JPS6064469A - 光サイリスタ - 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】 （発明の利用分野） 本発明は光サイリスタに関するものであり１特にｄｖ　
／　ｄｔ　Ｉｔ　＠を低下させることなしに、光点弧感
度を向上させることのできる元サイリスクに関するもの
である。

（発明の背景） 用１図は、従来の光サイリスターっであるエミッタ短絡
型の光点弧耐半導体制御整流装置の断面構造を示してい
る。

第１図において、半導体基体ＩＶｔは、例えばｐ型導電
性の第１エミッタ層　ｐＥｌｌ、ｎ壓導電性の第１ベー
スＮ　ｎＢ　１２　ｒ　ｐ　’Ｊｌ導電性の第２ベース
１ｉｐＢ１３．およびｎ型４′ｆｊＬ性の第２エミツタ
層ｎＦ、１４が形成される。

前記各層は、一方の主表面から他方の主表面に向ってｐ
Ｈｒ　ｎＢ　ｒ　ｐＢ　＊　ｎＢの順に積層され、各層
間Ｋ　ｐｎ接合Ｊ、〜Ｊ８が形成されている。

また、前記第２エミッタ層ｎｇ１４の一部は、光照射領
域１４Ｌとされている。

一方の主表面（図示例の下ａ面）では、ＰＦ、層１１が
アノード電極２１に低抵抗接触してＧ）る。

他力の主表面（上側面）には、ｎＦ、層１４，１４Ｌと
　ｐＢ層１３が共に露出してカソード電極２２゜２３お
よび受光部カソード電極に低抵抗接触し、これによって
Ｐｎ接合Ｊ、は短絡されでいる。

このような光サイリスタは、例えば光ファイノ（３０か
らの光３１でまず点弧する受光部サイリスクである第１
領域、受ｉ　ｆｉｌ！サイリスクの電流で点弧し、さら
に電流を増幅ぐる補助サイリスタである第２領域、およ
び補助サイリスタまでの電流で点弧する主サイリスタで
ある第３１１負域からなる。

前記の各領域のうち、第２領域は省略することもでき、
また第２領域と同等の構造を有する領域を、第１領域と
第２領域の間または第２領域と第３領域の間に増やすこ
とも可能である。

このような構造を採るのは、大電流を制御する場合、初
期点弧領域である光照射領域に大電流が集中することを
防ぎ、小電流のうちに、導通面積を補助サイリスタから
、さらに主サイリスタへと広げ、これによって、ジュー
ル熱による素子破壊を防ぐためである。

これによシ１点弧感度を、受光部サイリスタ、補助サイ
リスタ、主サイリスタのＩｌ！ｔＶｒ、高（でき、受光
部サイリスタの高感度化を図ることができる。

本発明者等によってなされた光による点弧現象に関する
研究の結果によれば、第１図に示すような、ｎＦ、層１
４Ｌ　を通して光を照射するような受光部サイリスタを
もつ光サイリスタでは、光によって発生され、ＰＨ＋層
１１　、　ｎＢ　層１．・２およびｐＢ１１１１３を逸
して主サイリスタのカソード電極２２へ流れる電流ｉｂ
のほかに、ｐＢ　層　１３と００層１４Ｌ間のＪ、接合
による太陽電池効果によって発生され、受光部カソード
電極２４を通って流れる電流ｉ、があることが分かった
。

これらの′Ｉｔ流の和（ｔ　ｂ　＋　ｉ　ｐ　）とｐ、
層１３の横方向の抵抗ＲＫよｐ・光照射領域下のｎｇｆ
ｉ・　ｐ８層間のＪ、接合に順方向の電圧（（ｉ、＋　
ｔｐ）ｘＲ）が加わる。この電圧がＪ、接合のしきい値
電圧より大きくなると、ｎ８屑１４Ｌより多晴の電子が
注入され、アノード・カソード電極間に印加された電圧
を阻止していたＪ２接合の空乏層が消滅し、光サイリス
クは点弧する。

以上のようにして、光サイリスタが点弧するときの最少
の光照射量を、ｊ＆少点弧光入力Ｐ。Ｔと呼ぶことにす
る。

ところで、第１図のような増幅ゲート構造としても、４
　ｋＶ程度の阻止電圧をもつ光サイリスクでは、最少点
弧光入力Ｐ。Ｔが５　ｍＷ程度である。

そして、光サイリスタのターンオン時間を小さくするに
は、さらに前記ＰＧＴ　の５倍以上の光量が必焚である
。

しかし、そのような大きな光量を、発光素子によって安
定して供給するのは難しく　、　ｐｏＴを小さくするこ
とが望まれている。ＰＧＴ　を小さくするには、抵抗Ｒ
を大きくい小さな（ｔ　ｂ　＋　ｉ　ｐ　）の電流でＪ
、接合がしきい値電圧に達するようにすることが考えら
れる。

