JPS5945232B2 - 光駆動型半導体制御整流装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光駆動型半導体制御整流装置（サイリスタ）に
係り、特に、過電圧印加時に自己保護作用が働く構造を
有する光駆動型半導体制御整流装置（サイリスタ）に関
する。

光の照射により順方向阻止状態から導通状態にスイッチ
する機能を有する光駆動型サイリスタは・ 通常の電気
ゲート式サイリスタと同様に、少くともｐｎｐｎの４層
と該４層の両外側層にオーミック接触した一対の主電極
とから構成される。

このような光駆動型サイリスタは電気ゲート式サイリス
タと比較して（１）主回路とゲート回路とを電気的にｊ
絶縁できるため、ゲート回路を簡単にできる、（２）
電磁誘導によるノイズに対して強い、などの利点がある
。このため、最近これらの利点をもつとも良く発揮でき
る高圧直流送電用としての光駆動型サイリスタの開発が
急速に進んでいる。

ここで問題となるものの一つに、特に多数個直列接続さ
れた光駆動型サイリスタに順過電圧が印加された場合の
サイリスタ自体の保護の問題がある。第１図に光駆動型
サイリスタを複数個直列接続した半導体制御整流装置の
回路を示す従来例、第２図に過電圧印加時の光駆動型サ
イリスタおよび過電圧保護素子の電流一電圧特性例を示
す。

第１図において１は光駆動型サイリスタ、２はサイリス
タを光点弧させるための発光素子、３は発光素子からの
光を導く光フアイバ、４は過電圧印加時にスイツチする
例えばＰｎｐ構造の過電圧保護素子、５は抵抗５１．容
量５２からなるＲＣスナッバである。サイリスタ１を点
弧させるには、発光素子２からの光制御信号を光フアイ
バ３を通してサイリスタ１の受光部一すなわち、光ゲー
ト領域に与える。

アノードＡ−カソードＫ間に順過電圧が印加されたとき
には、第２図におけるサイリスタ１のブレークオーバ電
圧ＶＢＯ（ＴＨＹ）より低い電圧ＶＢＯ（Ｚ）でブレー
クオーバする過電圧保護素子４がまず導通状態になり、
サイリスタ１には過電圧が印加されないようにしてある
。しかし、ＶＢＯ（Ｚ）をあまり低く設定すると、通常
時での装置全体の阻止電圧が低くなつて得策ではないの
で、ＶＢＯ（ＴＨＹ）とＶＢＯ（Ｚ）はかなり近い値に
設定される。

この場合、順過電圧がかかる時間が短かい場合には、瞬
時ではあるがサイリスタ１に順過電圧がかかる恐れがあ
る。電気ゲート方式のサイリスタと異なる点は、サイリ
スタの外部の保護装置と結線し、過電圧印加時にサイリ
スタを強制点弧するためのゲート端子がないため、素子
が多数個直列接続されている場合には、サイリスタ内部
に局所的に点弧し易い部分があると、そこに流れるＲ，
．Ｃスナッバからの放電電流が大きくなつて、サイリス
タが破壊する危険があることである。一方、上記の従来
例の欠点を改善したものとして、第３図に示した従来例
がある。

６は定電圧素子（例えばツエナーダイオードやアバラン
シユッエナーダイオード）で、その単体としての動作電
圧が低い場合には同一素子を直列接続して動作電圧を上
げることができる。

７は通常のダイオード、８は発光素子例えば発光ダイオ
ードである。

かかる構成において、Ａ−Ｋ間に定電圧素子６の動作電
圧を越える順過電圧が印加された場合には、発光素子８
に電流が流れ、光信号パルスが光駆動型サイリスタに与
えられ、これによつて光駆動型サイリスタは点弧する。
これによつて、光駆動型サイリスタは破壊する危険から
まぬがれる。なお、ダイオード７は、光駆動型サイリス
タ１に逆電圧が印加されたときに、発光ダイオード８に
大きな電圧がかからないように保護するために設けてあ
る。かかる従来例では以下のような欠点がある。

すなわち、光駆動型サイリスタを通常時に光点弧させる
手段（発光素子２および光フアイバ３）と過電圧印加時
に光点弧させる手段（発光素子８および光フアイバ９）
の両方を設ける必要があり、サイリスタ本体と光フアイ
バの結合、光フアイバと外囲器の結合等、光駆動型サイ
リスタの受光部および外囲器構造も複雑となり、生産コ
ストが高くつく等の問題があり、実用的でない。本発明
の目的は、上記した従来技術の欠点をなくし、過電圧発
生時に光駆動型サイリスタが破壊するのを防止すると共
に、通常時の光点弧感度を向上させた光駆動型半導体制
御整流装置を提供するにある。

