JPS5858819B2 - Hikariketsugo handoutaisouchi - Google Patents

Hikariketsugo handoutaisouchi

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JPS5858819B2
JPS5858819B2 JP50156635A JP15663575A JPS5858819B2 JP S5858819 B2 JPS5858819 B2 JP S5858819B2 JP 50156635 A JP50156635 A JP 50156635A JP 15663575 A JP15663575 A JP 15663575A JP S5858819 B2 JPS5858819 B2 JP S5858819B2
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JP
Japan
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light
current
phototransistor
capacitor
layer
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JP50156635A
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Japanese (ja)
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Inventor
征一 大島
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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  • Photo Coupler, Interrupter, Optical-To-Optical Conversion Devices (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は発光素子と三層以上の構造を有する受光素子
とが同一のパッケージ内に組み込まれ、入力側の発光素
子により光信号が出力側の受光素子に伝達されて信号変
換される光結合半導体装置の改良に関するものである。
[Detailed Description of the Invention] The present invention includes a light-emitting element and a light-receiving element having a structure of three or more layers, which are incorporated into the same package, and an optical signal is transmitted by the light-emitting element on the input side to the light-receiving element on the output side. This invention relates to improvements in optically coupled semiconductor devices that convert signals.

光結合半導体装置すなわちフォトカプラは光を媒体とす
る回路構成のため、次に説明するような多くの特長があ
る。
Since an optically coupled semiconductor device, that is, a photocoupler has a circuit configuration that uses light as a medium, it has many features as described below.

(1)入力側と出力側は電気的に完全に分離されている
(1) The input side and output side are completely electrically separated.

(2)信号は光を媒体としているので、出力側のノイズ
サージ電圧等が入力側に帰還されることはない。
(2) Since the signal uses light as a medium, noise surge voltages and the like on the output side are not fed back to the input side.

(3)半導体で構成されるので、信頼性が高く固体であ
るので長寿命である。
(3) Since it is made of semiconductor, it is highly reliable and has a long life since it is solid.

等々であり、ノイズに弱いIC回路と、ノイズやサージ
電圧を発生するパワー回路との間の信号伝達素子として
各種用途に使用されはじめた。
etc., and it has begun to be used for various purposes as a signal transmission element between IC circuits that are susceptible to noise and power circuits that generate noise and surge voltage.

以下、説明の便宜のため受光素子がホトトランジスタで
ある場合について説明する。
Hereinafter, for convenience of explanation, a case where the light receiving element is a phototransistor will be described.

第1図はこのようなホトカプラを用いた一応用回路例を
示しており、図中1は交流電源、2は開閉器、3は負荷
、4はサイリスタ、5はトランジスタ、6はホトトラン
ジスタ、7は発光ダイオードで、このホトトランジスタ
6と発光ダイオード7によってホトカプラ8を形成して
いる。
Figure 1 shows an example of an applied circuit using such a photocoupler, in which 1 is an AC power supply, 2 is a switch, 3 is a load, 4 is a thyristor, 5 is a transistor, 6 is a phototransistor, and 7 is a light emitting diode, and the phototransistor 6 and the light emitting diode 7 form a photocoupler 8.

9元11は抵抗器、12はスイッチ、13はトランス、
14は単相全波整流器、18はダイオードである。
9 elements 11 is a resistor, 12 is a switch, 13 is a transformer,
14 is a single-phase full-wave rectifier, and 18 is a diode.

この回路の動作は開閉器2が投入されていると、トラン
ス13、単相全波整流器14によって直流電圧を作り、
スイッチ12を投入すると発光ダイオード7に電流を流
してこれを発光させる。
The operation of this circuit is that when the switch 2 is turned on, a DC voltage is created by the transformer 13 and the single-phase full-wave rectifier 14.
When the switch 12 is turned on, current flows through the light emitting diode 7, causing it to emit light.

