JPS61136270A

JPS61136270A - 双方向光スイツチ

Info

Publication number: JPS61136270A
Application number: JP25885884A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Naoshige Tamamushi; 玉蟲　尚茂
Original assignee: Semiconductor Research Foundation
Current assignee: Semiconductor Research Foundation
Priority date: 1984-12-06
Filing date: 1984-12-06
Publication date: 1986-06-24
Also published as: JPH0370909B2

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】［産業上の利用分野］本発明は、光で直流もしくは交流をオン・オフする双方
向光スイッチに関し、特に電話回線網における双方向の
スイッチに利用されるものである。

［従来の技術１従来半導体双方向スイッチとしてはトライアック、ゲー
テッド・ダイオード・スイッチ（Ｇａｔｅｄ　　Ｄｉｏ
ｄｅ　　３　ｗｉｔｃｈ　：以下ＧＤＳと略称する》が
ある。トライアックは交流信号を制御する半導体素子で
あり、広く応用されていることは周知である。ＧＤＳは
第１４図に示される様な構造を一例とし、交流信号の制
御のみならず直流の遮断能力を持も、大電流サージに強
い特徴を有する。第１４図において、１はポリシリコン
基板、２は絶縁層、３はπ型高抵抗層、４はｐ型拡敗領
域で、ｎ型カソード領域５を囲んでおり、６はカソード
電極、７はｎ型ゲート領域、８はゲート電極、９はｐ型
アノード領域、１０はアノード電極、１１ｔユボリシリ
コン基板用電極である。π型＾抵抗領１３内にはｎ型ゲ
ート７及びポリシリコン基板用電極１１の電位によって
空乏層が形成され、ｐ型アノードｉｉｌｌＩｉｌ！＝　
９とｐ型拡敗層４との間に電位障壁が形成ざれる。ｐ型
拡敗［１４の役割はｎ型カソード領域５とｎ型ゲート領
域７との閤のバンチスルーを防止するためである。ｎ型
カソード（５）、ｐベース（４〉、π＃ｉ（３）、ｎ型
ゲート（７）の問にｎｐπｎ接合によるバイポーラトラ
ンジスタが形成され、一方、ｐアノード（９）、ｎゲー
ト（７）、π５ｍ（３）、ｐベース（４）の間には接合
型ｐチャンネルＦＥＴが形成されている。ｎ型ゲート（
７）より電子を注入するとｎゲート（７）の直下のπ層
（３）中に形成ざれる電位障壁の高さが変化１るため、
前記ｐヂｌ・ンネルＦ　Ｅ−ｒのｐアノード《９》から
の正孔電流が伝導度変調を受けることになり、ｐベース
（４）が充電されてカソード（５）からの電子注入も引
き起こされることになる。これによってＧＤＳはターン
・オンする。ＧＤＳをターン・オフするには、ｎ型ゲー
ト領域（７）に正の電圧を印加することによってπ層（
３）中に電位ｐｊ壁を形成すればよい。即ち、ｐアノー
ド（９）からの正孔の注入が遮断され、ＧＤＳはオフす
る。第１４図に示されＧＤＳを２つ互いに並列に逆方向
に接続したものはゲート電極での交流のみならず直流の
遮断能力を持った双方向性スイッチとしての機能を持つ
という特徴を有している。この様なＧＤＳについては、
ｐ．ｗ。

３　ｈａｃｋｌｅらによって“Ａ　　５００Ｖ　　Ｍｏ
ｎｏｌｉｔｈｉｅ　　３　ｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　
　２　Ｘ　２　　Ｃ　ｒｏｓｓｐｏｉｎｔＡｒｒａｙ”
Ｐｒｏｃ．ｏｆ　　ｔｈｅ１９８０　　［ＥＥＥＩｎｔ
．Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　　Ｃｉｒｃｕｉｔｓ　　Ｃ
ｏｎｆ。

