JPS58501204A - 制御されたブレ−クオ−バ−双方向半導体スイツチ - 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】 制御されたブレークオーバー双方向半導体スイッチ本発明は第１及び第２の主表 面を有し、交互に変化する導電領域の５個の領域のスイッチング要素を含む第１ の部分ヲ有する半導体材料の基体から成る半導体スイッチングデバイスに係る。

電流を制御するためのゲート制御形双方向半導体スイッチングデバイスは、よく 知られている。特に、シリコン制御整流器の一つの形は、−主表面から他方へ、 交互に伝導形が変化する５個の領域のシリコン半導体基体刀・ら成る。ゲート又 は制御電極は、端子領域に隣接した領域に作られる。ゲート領域にトリガ電圧が 印加された時、端子領域における電圧の各極性に依存して、いずれかの方向への 伝導かり能である。

通常すぐ土で述べた双方向スイッチングデバイスは、外部源から印加される別々 のゲート電圧により、トリガされる。ある種の用途によっては、要素７高インピ ーダンスオフ状態から低インピーダンスオン状態ヘスイツチするための比較的狭 い範囲内の電圧に応答する二端子デバイスが実現できることが望ましい。

本発明に従うと、これらの問題は以下の点を特徴とする士で述べたようなスイッ チングデバイスによシ解決される。すなわち、基体の第２の部分が第１の部分と ともに集積化され、３個の双方向電圧感受性降伏要素乞食み、３個の要素の領域 の一つは、５個の要素領域の一つと共通であり、該共通領域は５個の要素領域内 のいずれかの方向の伝導乞トリガするため、ゲート要素として働く。

図面において； 第１図、第４図及び第５図は本発明に従う各種実施例の断面図、 第２図及び第３図は本発明に従うデバイス乞説明する等価回路、 第６図は本発明に従うデバイスが示す電流−電圧特性乞グラフで示す図である。

本発明の一実施例に従うと、デバイスの表面に隣接した部分中に、２個のｐｎ接 合を規定する３個の導電形のトランジスタ状の構造が形成されている。

３個の領域形状はゲート領域と５個の領域のスイッチング要素の端子領域間に接 続されるように配置される。三領域要素は三領域スイッチング要素の主端子対と ともに、外部接続される。

従って、デバイスの主端子に印加されるいずれ力）の極性の電圧は、三領域構造 の降伏電圧を越え、その中に伝導を起し、それにより三領域要素を導通状態にト リガする。

トランジスタに似た三領域構造の２個のｐｎ接合は、ツェナー形で鋭い降伏電圧 特性７示す。もう一つの特徴として、適当な間隔と不純物ドーピングで２個のｐ −１１接合が形成されると、それらはトランジスタの利得特性を示し、降伏後の 維持状態において電流７伝え、すると電流は三領域要素乞導通状態にトリ力する 。

このように、本発明に従うデバイスは、発信及び着信の両方の電話線端子ユニッ トとしての機能属特に適しており、典型的な場合約１２ないし２２ボルト以上の 範囲の動作電圧が印加された時、正確に降伏し導通状態になる。中央局７０）ら 短絡欠損が利用者の端末又は他の部分にある７１”Ｙ決定するための試験モード の一つの型において、典型的な場合１００ポルトの比較的高い電圧が、大抵抗と 直列に線に印加される。もし、線が終端ユニットとして十分であるならば、ユニ ットはオン状態にスイッチし、終端ユニット間に接続された容量−抵抗回路にエ ネルギー２与える。三領域要素の維持電流が中央局から供給される最大電流以上 ならば、容量−抵抗回路は三領域要素とともに、交互に充電及び放電乞し、試験 位置における特有の特性２示す。これは線が終端ユニットとして十分であり、従 って欠損が利用者の端末装置内にあること乞示す。

本発明の一特徴は、計算機制御下の試験電圧の特定の値乞用いた試験モードが、 デバイス位置に対し伝送線の状態を評価するために使用できるように、動作電圧 において正確に導通状態へ降伏２起すデバイスにある。