従ってホトトランジスタ6はこれを受光して導通し、ト
ランジスタ5のベース回路に流れる電流をバイパスし、
トランジスタ5を非導通にすると共に、サイリスタ4の
ゲートに抵抗10を通して電流を流しサイリスタ4をタ
ーンオンする。
Therefore, the phototransistor 6 receives this light and becomes conductive, bypassing the current flowing to the base circuit of the transistor 5.
The transistor 5 is made non-conductive, and current is passed through the resistor 10 to the gate of the thyristor 4 to turn on the thyristor 4.

この結果交流電源1から負荷3に電流が流れる。As a result, current flows from the AC power supply 1 to the load 3.

一方、スイッチ12が投入されないときは発光ダイオー
ド7に電流が流れないためにホトトランジスタ6は非導
通状態であり、従ってトランジスタ5は導通し、サイリ
スタ4にはゲート電流が流れずサイリスタ4はオンしな
い。
On the other hand, when the switch 12 is not turned on, no current flows through the light emitting diode 7, so the phototransistor 6 is in a non-conductive state, so the transistor 5 is conductive, and no gate current flows through the thyristor 4, so the thyristor 4 is not turned on. .

このようにスイッチ12のオンオフに応動して負荷3に
電流が流れるものである。
In this way, current flows through the load 3 in response to the on/off of the switch 12.

しかるにこのような回路例において、上記ホトカプラ8
の動作が完全でなく特に前記特長1,2において問題が
あることが分った。
However, in such a circuit example, the photocoupler 8
It has been found that the operation is not perfect, and there are problems particularly with features 1 and 2.

すなわち入力側と出力側は電気的に絶縁されていると考
えるのは早計であるに至った。
In other words, it has come to be premature to think that the input side and output side are electrically isolated.

入力側の発光素子と出力側の受光素子はある間隔を保っ
て対向されるように配置され、その間には透明なエポキ
シ樹脂などがはさまれているのが一般的構造である。
In general, the light emitting element on the input side and the light receiving element on the output side are arranged to face each other with a certain distance between them, and a transparent epoxy resin or the like is sandwiched between them.

従って入出力間にはエポキシ樹脂を誘電体とするコンデ
ンサを形成しているがこのコンデンサが電気的完全分離
を阻害しており、IPF程度のコンデンサの量でも問題
があることが判った。
Therefore, although a capacitor using epoxy resin as a dielectric material is formed between the input and output, this capacitor obstructs complete electrical isolation, and it has been found that even the amount of capacitor equivalent to that of an IPF poses a problem.

これは第1図において交流側電圧が端子15. 16か
らトランス13、整流期14を介して信号回路に端子1
6と17間即ちホトカプラ8の入出力間に交流電源1の
電圧が加わることが原因している。
This means that in FIG. 1, the AC side voltage is at terminal 15. 16 to terminal 1 to the signal circuit via transformer 13 and rectifier 14.
This is caused by the voltage of the AC power supply 1 being applied between 6 and 17, that is, between the input and output of the photocoupler 8.

すなわちホトカプラの入出力間の容量がIPFであると
すると、50H2のときのインピーダンスを計算すると
約3000MΩとなる。
That is, assuming that the capacitance between the input and output of the photocoupler is IPF, the impedance at 50H2 is calculated to be about 3000MΩ.

トランスの絶縁抵抗は100MΩ以下が殆んどであり、
3000MΩに比べ無視できる値である。
The insulation resistance of most transformers is 100MΩ or less,
This is a negligible value compared to 3000MΩ.

従って交流電源1の電圧が端子17と16に加わったこ
とになり、スイッチ12が投入されなくても端子17の
1線が発光ダイオード7に接続されているので、入出力
間には電圧が加わっていることになる。
Therefore, the voltage of AC power supply 1 is applied to terminals 17 and 16, and even if switch 12 is not turned on, one line of terminal 17 is connected to light emitting diode 7, so voltage is applied between input and output. This means that

交流電圧によって、この電圧位相より90℃進んだ充電
電流が流れ、交流電圧が高くなればなる程、この電流は
大きくなる。
Due to the alternating current voltage, a charging current that is 90 degrees ahead of this voltage phase flows, and the higher the alternating voltage, the larger this current becomes.