しかしながら、抵抗Ｒ／ｉ−大きくすると、他の重要な
ネ子特性の１つであるｄマ／ｄｔ　耐量が低下するので
好ましくないという別の問題を生ずる。

以下に、ｄマ／ｄｔ　耐量について説明する。

第１図に示すような光サイリスタのアノード厄１ｆＩ２
１に正、カソード電極２２に負の、急峻な立ち上がりの
電圧を加えるＥ、接合Ｊ２　Ｋ　ｔｂと同じような変位
電流が流れる。

この変位電流と抵抗ＲＫよって、ｐ、［１３と、、Ｍｉ
１４が７１バイアスされる。それ故に、前記順バイアス
の値がしきい値を超えると、ｎｇ　ｌ朔１４を通して光
照射をしなくても、光サイリスタが誤点弧してしまう。

誤点弧しない電圧上昇率の限界値をｄｖ／ｄｔ　耐量と
いう。

以上まとめると、ＰＧＴを小さくするために抵抗Ｒを大
きくすると　ｄｙ　／　ｄｔ　耐量は低下するとし）う
関係、つまり”ＧＴ　とｄｖ／ｄｔ耐ｉ＆ｉま二律背反
の関係にある。そこで、ｄｖ／ｄｔ　耐量を損なうこと
なく、ＰＧＴを小さくする手段の開発が犠まれでいる。

（発明の目的） 本発明の目的は、太陽電池効果により発生する電流を制
御することにより、ｄｖ／ｄｔ　耐量を損うことなく、
ＰＧＴを低減することのできる高感度の光サイリスタを
提供することにある。

（発明の概要） 本発明の特徴は、太陽電池効果によって、光照射領域の
ｐＢ層詔よびｎ０層間に生じる電流ｌｐの流通路をせば
めることによりて、電流ｉ　の分散を防ぎ（換言すれば
・電流らを集中させ）、電流密度を大きくして最少点弧
光入力Ｐ。Ｔを小さくするための手段を具備したこと罠
ある。

次に、本発明の基本原理について、光サイリスタを例に
採って詳しく述べる。

第２図は、第１図に示した光サイリスタをカソード電極
２２〜２４の側から見た平面図である。

光照射によって２０層　１ｉ＋ｎＢ層　１２．ｐＢＢｉ
１２生じた電流ｉ、は、図に示すように・第１領域（受
光部サイリスタ領域）からカソード電極２２の短絡部に
向って放射状に、２８層１３を流れる。

一方、ｐＲ層１３およびｎ８層１４Ｌの太陽電池効果に
よって生じる電流ｔ、は、光照射領域から受光部カソー
ド電極２４の旬絡部に向って、同様に放射状に分散して
流れるが、１！極２４に到達した後は、反対に、光照射
領域に向って集中するようＫ　ｆｔｇ　Ｍ　１４　Ｌ内
を流れる。

仁の電流ｉ　を損うことなく、その″ｉｔ流密度ＪＰを
大きくすることができれば、ｐＢ　層　１３の電気伝導
率δが一定であっても、オームの法則（ｋ＝Ｊ、／δ）
Ｋより、光照射頭載とカソード電極２４の短絡部との間
における電流ｉ　による電界Ｅを太き（できる。

その結果として、この間での電圧降下を大きくでき、光
感度を向上できる。−力・ｎｉｌ記電流１ｂの流通路を
変化させなければ、！、に関係するｄｖ／ｄｔ耐量は変
化しないはずである。

上述のように、電流への流れを変えることなく、電流ｔ
　の電流密度を大きくすることができれば・ｄｖ／ｄｔ
酎脅を損耐うことなく光感度を向上することができる。

本発明は、以上の考察に基づいてなされたものである。

（発明の実施例） 第３図は、本発明の一実施例である光サイリスタの受光
部サイリスタ（すなわち、＠１領域）の拡大平面図を示
している。

受光部サイリスタのｎ８層１４ＬとｐＢＢｉ１２は、カ
ソード＊極２４により、その一部のみが短絡されている
。

さらに詳細にいえば、第１．第２図の従来例では、受光
部サイリスタのｎｇ　Ｉａ　１４　Ｌは、その輪郭（ま
たは周縁）の全部において、カソード電極２４　Ｋよっ
て蝉絡されていたが、この実施例では。