本発明は、Ｐｎｐｎの４層よりなり、陽極領域、陰極領
域および点弧用光が照射される光ゲート領域を持つ光駆
動型サイリスタにおいて、前記光ゲート領域表面の一部
分に、前記陰極領域から実質的に隔離され、かつ実質的
に光ゲート領域の面積が損なわれない程度の領域を占め
る電極手段を設け、該電極手段を光駆動型サイリスタの
外部の過電圧保護回路の一端に接続し、該過電圧保護回
路の他端は前記陽極領域に接続させることにより、過電
圧印加時のサイリスタ素子の点弧を促進してその破壊を
防止すると共に、通常の光点弧時は、光ゲート領域に発
生した光電流を該電極手段に集中し、有効な点弧電流と
することによつて光点弧感度を向土させたことを特徴と
する。

以下本発明の特徴とするところを具体的な実施例により
詳細に説明する。

第４，５図は本発明による光駆動型サイリスタの実施例
を示す平面図および縦断面図である。半導体基体１は一
対の主表面１１，１２間に連続して配置されたｐエミッ
タ層ＰＥｌｎベース層ＮＢＳｐベース層ＰＢおよびｎエ
ミッタ層ＮＥの４層から構成される。ＰＢ層はＮＥ層に
散在した短絡孔１３により一方の主表面１２に露出し、
その部分でＮＥ層とＰＢ層とはカソード電極１４によつ
て短絡されている。１５はアノード電極、３０は光点弧
用光フアイバ、１４０は補助サイリスタａのカソード電
極、２は光点弧用光源である発光ダイオード、２００は
通常のダイオード、３００は光ゲート（受光部）領域に
設けられた受光部電極である。

かかる光駆動型サイリスタを点弧するには、発光ダイオ
ード２からの光制御信号を光フアイバ３０を通じてサイ
リスタの受光部である補助サイリスタ（第５図のａ領域
）のＮＥ層に照射すれば良い。

光制御信号を受けたことによつて、補助サイリスタのＰ
Ｅ，ｎＢ，ｐＢの各層に電子あるいは正孔が発生し、こ
れに起因する光電流がＰＢ層内を横方向に流れてカソー
ド電極１４０に到達する。この電流によつてＰＢ層内に
生じる電圧降下が、ＰＢ層のポテンシャルの或る臨界値
を局部的に越えると点弧が開始し、補助サイリスタがオ
ン状態になる。以後は電気ゲート式における増幅ゲート
と同様の機構で主サイリスタ（第５図のｂ領域）が点弧
する。ここで光ゲート（受光部）領域に設けられた電極
３００は発生した光電流を集中させる作翔をする。

一般にｎエミツタ層ＮＥは不純物濃度が高く、光の吸収
係数が大きいため、ＮＥ表面から光を入射する方法は適
当ではない。そこで、第５図に示したようにｐベース層
ＰＢに光照射する方法が採用されている。一方、高耐圧
のサイリスタではＰＢ層の不純物濃度を低くしてあるた
め、ＰＢ層の抵抗は高くなる。

したがつて、ＰＢ層内に発生した、主に正孔による光電
流は受光部のＰＢ層による抵抗を通つてＮＥ層の直下の
ＰＢ層部分を流れる。点弧に有効な電流を考慮する場合
に、受光部のＰＢ層における電圧降下は点弧には寄与し
ないため、この部分での電圧降下は小さい方が良い。本
実施例のように、光ゲート（受光部）領域に電極３００
を設けておき、受光部内で発生した光電流を一旦電極３
００に集中させてから、補助サイリスタのＮＥ直下のＰ
Ｂ層に流すようにするこノとにより、受光部内のＰＢ層
における無駄な電圧降下を少なくすることができる。

一方、過電圧が印加された場合には、保護装置４からの
電流が電極３００を通るので、通常の電気ゲート式サイ
リスタのｐゲートとして働くことになり、サイリスタが
局部的に破壊するのを防ぐことができる。

ダイオード２００は、通常の光点弧のときに、発生した
光電流が電極３００を通つて過電圧保護回路に流れ、光
点弧感度が低下するのを防ぐために設けてある。

したがつて、過電圧保護回路自体が上記の方向に電流が
流れるのを防ぐ機能を持つたものであれば、あるいは光
電流が実質的に過電圧保護回路に流れない程度であれば
、ダイオード２００を設ける必要はない。第６図は本発
明の他の実施例である。