更に別の特徴は、比較的簡単な集積半導体構造を有する二端子自己トリガ要素に ある。

第１図乞参照すると、デバイス（１０）は当業者には周知のゲート制御形の双方 向性半導体スイッチングデバイスに似ているが、独立のゲート電極が形成されて いないこと及びデバイスが二端子要素として示されていることが異る。より具体 的には、デバイス（１０）は第１の主表面（１１）及び第２の主表面（１２）を 有する単結晶シリコン半導体材料の基本である。説明のため、中央線（５０）の 右側の部分は、第１の部分とよばれ、左側の部分は第２の部分と呼ばれる。第１ の部分、または主表面（１１）及び（■２）の間には、交互に導電形の変化する ５個の領域がある。第１の主表面にはｎ形導電形の第１の端子領域（１７）と、 それに隣接するｐ形導電形の口形領域（１３）が示されている。第２の主表面に は、第２の端子領域（１８）が示されている。

第１の領域は中間口形領域（１４）で、それは他の領域、特に端子口形領域、ｌ ：り低濃度にドープされている。金属薄膜電極（２１）により形成されている第 １の主端子（ＭＴＩ）は、端子領域（１７）及び隣接領域（１３）の両方に対す るオーム性接触を作っている。第２の主端子（ＭＴ　２　）は第２の端子領域（ １８）及びそれに隣接した領域（１５）に対するオーム性電極となっている。一 般に、端子（ＭＴ　２　）はデバイスの第２の主表面全体に形成される。比較的 高濃度ドープのｐ形導電領域（１６）は、基体（１０）の端部妬対する保護膜と なり、以下で十分説明するように、基体を貫く導電路を形成する。

デバイスの第１の部分は、ここ−で述べるように、領域（１３）に対する適当な トリガ入力が印加された時、対称又は双方向スイッチングデバイスを構成する。

周知のように、この場合適当な源から領域（１３）への電子の注入により、電流 が生じ、それは主端子（ＭＴＩ）及び（ＭＴ２）間に印加された電圧とともＫ、 領域（１３）及び（１４）間、（１４）及び（１５）間のｐｎ接合を、デバイス の第１の部分２貫く伝導が可能となるのに十分なまで、順方向バイアスする。導 電の方向は主端子に印加された電圧の極性に依存し、（ＭＴＩ）刀Ｓら口形領域 （１３）、口形領域（１４）、口形領域（１５）、口形領域（１８）乞貫き端子 （ＭＴ２）に達するか、あるいは（ＭＴＩ）から口形領域（１７）、口形領域（ １３）、口形領域（１４）、口形領域（１５）及び端子（ＭＴ２）に達する。従 って、一端子領域に隣接したゲート領域に印加されたトリガ電圧により、ターン ・オンしｆＣＣ領領域デバイス中いずれかの方向への導電が可能となる。

本発明に従うと、基体の第２の部分とよばれる中央線の左側の構造により、トリ ガ動作が行われる。

この第２の部分には、一対のＰＮ接合乞規定する導電形が交互に変化した３個の 別々の領域（１３，１９）及び（２０）がある。三領域中の一つは、ｐ形導電領 域（１３）で、第１の基体部分にも共通である。

口形領域（１３）中に、それにより全体が囲まれた口形領域（１９）があり、同 様に、領域（１９）内にはそれに全体が囲まれた。影領域（２０）がある。

ｐｎｐ構造の各領域は、それぞれ第１の主表面（１１）と一致する共通の表面を もつ。

相互接続要素（２３）は典型的な場合金属薄膜であり、口形領域（２０）及び高 濃度ドープｐ形包囲領域（１６）と、オーム性接触乞なす。要素（２３）は誘電 体薄膜（２４）により、基体の他の部分から絶縁されている。先に述べたように 、領域（１６）は第２の主表面と共通の表面２有し、金属薄膜（２２）により構 成される第２の主端子と接触する。

従って、ｐ影領域（２０）は（ＭＴ２）に直接接続される。一連の領域（２０’ 、１９）及び（１３）により規定されるｐｎ接合は、ツェナー形の降伏ダイオー ドとして機能するよう作られる。そのためいずれかの極性の特定の電圧が印加さ れると、接合対の逆バイアスされたいずれ力・が降伏を起し、それによってｐｎ ｐ構造を貫く伝導が起る。（ＭＴＩ）が直接、影領域（１３）に接続され、（Ｍ Ｔ２）が直接ｐ影領域（２０）に接続される限り、電圧は（ＭＴＩ）と（ＭＴ２ ）間にかかる。

