JPS583282A - サイリスタ - 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】 本発明はｄｌ、／ｄｔ耐量の増大と高感度化を図ったサ
イリスクに関する。

サイリスタは導電蓋を交互に異ならせ、表層の半導体層
表面にアノード電極とカソード電極とを取付けた４つの
半導体層によ）構成され、アノード電極側より一般ＫＰ
エイツタ層、Ｎペース層、Ｐペース層、Ｎエイνり層と
し九構造を有している。しかしてこのサイリスタでは、
Ｐベース層に設けられたｒ−ト電＠Ｋ）リガ信号を印加
することによって、先ずＰ−）近傍の小面積がターンオ
ンし、時間の経過ｆｌｃ　ｆｆ−２てその接合全面積に
亘ってターンオン領域が拡大して導通する。この為、タ
ーンオン時の突入電流上昇率ｄｉ／ｄｔが大きいと、素
子能力以上にダート近傍の限られた導通部分に電流が集
中し、この結果、局所的な温度上昇による熱破壊が生じ
ることがある。

そこで近年では、サイリスタの高耐圧化、大容量化に伴
い、スイッチング時のｄｉ／ｄｔ耐量が大きく、シかも
ダート制御電流のできるだけ小電流が増大すると云う相
反する問題があった。

また近時、ｆ−）電流に代えて光信号によシスイツチン
グ動作を制御する光サイリスタが開発されているが、利
用可能な光エネルギーに限度がある上、ハイ・ｒ−ト・
ドライブが困難な為、ｄｉ／ｄｔ耐量を大きくできなか
った。これ故、ｄ　ｉ／ｄ　を耐量を損うことなしにｆ
−）感度の向上を図った高耐圧、大容量のサイリスタの
開発が強く望まれていた。

第１図はこのような問題を解決すべく構成された光サイ
リスタの断面構造を模式的に示したものである。図にお
いて、Ｐエミツタ層１、Ｎイー２層ｘ、Ｐベース層Ｊｌ
、Ｎエミツタ層４からなる４つの半導体層からなるサイ
リスクの上記Ｐエミッタ鳩１表面にはアノード電極６が
、またＮエミツタ層４の表面にはカンードーＩＫ６が配
設されており、メインサイリスタが形成されている。上
記Ｎエミッタ層４は、Ｐイー２層３の外８Ｉｌｌｌに円
環状に形成されたものである。

またこのメインサイリスタのＰベースＭＳには、複数の
・ンイロットサイリスタを形成するエミツタ層”　ｒ　
’ｉ　ｂ　、　７　ｃが相互に離間して同心円状に形成
されてふ一す、その中央部には受光部８が形成されてい
る。

しかして今、このサイリスタの受光部８に九トリガ信号
りしを照射すると、これによって発生する光電ｍ　Ｉ、
ｈ＃′ｉ、Ｐペース層３を横力向に渡れ、メインサイリ
スタのＮエミツタ層４に設けられた短絡部９を経由して
カソード電極６に流れる。このとき、上記光電流！１．
によってＰイー２層３に発生する横方向電位差は、・！
イロントサイリスクＯＮエミッタ〜７ｍ、７ｂ、７ｃを
順方向にバイアスする。この順方向バイアスの一１１ｓ
い部分、つまシ受光部６の電圧がＰベース層′３とＮ　
ｘ　ｉ　ｙり層７　ｍ　、　７　ｂ　＊　Ｆ　”との間
に形成される接合部のビルトインポテンシャルの値に近
付くと、Ｎエミツタ層７ｍ　、７ｂ・ｒｇからＰベース
層Ｓへの電子の注入が急増し、この結果ノ譬イロットサ
イリスタは受光部σの領域からターンオンする。このタ
ーンオン−流は電極ＪＯａを経由して次段のノ９イ９４
ロツトサイリスタれ、ハイゲートドライブ電流として同
ノ臂イロクトザイリスタｔ−＊逼な条件でターンオンさ
せる。そして同様にしてこの／？イロットツイリスタの
サイリスタのターンオンによシ、第３段目の・９イロノ
トサイリスタが駆動され、更にこれによってメインサイ
リスタがターンオン駆動されることになる。

けのようにして多段構成された・９イロツトサイリスタ
ｔこよって、ターンオン初期時に発止する過大な一力払
失を各・９イロツトサイリスタに分散させることＫよ）
、ホットスーットの発生を防止し、ｄｉ’ｄｔ耐量の改
善を図ることが行われている。

