に正負のバイアスを与えるこ
とによシ、一方向の電流はT。
→4→1→2→3→T!と流れ、他方向の電流はT!→
5→3→2→1→T、のように流れる。
’QTを下げるには第3半導体層3の厚さwl、を小さ
くしたシ、ウェハの平面投影において2つのエミ、り領
域即ち第4半導体層4とWc5半導体層5が重なる部分
W/を設けることが用いられている。
以上の原理をいかしたトライアックの一例は第2図に示
す平面図で与えられる。第1図の一方のエミ、りである
第5半導体層5とf−)電極で短絡される補助エミ、り
である半導体層9は第2図の実線で示される。またもう
1つのエミッタである第4半導体層4は第2図では破線
で囲首れる領域である。第2図ではエミ、りの重な多部
分W/はゲート近傍に配置される。第1図及び第2図に
示すトライアックはダート感度は高いが、(dV/d 
t )@及び(d■/dt)eが低い。
一般に(dV/dt)、はサイリスタが阻止状態にある
時、主回路の電圧がかかるpn接合、すなわち、第1図
におけるJ黛接合にノ々ルス電圧(av/It )が印
加された場合、J8接合の変位電流Cj2 (dv/d
t)がペースである第3半導体層3t−横切って主電極
の短絡部分に流れ込むが、この時ペース中での電圧降下
がエミッタ接合のビルトイン・Iテンシャルv*ヲこえ
ないことで定義される。これを式で表わすと ここでC10はj3接合の接合容量、I’llはペース
のシート抵抗、Xは主電極の短絡部まで電流路、すなわ
ち工きツタの幾何学形状で決まる定数である。(1)式
において■1とCJ2は不純物濃度分布のわずかな相違
では、はとんど定数とみなしてよい。従って(dV/d
t )■はρ8.とXの関数となる。r−)感度食上げ
る丸めにペース領域厚W11(第1図における2と5或
は2と6で狭まれる領域の厚さ)t−小さくするとρ■
が大きくな’) (dV/dt)aは減少する。そこで
Xt−小さくするには一般にエミッタ領域を貫通するよ
うに微小なペース領域を複数個分布させ、これt主電極
で短絡するいわゆる短絡エミ、り構造を用いることが多
い。しかし、W、を小さくするだけでは十分子−)感度
を上げることはでき危いので、前記のような両エミッタ
に重なりWfをもたせると、感度は改善されるが、(d
V/dt)cが低下する。
(dv/dt)eはトライア、りに流れる電流を(T!
→T1 )から(Tt→T3 )に切シ換える時にベー
スに蓄積されている残留電荷と前記変位電流の効果によ
って本来オフすべき箇所が誤オってターンオンする最小
値として定義される。
(dv/dt ) eが低いと比較的早いスイッチング
ができないばか夛でなく、トライア、り本来の交流制御
機能を損なってしまう。
発明の目的 本発明は以上の欠点についてなされたもので、高いダー
ト感度及び高い(dV/dt)−をもちながら(c+v
/dt)cを大幅に改善することができるトライブック
の構造を提供することを目的とする。
発明の概要 本発明は第1図、第2図で説明した従来の構造を基本と
し、エミ、りとなる第4および第5半導体層にそれぞれ
短絡エミ、り構造とするための小領域を分布させる場合
に、第4および第5半導体層の重なり部分での小領域の
密度を他の部分よりも大としたことを特徴としている。
発明の効果 本発明によれば、高いダート感度と高い(dV/dt)
、tもち、しかも(dv/dt ) cを大幅に改善し
たトライア、りが実現できる。
発明の実施例 図を用いて本発明の詳細な説明する。第3図は一実施例
のトライア、りの断面図、第4図は平面図で、第1図お
よび第2図の従来技術と対応して書かれたものである。
従って、第1図および第2図と対応する部分にはそれら
と同一符号を付して詳細な説明は省く。第4および第5
半導体層4および5に設けられた小領域10および1ノ
は、それぞれベースである@1および第3半導体層1お
よび3まで貫通するp形層であって、゛各々主電極6お
よび7によって短絡される。すなわち両面のエミッタ共
、短絡エミ、り構造を形成する。第4図のAは平面投影
方向で両エミ、りが重なる部分で、このAにおいては、
短絡小領域10.11の分布密度が、エミ、りの他の領
域におけるそれよシ大きいことが特徴である。またBは
平面投影方向で両エミッタが重ならない領域で、一般に
ベースのキャリア拡散程度の隔離距離を設ける。これは
前記した転流時の(dV/d t )e Kよツ゛Cf
Fiターンオンを防ぐためにあるものである。
このように構成されるトライア、りはエミ。
りの重なり部分AのためKf−)感度は十分高く保たれ
ながら、他エミッタ領域よシも短絡小領域の数密度が大
きいので(dv/a t )cも大きいという効果をも
つ。エミ、り領域全体にわたってAと同じ密度の短絡小
領域を設けると、実効エミッタ面積が減少してオン状態
の特性、特にオン電圧、サージオン電流特性が悪くなる
が、本発明のように重なり部分Aだけに限定すれば、そ
れらの特性を損なうことは力い。またBの隔離部分に対
して、これとは逆にAのようにしてエミ、りの重なりを
吃たせて、その重なり部分にはAのように短絡小領域の
数密度を大きくすることも当然できる。この場合におい