第１図のデバイスに等価な回路が、第２及び３図に示されている。第２図におい て、記号（２５）はＴＲＩＡＣ型のゲート制御半導体スイッチを表し、主端子（ ＭＴｉ）及び（ＭＴ２　’）’ｌ有し、デバイス（２５）のゲート刀１ら（ＭＴ ２）に接続された相対する極性のツェナーダイオード（２６）及び（２７）を貫 くゲート接続２有する。第３図を参照すると、ツェナーダイオードの対が双方向 半導体スイッチ（２８）のトリガ回路に接続され７ｖｐｎｐ）ランジスタ（２９ ）として示されている。よシ具体的には、トランジスタ機能は実効的にトランジ スタのベース領域として機能するｎ形伝導領域（１９）に、適渦な間隔２作るこ とにより、実現できる。従って、本発明に従うと、密度の高い単一デバイスが実 現でき、その一部分は５個の導電影領域から成る比較的高電圧の双方向スイッチ ング要素と、第１の部分中にトリガ効果を起す精密な特性乞もつ双方向電圧感受 性降伏要素を有する。具体的には、領域（１，３，１９）及び（２０）間の接合 は、典型的には］２ないし２２ボルトの範囲の電圧で降伏し、導電性となるよう 設計される。電話線が動作する電圧は、典型的な場合約４８ボルトで、入力線と 利用者端末の間の境で、発信及び着信の両方に備えられた一対のデバイス乞降伏 させるのに十分である。したがって、デバイスは動作電圧で導電性となり、電話 サービスの通常の使用が可能になる。短絡事故が起った時、たとえば約１００ボ ルトのような比較的高い電圧ビ線に印加することにより、支障のある線がサービ ス供給側の装置内にあるか、利用者の端末にあるかを決ることができる。たとえ ば、もし短絡欠陥が保全端子ユニットに到達する前に存在するならば、線はある 形の応答７示す。もし、原因が利用者の端末にあるならば、付随した回路は半導 体デバイスとともに、異なる別の応答７示す。

第１図に示されるデバイスは、周知の半導体製作技術２用いて容易に製作され、 その技術にはマスクのためのフォトリソグラフィプロセス及びイオン注入と固体 拡散２用いた不純物導入が含まれる′。一般に用いられる型のプロセスについて は、１９７８年１月３日　Ｆ、　Ａ、　Ｄ’ＡＩｔｒｃ＋ｙらに発行された米国 特許第４，０６６．４＋８３号に述べられている。

第４図に示される実施例は、第１図の実施例の変形で、その中で第２の部分の第 １の端子領域（４０）は、中間領域（３９）内でデバイスの第１の部分から離れ る方向に埋込まれている。第４図の実施例は、それ以外は同様で、中間領域（３ ４）に沿って第１の主表面（３１）、第２の主表面（３２）、第１の部分の端子 領域（３７）及び（３８）、端子に隣接した領域（３３）及び（３５）Ｙ有する 。主端子（ＭＴＩ）は金属電極（４１）により形成され、主端子（ＭＴ２）は薄 膜電極（４２）により形成される。高濃度ドープｐ形領域（３６）は、先に述べ たように、端部保護と導電性２示す。領域（４０）Ｙ埋め込むことによって、三 領域電圧感受性要素によるトリガ動作が増す。

第５図の実施例は横方向トランジスタ構造から成る電圧感受性要素を有し、その 他の点は第１及び４図で示したものと同様である。Ｐ影領域（７１）はデバイス の第２の部分の第１の端子領域を構成する。

Ｐ影領域（７０）及び（７２）は分離して形成された領域でもよく、単一の環状 構造７１≧ら成ってもよく、一連の空間的に分離された領域でもよい。領域（７ ０）及び（７２）は第２の部分のｐ形第２端子領域の高ドープ部分乞構成する。

更に、領域（７０）及び（７２）は境界、すなわち中間領域（６９）及びｐ形第 ２端子領域（６３）間のｐ−ｎ接合及び第１の主表面（６］）に配置される。こ の実施例において、製作は正確なベース幅乞実現するという点から簡単化されて おり、ベース幅はｐ＋領領域７１）及び領域（７０−７２）間の間隙により規定 され、正確なベース幅により先に述べるように、トランジスタ電流利得と導電性 の維持が可能になる。

第６図はこの形のデバイスの電流−電圧特性７示し、その場合、いずれかの方向 の電圧２増しても、トリガン起し、その点で電圧が降下し、電圧がほとんど上昇 せず電流が増加するのに十分なほど、電流が上昇する点まで電流はほとんど増加 しない。