光による信号電流とこの充電電流の比が充分大きいと問
題ないが、比が少ないと誤動作の原因となってくる。
If the ratio of the signal current due to light to this charging current is sufficiently large, there will be no problem, but if the ratio is small, it may cause malfunction.

ホトカプラの入出力間の容量がIPF程度であれば交流
電源1の電圧に対してはそれほど問題になることはない
If the capacitance between the input and output of the photocoupler is on the order of IPF, the voltage of the AC power supply 1 will not be much of a problem.

しかし、交流電源1には、これが電力回路であるために
他の電気回路が接続されており、他の開閉器とか、サイ
リスタがスイッチするときのサージ電圧が常にのってい
るものと見なければならない。
However, since this is a power circuit, other electric circuits are connected to the AC power supply 1, and the surge voltage generated when other switches or thyristors switch is always present. It won't happen.

そのサージ電圧の立上り上昇率dv/dtは非常に大き
く1000v/μs〜100V/μs程度になり、これ
がホトカプラの入出力間にも加わるとみなければならな
い。
The rise rate dv/dt of the surge voltage is very large, approximately 1000 V/μs to 100 V/μs, and it must be considered that this is also applied between the input and output of the photocoupler.

急峻な電圧がコンデンサに加わると、それに流れる電流
も大きくなり、正規の信号電流と同じ程度の大きさにな
ってホトトランジスタのベースに流れ込むため、ホトト
ランジスタの直流増巾率によって増巾された電流がコレ
クタに流れ、ホトトランジスタは動作し、サイリスタは
誤動作することになる。
When a steep voltage is applied to the capacitor, the current that flows through it also increases, becoming about the same size as the normal signal current and flowing into the base of the phototransistor, so the current is amplified by the phototransistor's DC amplification factor. flows into the collector, the phototransistor operates, and the thyristor malfunctions.

第2図は従来のホトトランジスタ6の構造を示す図であ
る。
FIG. 2 is a diagram showing the structure of a conventional phototransistor 6. As shown in FIG.

これはNonN+構造としたウェハー19上にベース層
となる4層20を選択拡散によって作り、更に4層20
上にエミッタとなるN層21を選択拡散によって作る。
This is done by forming four layers 20 as a base layer on a wafer 19 with a NonN+ structure by selective diffusion, and then four layers 20 as a base layer.
An N layer 21 serving as an emitter is formed thereon by selective diffusion.

22は表面保護用としての酸化膜であり、一般にSiO
2などである。
22 is an oxide film for surface protection, generally SiO
2 etc.

23はアルミ電極である。23 is an aluminum electrode.

24は入射してくる光りの反射を防ぐ反射防止膜である
24 is an antireflection film that prevents reflection of incident light.

入射してくる光信号りは4層20及びN層19に達しベ
ース電流として寄与する。
The incident optical signal reaches the fourth layer 20 and the N layer 19 and contributes as a base current.

一方、対面する発光ダイオードとの間に前述したように
コンデンサがあるが、そのコンデンサ電流は殆んど4層
20に流れ込み、これがベース電流となって増巾されて
誤動作の原因となる。
On the other hand, as mentioned above, there is a capacitor between the facing light emitting diode, and most of the capacitor current flows into the fourth layer 20, and this becomes a base current and is amplified, causing malfunction.

このように上記ホトトランジスタの直流増巾率が高けれ
ば高いほどIPF程度のコンデンサでも電力回路と結合
する場合は問題となってくるものである。
As described above, the higher the DC amplification factor of the phototransistor, the more problems arise when even a capacitor of the size of an IPF is coupled to a power circuit.

このためコンデンサの値を更に小さくするように発光ダ
イオードとホトトランジスタ間の距離を大きくしたり、
対向面積を小さくすることが考えられるが交換効率が小
さくなるので得策でない。
For this reason, the distance between the light emitting diode and the phototransistor must be increased to further reduce the value of the capacitor.
Although it is possible to reduce the facing area, it is not a good idea because the exchange efficiency will be reduced.