ところが、このような従来の多段増幅ｒ−）構造のサイ
リスタにあっては、次のような欠点があった。

即ち、初段の・ｑイロットサイリスタｃ６ｐベース層３
の抵抗値を大きくシ、光電流ｌＰｈによって発生するＰ
ベース層ｊｏ横方向電位差を大きくすると、これＫよ抄
光感［（ｒ−）感度）の向上を図シ得るが、その反面、
サイリスタ主回路から混入する電圧ノイズに対して誤点
弧しやすくなる。つまり、急峻な電圧上昇率を持つ電圧
ノイ）ｅかアノード電極４とカッニード電極５間に加わ
ると、これによって発生する変位電流が上記光電流■い
と同じ経路を通る為、この結果光感度を高くすると電圧
ノイズによって誤点弧し易すくなる。この電圧ノイズに
対して飼点弧しないための許容最大ｄＶ／ｄｔ値がｄｖ
／′ｄｔ船蓋と称されるものである。

一方、初段のノ母イロットサイリスタＯＮエミッタ層１
１０半径Ｒを小さくシ、この領域で発生する変位電流の
電を抑制し、且つＮエミツタ層１ａ直下のＰベース層３
の抵抗値を大きくすることで、上記ｄＶ／ｄｔ耐量を損
うことなしに光感度の向上を図ることができる１、然し
乍らこのとき、ｄｉ／ｄｔ耐量の低下を防止する為に、
初段のノ々イロットサイリスタで発生するスイッチング
損失を軽減することが必蚤となる。この点、前述したよ
うにパイロットサイリスタの段数を増やすことによって
、各段におけるスイッチング損失を少々くすることがで
きるが、前記変位電流は光電流■いと違って接合領域の
全面積に亘って流れるから、メインサイリスクのＮエミ
ツタ層４のｉ記短絡部９に近付くに従ってその値が大き
くなる。この為、・９イロツトサイリスタの段数を増し
た場合、逆に仮設のノやイロントサイリスタやメインサ
イリスタにおいて、電圧ノイズによる錆点弧が生じ易く
なると云う新た表８Ｉ１１が生じた。

史にパイロットサイリスタの段数が増加すると、ターン
オンに必要な最小７ノード電圧、つまシフインが電圧が
増加する傾向がある。この７（ンガ電圧の大きなサイリ
スタを例えば並列運転すると、並列運転される各サイリ
スタの両端に印加されるアノード電圧が、最初にターン
オンしたサイリスタのオン電圧によって法定されてしま
う為、フィンガ電圧の更に大きい他のサイリスタがター
ンオンしなくなると云う不具合が生じる。このような各
種の間紬は、上述した光サイリスタに限らず、通常の電
気トリガ式のサイリスタにもｌ’ｉＪ様に存在する。

本発ｆ１８４は、このような事情を考慮してなさｆｔた
もので、その目的とするところは、ｄＶ／ｄｔ耐量を犠
牲にすることな（、ｒ−）感度（光感度）の向上とｄｉ
／ｄｉ耐量の増大を図ることのできる実用性の高いサイ
リスクを提供することにある。

即ち本発明は、サイリスクのベース層に形成された集電
電極に取囲まれるように個々の・母イロットサイリスタ
を形成し、これらのノ譬イロツトサイリスクを順次電気
的Ｋｍ続すると共に、最終段の／９イロットサイリスタ
の工きツタ電極を上記集電１１［ｊと共通化してメイン
サイリスタと電気的に接続したダート電極構造とすると
とによって、上述した目的を効果的に達成したものであ
る。

以下、図面を参照して本発明の一実施例につき説明する
。

菖２図および第３図は実九例に係るサイリスタの構成を
示すもので、ｔｐ、２図はｒ−）電極の平面配置構成図
、ｆｊｋ３図は断面構成図である。

Ｐエミッタ層Ｊ　、Ｎベース層２．Ｐベース層３゜Ｎ工
きツタＦ＃Ｉ４の４つの積層された半導体層からなるメ
インサイリスタの上記Ｎ工ｉツタ層４に隣接するＰベー
ス層３表面には集電電極ＩＩが形成されておシ、この集
−４を極１１に囲ま才１て複数の・９イロツトサイリス
タが形成されている。ここでは、受光部８を備え九第１
のノ９イロットサイリスタ１２、そのエミッタ電極を集
電電極１１と共通化した第５の７９イロツトサイリスタ
１６まで、計５個の／譬イロットサイリスク１２．１３
〜１６が形成されている。尚、集電電極１１の周辺部、
つまシ・譬イロットサイリスタ１２．１３〜１６０周ｐ
にはメインサイリスタ１７が形成される。しかして、Ｗ
、１の・９イロツトサイリスタ１２は、受光部８の周ル
に円狽状にＮエミッタ＠２２＊を形成し、その表向にエ
ミッタ電極１２ｂを配設して構成される。また、第２乃
至第５のパイロットサイリスタ１３゜１４．１５．１６
Ｆｉ、Ｐペース層３中にｉＩＩ＆亀゛遊極１１に囲まれ
てＮエミッタ層１１ｍ、１４ｍ、Ｉｊａ、１６ｍをそれ
ぞれ形成し、これらのＮ工きツタ層１３ｍｒ１４＊ｅ１
５＊＊１６ｈ上にそれぞれエミッタ電極Ｊ　ｊｂ　、１
４ｂ、１５ｂ。