１）９．　１　７０　〜１　７１もしくはＰ．　Ｗ．　
Ｓｈａｃｋｌｅらによって“Ａ　　Ｎ　ｅＶ　　３　ｉ
ｄｉｒｅｃ目ｏｎａｌ　　Ｓｏｌｉｄ　−　Ｓ　ｔａｔ
ｌ３　　３　ｗｉｔｃｈ　　ｆｏｒ　　Ｔ　ｅｌｅｐｈ
ｏｎｅ　　Ｌｏｏｐ　　Ｐｌａｎｔ　　ＡＢｌｉｃａｔ
ｉｏｎｓ″ｐ　ｒｏｃｅｃｄｉｎｇｓｏｆ　　ｔｈｅ　
　ｒ　ＥＥＥ，　Ｖｏｌ．　６９、ＮＯ．３、Ｍａｒｃ
ｈ　　１９８１、Ｄｏ．２９２　〜２９９に：示されて
いる。

ＧＤＳはゲートで直流もしくは交流をオン・オフできる
ため、ゲート電極にバイポーラフォトトランジスタを接
続して光によるオフを行なう回路形式ら提案されている
。第１５図がその一例である。

一方、トライアックを光でυＩＩＩずる光トライアック
も提案ざれている。Ｌ　、　Ｌ　ｅｉｐｏｌｄらによっ
て’６００ｖ　／５Ａ　　ＦＥＴ−Ｔｒｉｇｇｅｒｅｄ
ｌ　ａｔｅｒａｌ　　　Ｑ　ｐｔｏ　　−Ｔ　ｒｉａｃ
″　、１−ｅｃｈ　　、　　Ｄｅ（ｌｅｇｔ　　　ｏｒ
　　　ｆＥＥＥ　　　ＩＥＤＭ　　　１９８２、ｏｐ。

２６１〜２６３には、パワーＭＯＳゲート構造による集
積化構造が示されている。しかし、トライアックは交流
の制御に用いられるらのであって、直流の遮断はできな
い。又、従来の光トリガ・光クエンチＳ１サイリスタで
は双方向の光によるオン・オフはできなかった。

［発明が解決しようとする問題点］従来の半導体双方向スイッチにおいては、直流及び交流
を光でオンし、光でオフするものは提案されていなかっ
た。即ち、トライアックでは交流を１１１１１１するも
のであって、光によるトリガ方式及び集積化デバイス構
造は提案されているが、直流信号を光で＄１１１１１１
することばできなかった。一方、ＧＤＳは直流及び交流
を双方向にスイッチすることができるが、そのスイッチ
方式としてゲートを電気的にオン・オフするものが主に
行なわれており、一部、光でオフする方式も提案されて
いるが、光だけでオンもオフもするものは提案されてい
ない。ＧＤＳを光でオンする直接トリガ方式の提案もな
されていない［発明の構成］［問題点を解決するための手段］直流及び交流を双方向でスイッチさせるために本発明で
は自己消弧型電力用半導体デバイスである所の光トリガ
・光クエンチ静電誘導サイリスタ（光トリガ・光クエン
チ８１サイリスタ）を２つ互いに逆並列に接続もしくは
ＩＩ積化された構成もしくは構造を一単位とする。光ト
リガ・光クエンチＳｌサイリスタは、直流を光だけでオ
ン・オフする機能を有するため、このサイリスタを２つ
アノードとカソードを逆並列に接続もしくは集積化され
た構成もしくは構造によって、直流及び交流を双方向で
光でオンし、光でオフする双方向光スイッチが得られる
わけである。