本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、このコンデ
ンサの容量はそのままとし、3層以上の構造を有する受
光素子において、その受光面であるベース層又はゲート
層上に光透過性の絶縁層を形成し、該絶縁層上に光透過
性の導電性シールド膜を形成してこれをエミッタ電極又
はカソード電極に接続することにより、上記コンデンサ
電流を上記ベース層又はゲート層に流さずエミッタ電極
又はカソード電極にバイパスすることができ、該受光素
子の誤動作を解消することができる光結合半導体装置を
提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of this point, and in a light-receiving element having a structure of three or more layers, the capacitance of the capacitor remains unchanged, and a light-transmitting insulating layer is provided on the base layer or gate layer, which is the light-receiving surface. By forming a light-transmitting conductive shield film on the insulating layer and connecting it to the emitter electrode or cathode electrode, the capacitor current does not flow to the base layer or gate layer and the emitter electrode or It is an object of the present invention to provide an optically coupled semiconductor device that can bypass the cathode electrode and eliminate malfunctions of the light receiving element.

第3図は本発明の一実施例を示すホトトランジスタの構
造図である。
FIG. 3 is a structural diagram of a phototransistor showing an embodiment of the present invention.

これはコンデンサ電流を全てP型ベース層20に入るま
でに、エミッタに流してしまうようにすればトランジス
タ作用をせず誤動作の原因にならないことに着目し、こ
のために光信号りは通すれどもコンデンサ電流はエミッ
タ電極23にバイパスさせる作用をする金属層25をP
層上に配置するようにしたものである。
This is based on the idea that if all the capacitor current is allowed to flow to the emitter before it enters the P-type base layer 20, it will not act as a transistor and will not cause malfunctions. The capacitor current passes through the metal layer 25 which acts to bypass the emitter electrode 23.
It is arranged in layers.

即ち、図において先ずP型ベース層20上には4層20
とN層21とが電気的に短絡されないように、酸化膜2
2例えばSiO2とかガラス等でおおう。
That is, in the figure, first, four layers 20 are formed on the P-type base layer 20.
The oxide film 2 is
2. For example, cover with SiO2 or glass.

このSiO2あるいはガラス等は光は十分通すことがで
きる。
This SiO2 or glass can sufficiently transmit light.

そしてその上に金、ニッケル、アルミニウム等金属ある
いはシリコン等の半導体からなるシールド膜25を設け
、エミッタ電極23と接続あるいは一体としておけば、
流れ込むコンデンサ電流icは全てこのシールド膜25
で捕えられ全てエミッタ23へ流れてしまう。
Then, if a shield film 25 made of a metal such as gold, nickel, or aluminum or a semiconductor such as silicon is provided thereon and connected or integrated with the emitter electrode 23,
All of the capacitor current IC that flows into this shield film 25
All of the light is captured by the emitter 23 and flows to the emitter 23.

このシールド膜25は真空蒸着、スパッタリングあるい
は無電線メッキによって容易に作ることができる。
This shield film 25 can be easily made by vacuum deposition, sputtering, or wireless plating.

このシールド膜3の膜厚が厚ければ光をも遮断するが、
非常に薄い場合例えば数μm以下のような場合には光を
も十分透過することが可能である。
If the thickness of this shield film 3 is thick, it will also block light, but
If it is very thin, for example, several micrometers or less, it is possible to sufficiently transmit light.

また、このシールド膜25は全面に設ける必要はなく、
2層20上に格子状その他のパターンを有するように設
けてもよい。
Furthermore, it is not necessary to provide this shield film 25 over the entire surface;
The two layers 20 may be provided in a grid-like or other pattern.

またシリコンは光を透過する性質があるので、このシー
ルド膜としては最適である。
Furthermore, since silicon has the property of transmitting light, it is most suitable for this shield film.

このようにシールド膜25の厚みを十分薄く構成するこ
とによって光信号は吸収されることなく、コンデンサ電
流のみとらえることができるものである。
By making the shield film 25 sufficiently thin in this way, only the capacitor current can be captured without absorbing optical signals.

上記実施例はホトトランジスタについて説明したが、こ
の発明はこれに限られることなく他の受光素子例えば光
サイリスタ、光道導通サイリスタ、光トライアック、F
ET等全てに適用できるものである。
Although the above embodiment describes a phototransistor, the present invention is not limited thereto, and can be applied to other light receiving elements such as an optical thyristor, an optical conduction thyristor, an optical triac, an F
This can be applied to all ET etc.