１６ｂを形成すると共Ｋｓｐペース層ｊ上に各ｆ−）電
極１３ｃ、１４ａ、１５＠、１６ｍを形成して構成され
る。このうち、第５のメダイロットサイリスタ１６のエ
ミッタ電極１６ｂは前記集電電極１ノと共通化さねてい
る。しかして、各段のノぐイロットサイリスタ１８，１
４．１５，１６０各ｆ−）電極１３ｃ、１４ｃｌ１５Ｃ
ａ１６ｅＦｉ、それぞれ前段の・９イロットサイリスタ
１２．１Ｂ、１４゜ｉｓｏ各エンツタ電極１１ｂ、１３
ｂ、１４ｂ、１５ｂにム４線等の配線層１８を介して順
次電気的に接続されている。従って、各段のパイロット
サイリスタ１３．１４．１５．１６は、それぞれ前段の
パイロットサイリスタ１１．１３，１４．１５のター／
オン電流をＣ−ト電流として受けて、ターンオン動作す
るようになっている。そしてメインサイリスタ１１は、
第５のパイロットサイリスタ１６のターンオン電流を集
電電極１１を介して受けて、ターンオンするようになっ
ている。尚、ノ臂イロットサイリスタ１１〜１６の配置
構造は、ｊ＃に規定されるものではない。

さて、このように構成された本サイリスタの受光部８に
光ｆ−）信号幅を照射すると、第１の／＃イロットサイ
リスタ１２Ｃ）中央接合部の空乏層領域で発生した光電
流ｌｐｈがＰイー１層３に流れ込む。この光電流！、ｈ
はＰイー１層３を横方向に流れ、Ｐイー１層３に設けた
集電電極１１を介したのち、Ｐイー１層３とカソード電
極６との間に設けられた短絡部９を介して上記カソード
電極６に流れ込む。仁の結果、光電流ＩＰｈは、第１の
ノやイロットサイリスタ１２慣城のＰイー１層３に横方
向電位差を発生し、これによって＃Ｉｌのノ量イロット
サイリス！１２ＯＮエミッタ層１２暴が順方向にバイア
スされることになる。この順方向バイアス電圧の一番深
い電位が、上記Ｎエミツタ層ＪｊａとＰイー１層３との
間の接合部のビルトイン４テンシヤルの値に近付くと、
これによってＮエミッタ１ｗ１２ａ力・らＰイー２層Ｊ
への電子の注入が急激に増加し、第１０ノ量イロクトサ
イリスタ１２は上記接合部からターンオンする仁とにな
る。しかして、この第１の・９イロソトサイリスタ１２
のターンオン電流は、配線層１８を介して第２の・セイ
ロットサイリスタＩＪのｒ−）電極１３・にｒ−ト電流
として印加され、これによって第２のパイロットサイリ
スタＩＪがターンオンすることになる。同様にして、ノ
譬イロツＦサイリスタ１３のターンオンによって、第３
〜館５の／Ｊ？イロットサイリスタ１４，１５．１６が
順次ターンオンすることになる。そして第５０ノ９イロ
ツトサイリスタ１６のターンオン電流は、集電電極１１
から短絡部９を介してカソード電極６に流れ、このとき
上記ターンオン電流はメインサイリスタ１１のｆ−）電
流として機能することから、メインサイリスタ１１がタ
ーンオンすることになる。

とζろで、このような構造であれば、ｄＶ／ｄｔ値の大
きな電圧ノイズが、アノード・カンード間に加った場合
、Ｐイー１層３に発生する変位電流は、各ノ臂イロット
サイリスタ１２．〜１６を取囲んで設けられた集電電極
１１から、短絡部９を通ってカソード電極６に流出する
。従って、本構造では従来問題となった変位電流の悪影
響が生じない。しかも、この変位電流の影暢は、パイロ
ットサイリスタの配置構造に対して本本質的に全く依存
することがない。従って、ノ母イロットサイリスタの構
成段数を増やしても、Ｍ終段の・９イロツト力イリスク
およびメインサイリスタのｄＶ／ｄｔ耐量が低下すると
云う不具合の生じる虞れがない。