その一部のみが短絡されている。

このような構造とすることで、受光部サイリスタの電流
１．は、光照射領域から、負の電圧の印加された主サイ
リスタのカソード電極２２に向って放射状に流れるが、
太陽電池効果による電流ｉ。

は、ｐＢ　層１３内を・カソード電極２４に向って集中
するようＶＣ，流れ、さら［ｎＦ、層１４Ｌを光照射領
域に向って流れる。

その結果、ｉ　の１Ｍ、ｆｌｉ度が大きくなり、その分
だけｐＢＢｉ１２の’ｆＡｔｐＶｃよる電圧降下が大き
くなる。これにより、光照射領域干の１層１４ＬとｐＢ
１１１３を、より大きな電圧で順バイアスするので、光
感度が向上する。

一方、ｄｖ／ｄｔｔｔＪｉに関係する電流ｉｂは、その
流れが変化しないので、ｄｖ／ｄｔ向４！！Ｌを低１さ
せることはない。

本発明者らの実験によれば、この実施例によってｄｖ／
ｄｔｌＮｆｆｌを損うことなく、光感１ｙを約２０チ向
上することができた。

第４図は、本発明の他の実施例の、第３図と同様の拡大
平面図であシ、ｎ６層１４Ｌを流れるＩ’ｌｌ流ｉｐ　
の領域を制限するために、０８層１４Ｌρ−一部を除去
した構造を示している。

１１層は一般にキャリア濃度が高く、抵抗が小さいので
、ｎ、Ｈ４での電圧降下は小さい。従って、ｎＥ層１４
Ｌ　とガ層１３を順バイアスする効果も小さく、光感度
の向上に対する寄与も少ない。

しかし、第４図のような構造を採シ、電流ｉ。

の流通断面積を小さくすれば、ｎＪ傍１１．でのｌ　の
電流密度はさらに向上するので、ｎ０層１４Ｌの抵抗は
小さくとも、前記ｎＦ、層での電圧降下は大きくなる。

これにより、光感度をさらに向上することができる。こ
の場合、ｄｖ／ｄｔ耐債が低下しないのは言うまでもな
い。

第５図は・本発明のさらに他の実施例を示す、第３図と
同様の拡大平面図である。

この実施例が、第３図の実施例と異なるのは、ｎ８層１
４［、とＰＢＢｉ１２部分的に短絡するカソード＠甑２
４の数（形成個所数）をさらに増やして、これらを光照
射領域の周１■に均等に分散させた点にある。

このような構成および配置ユにより、受光部サイリスク
が点弧したときンこ、光照射置載下のｐ、ｌ音１３、ｎ
Ｉ！、層１４Ｌ、カソード＠＠２４を流れる点弧電流の
分散を良くし、第１図に示した第２領域の補助サイリス
タを、円環状のｎＨＩ？？下でほぼ同時に点弧させるこ
とができる。その債来、点弧電流の集中による雰子破限
を防ぐことができる。

４（お、カソード電極２４の汐・２増やしたことによっ
て、五　の電流密１「の低下が懸念されるが。

カソード１龜２４の短絡幅を小さくすることで電流畜度
の低下を防ぐことができる。部分的に短絡したカソード
電極２４は、その故を、図示の３１１７．１以上に、さ
らに僧やり−ことも１１丁能であることは１１つまでも
ない。

この実施列によシ、点弧時の点弧べｔ波の集中による素
子破壊を防ぎながら、ｄｖ　／　ａ　ｔ　ｎ４　＋１？
を１Ｒうことｉｔ　＜、光点弧の高ｒ１＆度化が可能で
ある。

第６図は、本発明のもう一つ別の実施例を示す、第３図
と同様の拡大平面図である。

この実施例において、受光部サイリスタのｎ層は、光照
射領域のほぼ中央部を通って横切るように形成された低
抵抗領域１４０と、それ以外の、前記領域１４０に比較
して高抵抗の領域１４１とからなっている。

そして、受光部サイリスタの前記ｎＦ、Ｍ　１４０　＊
１４１とｐＢ　層１３とは、１１層１４０，１４１の全
周でカソード電極２４により短絡されている。

この結果、ｐＢＢｉ１２は電流ｉ、が放射状に分散する
ので、その電流密度の増大は生じないが、その上側の馳
層では、前記電流ｉ、はｎＥ層１４０を主に流れるので
、電流密度が大きくなシ、光感度が向上する。

