JPS583385B2 - カデンアツホゴソシ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＮＰＮＰＮ或いはＰＮＰＮＰ５層４接合２端子
サイリスタと、酸化亜鉛を主体として構成される非線形
抵抗素子より成る過電圧保護素子に係り、特に上記両素
子を一体化して構成する事により小形でしかも高性能等
の特徴を併持する新規な過電圧保護素子を提供しようと
するものである。

一般に過電圧保護素子としては、例えば酸化亜鉛焼結体
（以下ＺＮＯ焼結体と略称する。

）が知られている。

この素子は吸収電力耐量が大きいという特長を有するも
のであるが、この反面常時印加（直流電圧）許容電圧と
過電圧吸収動作時の動作電圧との差が大きい欠点がある
。

この様なＺＮＯ焼結体に対して例えばシリコン単結晶を
用いて用いて作られた素子が知られている。

即ちＰＮＰ又はＮＰＮのアバランシエブレークダウン形
両方向素子は、ＺＮＯ焼結体に較べて電圧波形は優れて
いるが、この反面吸収電力耐量が小さいので実用的では
ない。

これに対してＮＰＮＰＮ又はＰＮＰＮＰの５層４接合２
端子サイリスタ（以下２端子サイリスタと略称する）は
、例えば点弧して導通状態となるものであるが、この時
の動作抵抗が小さい為に短絡状態となり、これにより素
子自体の過電流破壊を生じたり或いは短絡保護用ヒュー
ズを溶断して装置の運転を停止するという最悪の事態を
生ずる懸念がある。

本発明はこの点に鑑みて成されたものであって、例えば
２端子サイリスタとＺＮＯ焼結体とを直列接続して形成
した点に特長を有するものであって、以下実施例に基づ
き詳述する。

第１図は本発明の基本構成を示すもので、１は２端子サ
イリスタで２はＺＮＯ焼結体を示しこれ等両素子を直列
接続して成るものであってこれ等素子の特性は夫々第２
図に示す。

即ち第２図の特性図は横軸に電圧を縦軸に電流を夫々と
って示しＶＥはＺｎＯ焼結体のブレークダウン電圧を、
一方ＶＢＯは２端子サイリスタのプレークオーバー電圧
を夫々示す。

なお同図で１１，１１′並びに２２，２２′の各特性図
は夫々ＺｎＯ焼結体、２端子サイリスタを夫々表わして
いる。

次に２端子サイリスタの構造例に関して詳述するに、第
３図は２端子サイリスタの平面図を示すものでこの第３
図のｂ−ｂ’線での断面図を第４図に示す。

即ち５層４接合のシリコン単結晶の上部及び下部のＰ層
に於ける中央部両面に斜線で示す如く、所定の直径の穴
６，７を夫々所定の深さにエッチング処理して形成した
後、例えばガリウムの不純物を拡散すると第３図及び第
４図に示す様にガリウム拡散層４，５が夫々形成される
。

しかして上記穴６，７に対応する部分のガリウム拡散層
８，９は、例えば穴６，７を横に僅か広げた形の突起状
態となる。

この事を換言するにシリコン単結晶の中央部Ｎ層３は図
示する様にＮ層３部のみ狭くなっている。

次にこのＮ層部３の右側上部並びに左側下部に穴６，７
に対向して、穴６，７の軸方向の深さよりも幾分深さの
ある所定幅のＮ層１０，１２を形成する。

これ等Ｎ層１０、１２で右側上部に位置するＮ層部１０
は第３図では点線で施す半円径状を呈している。

なお図示はしないが他方のＮ層部１２の形状は上記Ｎ層
部１０と対称形になる事は申す迄もない。

この様な半円形状の夫々のＮ層１０、１２の形成時に際
しては、例えば一般的な燐の拡散によるか或いはＡｕＳ
ｂ（金アンチモン）の合金による方法で形成される。

次に穴６，７を除いた半円径状のＮ層部１０の表面と、
穴６に対してＮ層部１０の反対側に位置するＰ層４の表
面及びＮ層１０を取り囲むＰ層４の表面は、夫夫ロウ材
を用いて例えばモリブデン又はタングステン等より成る
円板状の熱補償体１３が接着され、同様に反対側のＮ層
１２並ひにＰ層５の表面にも夫々熱補償体１４が接着さ
れる。

しかる後に例えば阻止電圧の安定化の為に中央部に位置
するＮ層３の上下部の接合表面部１５、１６の表面に所
定の傾斜を持たせて安定剤を塗布する様にする。

一方ＺｎＯ焼結体の素子の構造例は図示しないが、例え
ば酸化亜鉛を主体にビスマス等の他の不純物を所定量混
入後焼結したものであって、この素子の動作電圧は素子
自体の肉厚によって決まるので焼結後に所定電圧になる
様に厚さを調整して、その両表面に電極をロウ着けし、
さらに沿面部の放電を防止する為に例えばエポキシ樹脂
等の絶縁材を塗布して形成される。