トリガ要素が相対する極性の単なる一対の降伏ダイオードではなく、ｐｎｐ）ラ ンジスタにより形成される実施例妬おいて、第６図に示される特性はトリガ要素 中に伝導ン起した直後、負性抵抗を示すことが期待される。すなわち、電流が増 加し始めるやいなや、原点に向って折れる。この応答は短絡故障が高抵抗の時、 双方向スイッチング要素のオン状態に達したことン確認する試験モードにおいて 、有利である。

Ｆ／θ／ １ Ｆ／に、　５ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１及び第２の主表面（１１，１２）乞有し、交互に導電形の変る領域（１ ７，１３，１４，１５゜１８）の五領域スイッチング要素ン含む第１の部分２有 する半導体拐料の基体から成る半導体スイッチングデバイスにおいて、 基体の第２の部分が含まれ、三領域要素の一つの領域（１３）は三領域要素の領 域の一つと共通であり、該共通領域は三領域要素中のいずれ力・の方向に、電導 ２起すためのゲート要素として働くこと乞特徴とする半導体スイッチングデバイ ス。 ２、請求の範囲第１１項に記載された半導体デバイスにおいて、 第１の部分は第１の主表面（１１）から第２の主表面（１２）に延び、第１の主 表面上の第１の主端子（２１）は、一方の端子領域（１７）及び一方の端子領域 に隣接した領域（１３）とオーム性接触乞なし、第２の主表面上の第２の主端子 （２２）は他方領域（１８）及び他方の端子領域に隣接した領域（１５）とオー ム性接触？なすことを更に特徴とする半導体スイッチングデバイス。 ３　請求の範囲第１項に記載された半導体デバイスにおいて、 第２の部分は交互に導電形が変化する三領域（２０，１９，１３’）から成シ、 それらの領域は、第１の主表面（１１，）と一致する共通の表面２有し、かつ第 １の端子領域（２０）、中間領域（］−９、）及び第２の端子領域（１３）刀・ ら成り、第１の端子領域は中間領域に囲まれ、中間領域は第２の端子領域に囲ま れることを更に特徴とする半導体スイッチングデバイス。 ４　請求の範囲第２項に記載された半導体デバイスにおいて、 第２の部分は交互に導電形が変化する三領域（２０，，１９，１３）から成シ、 それらの領域は、第１の主表面（１１）と一致する共通の表・面乞有し、かつ第 １の端子領域（２０）、中間領域（１９）及び第２の端子領域（■３）からなシ 、第１の端子領域は中間領域に囲まれ、中間領域は第２の端子領域に囲まれ、第 ２の部分の第２の端子領域は、第１の部分の一方の端子領域に隣接した領域と共 通であること７更に特徴とする半導体スイッチングデバイス。 ５、請求の範囲第４項に記載された半導体デバイスにおいて、 導電性手段（２３，１６）は第２の部分の第１の端子領域（２０）と第２の主表 面（１２）土の第２の主端子（２２）との間に延びることを更に特徴とする半導 体スイッチングデバイス。 ６、請求の範囲第５項に記載され７ｊ半導体デバイスにおいて、 該導電性手段は第１の主表面士の相互接続要素（２３）と第１の主表面（１１） から第２の主表面（１２）まで延びる基体中に、高導電性領域（１６）Ｙ含むこ とを更に特徴とする半導体スイッチングデバイス。 ７、請求の範囲第６項に記載された半導体デバイスにおいて、 相互接続要素は第２の部分の第１の主端子領域（２０）とオーム性接触をなすこ とを更に特徴とする半導体スイッチングデバイス。 ８、請求の範囲第７項に記載された半導体デバイスにおいて、 該高導電性領域は第２の主表面（１２）と一致する表面２有し、第２の主端子（ １２）は一致する該表面に対するオーム性接触をなすこと７更に特徴とする半導 体スイッチングデバイス。 ９、請求の範囲第４項に記載された半導体デバイスにおいて、 第２の部分の第１の端子領域（２０）は、中間領域内に配置され、それにより第 １の部分から離れる方向に囲まれることを更に特徴とする半導体スイッチングデ バイス。 １０、請求の範囲第４項に記載された半導体デバイスにおいて、 第２の部分の第２の端子領域（６３）は、第］の主表面（６１）と中間領域（６ ９）、第２の端子領域間の境界との交差部における比較的高導電性の部分（７０ ）Ｙ含むこと７更に特徴とする半導体スイッチングデバイス。