第4図は光サイリスタに実施した場合の構造図であり、
この場合シールド膜25はカソード電極Kに電気的に接
続されている。
Figure 4 is a structural diagram when implemented in an optical thyristor.
In this case, the shield film 25 is electrically connected to the cathode electrode K.

以上のように、本発明に係る光結合半導体装置によれば
、その受光面であるベース層又はゲート層上に光透過性
の絶縁膜を形成し、該絶縁層」二に光透過性の導電性シ
ールド膜を形成してこれをエミッタ電極又はカソード電
極に接続したので、発光素子と受光素子間のエポキシ樹
脂等によって形成されるコンデンサの電流を、」二記ベ
ース層又はゲート層に流さず、エミッタ電極又はカソー
ド電極にバイパスすることができ、該受光素子の誤動作
を解消することができる。
As described above, according to the optically coupled semiconductor device according to the present invention, a light-transmitting insulating film is formed on the base layer or gate layer that is the light-receiving surface, and the insulating layer is provided with a light-transmitting conductive film. Since a magnetic shielding film is formed and connected to the emitter electrode or cathode electrode, the current of the capacitor formed by the epoxy resin between the light emitting element and the light receiving element does not flow to the base layer or gate layer as described in 2. It can be bypassed to the emitter electrode or the cathode electrode, and malfunctions of the light receiving element can be eliminated.

また光信号電流とコンデンサ電流の分離がうまく行なえ
るために、フォトトランジスタの増巾率を大きくし、ホ
トカプラの変換効率を高くすることも可能となる効果を
有する。
Furthermore, since the optical signal current and the capacitor current can be separated well, it has the effect of increasing the amplification rate of the phototransistor and increasing the conversion efficiency of the photocoupler.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はホトカプラを用いた固体リレー回路の一例を示
す回路図、第2図は上記ホトカプラの受光素子として用
いられる従来のホトトランジスタ構造断面図、第3図は
本発明の一実施例を示すホトトランジスタ構造断面図、
第4図は光サイリスタに本発明を実施した構造断面図で
ある。 図中同一符号は同−又は相当部分を示している。 図において6はホトトランジスタ、7は発光ダイオード
、9は半導体基板、22は光透過性絶縁膜、25はシー
ルド膜、Lは光信号である。
Fig. 1 is a circuit diagram showing an example of a solid state relay circuit using a photocoupler, Fig. 2 is a cross-sectional view of a conventional phototransistor structure used as a light receiving element of the photocoupler, and Fig. 3 shows an embodiment of the present invention. Phototransistor structure cross section,
FIG. 4 is a structural sectional view of an optical thyristor in which the present invention is implemented. The same reference numerals in the figures indicate the same or corresponding parts. In the figure, 6 is a phototransistor, 7 is a light emitting diode, 9 is a semiconductor substrate, 22 is a light-transmitting insulating film, 25 is a shield film, and L is an optical signal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 発光素子とこの発光素子からの光を受ける3層以上
の構造を有する受光素子とが同一パッケージ内に組み込
まれた光結合半導体装置において、上記受光素子が、そ
の受光面であるベース層又はゲート層上に形成された光
透過性の絶縁層と、該絶縁層上に形成されエミッタ電極
又はカソード電極に接続された光透過性の導電性シール
ド膜とを有するものであることを特徴とする光結合半導
体装置。
1. In an optically coupled semiconductor device in which a light-emitting element and a light-receiving element having a structure of three or more layers that receives light from the light-emitting element are incorporated in the same package, the light-receiving element has a base layer or a gate that is its light-receiving surface. A light-transmissive insulating layer formed on a layer, and a light-transparent conductive shield film formed on the insulating layer and connected to an emitter electrode or a cathode electrode. Combined semiconductor device.
JP50156635A 1975-12-26 1975-12-26 Hikariketsugo handoutaisouchi Expired JPS5858819B2 (en)

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