第１の実施例と異なる点は、主サイリスタの周辺にも順
過電圧印加時に主サイリスタを点弧させるゲート電極３
０１を設け、過電圧保護回路の一端と該ゲート電極３０
１との間にダイオード４００を接続したことである。ゲ
ート電極３０１を設けたことにより、順過電圧印加時に
光補助サイリスタと主サイリスタの周辺との両方から同
時に点弧が開始するため、それだけ広い面積で点弧でき
、電流集中によるサイリスタの破壊をさらに防止できる
効果がある。またダイオード４００は、通常の順電圧で
しかもＤｖ／Ｄｔが大きい場合に、主サイリスタ周辺で
発生した変位電流による電流成分が、該ゲート電極３０
１→ダイオード２００→受光部電極３００を通つて光補
助サイリスタのＮＥ直下のｐベースＰＢに流れ込み、光
補助サイリスタが誤点弧するのを防止するのに有効であ
る。以上に図示説明した実施例では増幅ゲート形のサイ
リスタの例を示したが、本発明はこれに限られるもので
はなく、補助サイリスタを有しないサイリスタ構造のも
のにも適用できるものであり、この場合も何ら本発明の
効果を損うものではない。

光駆動型サイリスタを直流送電変換用に採用する場合に
は、多数個を直列接続して用いることが多いため、過電
圧保護は変換装置全体の信頼性の点から重要であり、本
発明の構造の光駆動型半導体制御整流装置を用いると、
過電圧印加時には確実に保護できるので極めて有効であ
る。同時に受光部の一部分に過電圧保護用電極手段を設
けているため受光部領域に発生した光電流は他に離散す
ることなく該電極手段に集められ、通常の光点弧時には
有効な点弧電流となり、光点弧感度を向土させることが
できる。このように本発明になる電極手段は通常時と過
電圧印加時の両方に有効なものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は光駆動型サイリスタの回路を示す従来例、第２
図は過電圧印加時の電流一電圧特性、第３図は他の従来
例を示す等価回路図、第４図、第５図は本発明の１実施
例を示す平面図および縦断面図、第６図は本発明装置の
他の実施例を示す縦断面図である。 １・・・・・・サイリスタ、２・・・・・・点弧用光源
、４・・・・・・過電圧保護素子、１４・・・・・・カ
ソード電極、１５・・・・・・アノード電極、３００・
・・・・・受光部電極、３０１・・・・・・ゲート電極
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 互いに隣接して、その順序に配列され、それらの間
   にｐｎ接合が形成されたｐｎｐｎの４層よりなる半導体
   基体と、前記４層の両外側層にそれぞれオーミック接触
   されたアノードおよびカソード電極と、前記４層の中間
   層の一つに点弧制御用光を照射する手段とを有する光駆
   動型半導体制御整流装置において、前記中間層の点弧制
   御用光が照射される光ゲート領域が半導体基体の一主表
   面に露出され、前記光ゲート領域の一部に、カソード電
   極およびこれとオーミック接触された外側層から離間さ
   れた受光部電極手段を設けたことを特徴とする光駆動型
   半導体制御整流装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、該受光部電極手段
   は光駆動型半導体制御整流装置の順過電圧保護回路の一
   方の端子に連結され、該順過電圧保護回路の他方の端子
   は前記陽極領域に連結されており、順過電圧印加時に光
   駆動型半導体制御整流装置を電気的に強制点弧すると同
   時に、光ゲート領域に光が入射された時には、前記光ゲ
   ート領域に発生した光電流を該受光部電極手段に集中し
   、光駆動型半導体制御整流装置の有効な点弧電流とする
   ことを特徴とした光駆動型半導体制御整流装置。 ３ 特許請求の範囲第２項において、光ゲート領域内の
   該電極手段と、前記順過電圧保護回路の一方の端子との
   間に、該一方の端子から該電極手段に流れる方向が順方
   向になるようにダイオードを挿入したことを特徴とする
   光駆動型半導体制御整流装置。 ４ 特許請求の範囲第２または第３項において、前記光
   ゲート領域と離間した陰極領域の周辺に露出した前記４
   層の中間層のひとつに順過電圧印加時に電気ゲートとし
   て働く第２の電極手段を設け、該第２の電極手段を前記
   過電圧保護回路の一方の端子と連結したことを特徴とす
   る光駆動型半導体制御整流装置。 ５ 特許請求の範囲第４項において、前記第２の電極手
   段と前記過電圧保護回路の一方の端子との間に、該一方
   の端子から該第２の電極手段に流れる方向が順方向にな
   るようにダイオードを挿入したことを特徴とする光駆動
   型半導体制御整流装置。