てもオン特性を損なうことはもちろんである。
次によシ具体的な実施例を記述する。(レフトのチア1
寸法が5冒口で、半導体チ、!の中には第3図に示され
るような半導体領域が存在する。主エミ、りである第4
.第5半導体層4゜5は平均不純物濃度4X10  c
III%領域厚10μmで、これに隣接する第1.第3
半導体層1.3の平均不純物濃度はlXl0  yt 
 % fJA2半導体層2と第4.第5の半導体層4,
5で狭まれる第1、第3半導体層1.3の領域厚は20
μmであシ、第2半導体層2の平均不純物aF!Lは2
X10  am  、その領域厚は150μmである。
補助エミッタである半導体層9は主エミ、りである第5
半導体層5と同時に形成される。第4図に示される、両
エミ、りの重な)S分Aの距離は200μm1両エミ、
りの重ならない領域Bの隔離は200μmで、小領域1
0 、I Jは表面不純物濃度が2X10  cyn 
 で直径は90μmである。第5半導体層5の全面積は
5.2 m2%第4半導体層4の全面積は5.8 w2
、エミ、りの重なり部分Aの面積は0.16 wa2で
ある。この実施例では、短絡小領域10.11の数は重
々り部分Aで3個、重なり部分を除いた各エミ、り領域
には各々9個、10個である。これを単位面積当りの小
領域の数という数密度で表わせば、車な9部分Aでは1
9m、重ガり部分を除いた各エミ、り領域で2 は各々1.8ms  、1.8m  である。すなわち
重なシ部分Aの短絡小領域の数密度はそれ以外の部分に
比べて約10倍である。この実施例におけるトライア、
りは全てのモードでの最小グートドリカ電流は10−以
下、(dV/d t ) 、 ”l)E 850V/μ
s s  (dv/dt )cが60v/μ畠以上、オ
ン電圧が1、2 V 、平均オン電流12A、オフ電圧
tooovの特性をもつ。この特性と従来構造のトライ
ア、りの特性と比較すると、エミッタ重なシ部分に短絡
小領域のないトライアックでは(dV/dt)。
が500V/μm、  (dv、/dt)  はO乃至
2 V//J−で他の特性はほとんど同じである。オた
前記短絡小領域の数密度が全エミ、りでほぼ等しくなる
ように配置したトライア、りの(dV/dt )  も
O乃至4Vμ易と前記従来例とほとんど変わらない。
本発明と従来例を比較すると明らかに(dVAt )e
が極端に違い、エミ、り重々9部分における短絡小領域
の数密度がX要々支配要素であることがわかる。
なお、トライア、りの両生面は基本的に対称であるから
、制御電極は第1半導体層側に設けてもよいことは勿論
である。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来構造のトライア、りの断rkJ−1第2図
はその平面図、第3図は本発明の一実施例のトライア、
りの断面図、第4図はその平面図である。 1・・・第1半導体層、2・・・第2半導体層、3・・
・第3半導体層、4・・・第4半導体層(エミ、り)、
5・・・第5半導体層(エミ、り)、6e7・・・主電
極、8・・・制御電極、9・・・半導体層(補助エミ、
り)、10.11・・・短絡小領域、A・・・重な9部
分。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 第1導電型の第1半導体層、第2導電型の第2半導体層
    、第1導電型の第3半導体層がこの順に積層され、この
    積層構造の第1半導体層側主面に部分的に第2導電型の
    第4半導体層が設けられ、第3半導体層側主面に部分的
    に第2導電型の第5半導体層が設けられ、第1半導体層
    側主面に第1半導体層と第4半導体層に接触する第1の
    主電極が設けられ、第3半導体層主面に第3半導体層と
    第5半導体層に接触する第2の主電極が設けられ、第1
    または第3半導体層に接触する制御電極が設けられた双
    方向性半導体スイッチ素子であって、第4および第5半
    導体層には、これらの層を貫通してそれぞれ第1および
    第3半導体層に達するように設けられ、かつそれぞれ第
    1および第2の主電極で短絡される第2導電型の小領域
    を分布させると共に1第4および第5半導体層は積層方
    向に投影したときに重なる部分を持たせ、この重なり部
    分で前記小領域の分布密度を他の部分よシ大としたこと
    を特徴とする双方向性半導体スイッチ素子。
JP42282A 1982-01-06 1982-01-06 双方向性半導体スイツチ素子 Pending JPS58118151A (ja)

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ID=11473360

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JP42282A Pending JPS58118151A (ja) 1982-01-06 1982-01-06 双方向性半導体スイツチ素子

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