しかして、本サイリスタにおける第１の・ンイロノトサ
イリスタのターンオン電流最大値！１４．は、／４イロ
ットサイリスタの構成段数Ｎとの間に第４図に示す如き
１係を有し、段数Ｎの増加に伴って直線的に減少する。

従って、上記段数を成る程度大きくすることによって籐
ｌのパイロットサイリスタ１２への電力集中を＠滅する
ことができ、故にその半径Ｒを小さくすることが可能と
なる。またこのように第１０ノ母イロツトサイリスタ１
２の半径Ｒを小さくすることによって、この領域で発生
する変位電流の値（ｆｒ）を抑制することができるから
、このＮエミッタ層Ｉｊｌ＆Ｍ下のＰイー１層３の抵抗
を大きく設定することができ、故にｄ　Ｖ／ｄ　を耐量
を抽うことなしＫｒ−）感度の向上を図ることが可能と
なる。ちなみに実施例構造によればｒ−）感度を２〜３
　ｍＷと高感度化することができる上、ｄｉ／ｄｔ耐量
を第１図に示す従米−造のものに比して２〜３倍に改善
することができる。

かくしてここに％　ｄＶ／ｄｔ耐蓋等のサイリスタＫｌ
’求される主要な特性を損うことなしに、ｄｉ／ｄｔ　
ｉｔ−を量の向上とｆ−）感度（光感度）の飛躍的な向
上を図った高性能で実用性の為いサイリスタを実現する
ことができる。

尚、本発明は上記実施例にのみ限定されるものではない
。実施例では光サイリスタにつき例示したが、受光部８
にＰ−）電極を形成してなる電気トリガ式のサイリスタ
にも同様に適用することができる。また、パイロットサ
イリスタの構成段数やその配置構成は仕様に応じて定め
ればよいものであり、賛は各パイロットサイリスタをペ
ース層に設けられ九県電電極によって囲まれるように配
置構成して、順次電気的に接続すれによい。要するに本
発明はその賛旨を逸脱しない範囲で柚々変形して実施す
ることができる。

第１図は従来栴迄ザイリスタの一例を示す構成図％＆２
図は本発明の一実施例を示すサイリスタの平面構成図、
第３図は同実施例サイリスタの−「面構成図、總４図は
ノ母イａｙ）サイリスタの構成ｐ数と初段のパイロット
サイリスタのターンオシ電ｆｉＬＭ大臘との関係を示す
特性図である。

３・・・Ｐペース層、４・・・Ｎエミツタ層、６・・・
カソード電極、８・・・受光部、９・・・短絡部、１１
−１゜集電電極、１２．１３．１４．１５．１６・・・
ノｆイロットサイリスタ、１７・・・メインサイリスタ
、１２＆。

１３ｔｈ、１４ｍ、１５畠、１６ｈ−・−Ｎエミツタ層
、１２ｂ、ＪＪＬＩ、１４ｂ、Ｊｊｂ、１６ｂ・・・エ
ミッタ電極、１３ｃ　、１４ａ　、１５Ｃ，１６Ｃ・・
・ｒ−計電極、　１８・・・配線層。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　導電型を交互に異ならせて積層された４つの
   半導体層からなるメインサイリスタのペース層中に上記
   メインサイリスタのエミツタ層を除く他の３つの半導体
   層を共有する複数の・臂イロ２トサイリスタのエミツタ
   層を上記メインサイリスタのエミツタ層から分離し、且
   つこのメインサイリスタのエミツタ層と同導電朧にそれ
   ぞれ形成してなるサイリスタにおいて、上記各ノ臂イロ
   ットサイリスタをメインサイリスタの工０Ｊ層に＊＊す
   るペース層上に設は九集亀電極の内側にそれぞれ配置し
   、且つ各ノ４イロットサイリスタのエミツタ層に挾まれ
   る各ペース層上にそれぞれｒ−）電極を形成し、これら
   のノ譬イロットサイリスタのｒ−）電極を前段の／譬イ
   ロットサイリスタのエミツタ層上に設けられたエミッタ
   電極に順次電気的に接続し、最終段の・母イロットサイ
   リスタのエンνり電極を前記集電−極と共通化したこと
   を特徴とするサイリスタ。
2. （２）　　初ｆｉｌ　ｅ　／奢イロットサイリスタは、
   光トリガ信号を受けて点弧駆動されるものである特許請
   求の範８第１項記載のすイＶスタ。