この様に形成される２端子サイリスタとＺｎＯ焼結体と
を一体化して所定の過電圧保護素子を得、この場合の製
造方法を第５図を参照し乍ら述べる。

同実施例で１７は下部電極を２０は上部電極を示し、こ
れら電極は例えば銅材で構成され図示しない外部接続端
子の取付金具と螺合する為の螺穴１８，２１がそれぞれ
刻ってあって、さらに上−下部電極１７、２０の各周縁
部には図示形状のコバール２２、２６がそれぞれ溶接に
よって取付けられている。

１９はセラミックケースで、このケースの上円周面には
図示する所定厚みのコバール２３が溶接して取付けられ
ており、セラミックケース１９の下部円周面と下部電極
１７のコバール２６とを溶接することによって容器が形
成される。

このような容器内に２端子サイリスタ１とＺｎＯ焼結体
２とを直列接続して挿入し、さらに２端子サイリスタ１
の上円周面に図示形状で内部にバネ材２５を取付けてあ
るフレクシブル導線２４を固定して、しかる後に上部電
極２０に所定の圧力を加えてフレクシブル導線２４のバ
ネ材２５を押圧した後に、上部電極２０のコバール２２
とセラミツクケース１９のコバール２３とを溶接して所
望の過電圧保護素子が得られる。

このように構成される過電圧保護素子の電気的な動作を
述べると、例えば第２図の特性図より明らかなように、
２端子サイリスタの阻止特性１１−１１´に対してＺｎ
Ｏの阻止特性２２−２２’は漏れ電流が２桁〜３桁も大
きいので、常時の印加電圧ぱ２端子サイリスタが全て分
担している。

しかして何らかの原因で異常電圧が印加され、この異常
電圧の値が第２図に示すブレークオーバー電圧ＶＢＯに
達すると、先ず２端子サイリスタがブレークダウンして
導通する訳であるが、かかる状態を具体的に述べるに、
過電圧が印加されると第４図でＮベース層３の突起８，
９に狭まれた薄い部分に電界が集中する結果、この部分
につきぬけ効果を生じこの部分の漏れ電流が増加する。

この漏れ電流は通常のサイリスタのゲート点弧と同様な
現象を生じさせ、カソードであるＮ層１０、１２から電
子の注入を引き起し、この結果Ｎ層１０，１２の内側（
第４図の穴６，７）から点弧状態に移行する。

この様にして２端子サイリスタ１が点弧すると電圧はＺ
ｎＯ焼結体２側に移って、ＺｎＯ焼結体２の動作特性で
決った大きな電流を一定電圧のもとに流して過電圧のエ
ネルギーを消費せしめ、これにより第５図の電極端子間
１７、２０の電圧は一定電圧に抑制される。

この様に過電圧のエネルギーが消費され電流が減少する
と、ＺｎＯ焼結体の素子２で電流が制限され、この結果
２端子サイリスタ１も阻止状態に復帰し初期の阻止状態
となるものである。

以上の様に本発明に於てはＮＰＮＰＮ或はＰＮＰＮＰ５
層４接合の２端子サイリスタのＮ層ベースの接合面中央
部を所定幅他のＮベースよりも狭くして形成する様にし
、且つこの２端子サイリスタとＺｎＯ焼結体とを直列接
続し一体化して形成する様にしたものであるから、下記
に示す如く種々の利点を生ずるものである。

（１） 保護素子に対する過電圧印加時のサイリスタの
点弧は接合の表面でなく内部から出発するので特性が比
較的安定である。

（２） ２端子サイリスタの点弧後ぱＺｎＯ焼結体の素
子で過電流が限流され、その後端子間電圧はある所定値
に維持されるものであるから確実に過電圧のエネルギー
は抑制される。

（３） 常時印加許容電圧と過電圧抑制電圧値とが近く
、且つエネルギー耐量が大きくしかも周波数特性が良い
等の効果を奉すものであるから、小形で高性能の過電圧
保護素子が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による過電圧保護素子の回路図、第２図
はその保護素子を形成する各素子の阻止特性図、第３図
は本発明による２端子サイリスタの平面図、第４図はそ
の半裁断面図、第５図は本発明による過電圧保護素子の
半裁断面図。 １はＮＰＮＰＮ５層４接合の２端子サイリスタ、２はＺ
ｎＯ焼結体の素子、６，７は穴、１３，１４は熱補償体
、１７、２０は銅電極、１９はセラミックケース、２４
はフレクシブル導線、２５はバネ材。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 上部電極、下部電極に取付けた各コバールとセラミ
   ックケースとをそれぞれ溶接して容器を形成して、この
   容器内に５層４接合のシリコン単結晶よりなる２端子サ
   イリスタと、ブレーノダウン電圧の値が上記サイリスタ
   に比し低く、且つ酸化亜鉛焼結体よりなる非直線性抵抗
   素子とを直列接続して一体化した過電圧保護素子を挿入
   し、上記上部電極と２端子サイリスタとは、バネ材を仲
   介としてフレクシプル銅線で接続したことを特徴とする
   過電圧保護素子。