また、この実ｋｌｆＯによれば、点弧電流がカソード電
極２４で全周に分散されるので、補助サイリスタ全周で
のさらに均一な点弧が可能となる。

なお、第６図の構造に第４図の１層１４Ｌ　の一部を除
去するという考えを適用し、第６図の高抵抗ｎ８層１４
１　の、・α域を取り除くことも可能である。換言すれ
ば、第４図の実施例において、受光部サイリスタのカソ
ード電極２４を環状に形成し、光照射領域の全周を取囲
むように構成することができる。

このような構成によれば、点弧電流の集中やｄｖ／ｄｔ
ｉＩｉｔ量の低下を防ぎながら、一層の高感度化が可能
である。

なお、以上では、第１領域（受光部サイリスタ）の周囲
に、第２領域（補助サイリスク）および第３領域（主サ
イリスタ）を順次形成した光サイリスタについて述べた
が、＋８１１記・＋Ｓ　２　’＋（ｌ域は省略ｒること
もできるし、あるいは２個以上の第２領域を形成するこ
ともできることは、容易に理解されるであろう。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、太陽
電池効果による電流の、受光部サイリスタのｐＢ層およ
びｎＢ層内での流通路（断面ＭＩ）を制限することによ
って、光点領域下ｎ２層とｐＢ　層とに印加される順バ
イアスの値を大きくできるので、光サイリスタなどの高
感度化が可能である。

しかも、受光部サイリスタの周囲に形成されたサイリス
タの点弧電流の集中は防止できるので、ｄｖ／ｄｔ耐廣
の低下を惹起することもない。したがって、本発明によ
れば、光点弧感度の向上およびｄ　ｖ／ｄ　ｔ　１ｌｉ
ｔ　′１１ｔの低下防止を両立させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の増幅ゲート型光サイリスタの断面図、第
２図はｍ１図をカソード面から見た光照射領域の拡大平
面図、第３図、第４図、第５図。 第６図はそれぞれ本発明の実施例を示す、第２図と同様
の拡大平面図である。 ｌ・・・半導体基体、　１１・・・Ｉ）Ｅ層、　１２・
・・ｎ層層、　１３−ｐＢ層、　１４．１４（１＋１４
１−・ｎＥ層、２１　・・・アノード電極、２２．２３
・・・カソード電極、　２４・・・受光部カソード電１
桓、３１・・・光 代理人弁理士　平　木　道　人 汁　１　口 △ 牙２圏 ＋　３　圏 ＋　４　口

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）導電型を互いに異にする第１エミツタ領域、第１
   ベース領域、第２ベース領域および第２エミツタ領域が
   、前記順序で積層され、かつ隣接領域間にｐｎ接合が形
   成されると共に、第２エミツタ領域および第２ベース領
   域がその一方主表面に露出し・さらに、前記第２エミツ
   タ領域の一部が光照射領域とされた半導体基体と、前記
   半導体基体の他方主表面に露出する第１エミツタ領域に
   低抵抗接続されたアノード電極と、前記光照射領域を除
   く第２エミツタ領域に低抵抗接続されたカソード電極と
   、前記光照射領域内の第２エミツタ領域と第２ベース領
   域とを短絡する受光部カソード電極とを具備した光サイ
   リスタにおいて、光照射時に、光照射領域直下の第２エ
   ミツタ領域、第２ベース領域および受光部カソード′［
   ！極を閉回路として流れる電流を集中させる手段をさら
   に具備したことを特徴とする光サイリスタ。
2. （２）前記電流集中手段は、前記光照射領域内の第２エ
   ミツタ領域と第２ベース領域とを部分的に短絡する受光
   部カソード電極であることを特徴とする特許
3. （３）受光部カソード電極が、光照射領域め周りにほぼ
   均等に分散されたことを特徴とする前記特許請求の範囲
   第２項記載の光サイリスタ。
4. （４）前記電流集中手段は・光照射領域内の第２エミツ
   タ領域の一部を、残りの／■２エミッタ領域よりも高抵
   抗とする構造であることを特徴とする前記特許請求の範
   囲．Ｊ％１項記載の光サイリスタ。
5. （５）　前記電流集中手段は、光照射領域内の第２エミ
   ツタ領域の一部を、除去した構造であることを特徴とす
   る前記特許請求の範囲第１項記載の光サイリスタ。