［作用］本発明による双方向光スイッチの構成は光トリガ・光ク
エンチＳｌサイリスタを２つアノードとカソードを逆並
列に接続したものを嬶本的には一単位としている。

光でオンする場合には、直接Ｓ１サイリスタに光照射す
る直接光トリガ方式と、Ｓｌサイリスタのゲート部分に
接続もしくは集積化接続された光感応索子（トリガ用光
感応素子）に光を照射して、８１サイリスタのゲート部
分を増幅ドライブする増幅ゲート方式がある。本発明に
よる双方向スイッチのゲートは２つのＳｌサイリスタの
ゲートを共通ゲートとしても、あるいは別々のゲートと
して別々の増幅用光感応素子５を用いてもよい。この第
１光感応素子としては静電誘導ホトトランジスタ、静電
誘導ホトサイリスタ、ホトサイリスタ、バイポーラホト
トランジスタ、ｐＩｎホトダイオード、ショットキーダ
イオード、アバランシェホトダイオード、ホ、　　トコ
ンダクタ、ヘテロ接合ホトトランジスタ、あるいは、さ
らにバイポーラホトダーリントン構成、静電誘導ホトト
ランジスタによるホトダーリントン構成、ｐｉｎ　−Ｊ
　Ｆ　Ｅ　Ｔ、　ｐｉｎ　−Ｊ　ＳＩＴ構成等々の光に
感応する素子であればよい。望ましくは、高速・高感度
なものがよい。

光でオフする場合には、８１サイリスタのゲート部分に
接続もしくは集積化された別の光感応素子（クエンチ用
光感応素子）に光を照射してＡン状態にあるＳｌサイリ
スタのゲート領域に蓄積されたキャリアを引き抜くこと
で双方向スイッチをオフすることができる。この第２の
光感応素子としても前記第１の光感応索子として述べた
ものでよい。２つの光トリガ・光クエンチＳ１サイリス
タのアノード・カソードをそれぞれ逆並列接続とするこ
とから、まず双方向性が生まれる。即ち、交流信号の制
御が可能となる。片方の８１サイリスタだけでは電気的
極性が一方向の信号のみの制御であるが、他方の８１サ
イリスタの動きによって逆方向の信号の制御もできるよ
うになる。さらに８１サイリスタ本来の性能とじての直
流遮断能力も発揮され直流成分が重畳された交流信号の
制御もできるようになる。このような双方向性のスイッ
チに際し、ゲートを電気的にオン・オフする方式に変わ
って光で制御することが周）υの１１ｊｔ［１回路と信
号スイッチ部分の電気的分離、耐雑音性、また周辺ｖ制
御回路の簡略化の点で優れている。同時に２つのサイリ
スタをスイッチオンさせる点では、光トリガ方式が優れ
ている。スイッチオフ時にはクエンチ用光感応素子への
光トリガだけでよい。

本発明による双方向光スイッチでは、直流もしくは交流
信号を双方向に光だけでスイッチオン・スイッチオフす
るという動作を行なえるわけである。本発明の構成要素
の一部である光トリガ・光クエンチＳＩサイリスタにつ
いては本発明者らによる論文、Ｊ　、　Ｎ　ｉｓｈｉｚ
ａｗａＳＴ、　Ｔａｍａｍｕｓｈｉ　　ａｎｄ　　Ｋ　
、Ｎ　ｏｎａｋａ　　”王ｏｔａｌｌｙ　　Ｌｉｇｈｔ
　　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　　７　ｈｙｒｉｓｔｏｒ　
−Ｑ　ｐｔｉｃａｌｌｙＴｒｉｇｇｃｒａｂｌｅ　　ａ
ｎｄ　　Ｑｐｔｉｃａｌｌｙ　　Ｑｕｃｎｃｈａｂｌｅ
　　３　ｔａｔｉｃ　　ｌ　ｎｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｐ　
ｈｏｔｏ　−Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ”ｐｒｏｃ、ｏｆ　　
ｔｈｅ　　１９８４　１ｎｔ、Ｃｏｎｆ　　、ｏｎ　　
３ｏｌｉｄ−３ｔａｔｅ　　［）ｅｖｉｃｅｓ　　ａｎ
ｄ　　１ｙｌａｔｅｒｉａｌｓ（［Ｃ８ＳＤＭ１９８４
Ｃ８５Ｄ、　　３２１〜３２４に述べられている。

〔実施例］第１図（ａ　＞は本発明による双方向光スイッチの回路
構成の一例で（ｂ）は、本発明による双方向光スイッチ
の動作波形例を示している。

光トリガ可能なＳ［サイリスタ１２及び１３の主電極で
あるカソード、７ノード喘子はそれぞれ逆並列になるよ
うにＴ１端子、Ｔ２端子に接続されている。またゲート
端子にはそれぞれクエンチ用光感応素子としてここの例
ではｐチャンネルの静電誘導ホトトランジス−タ１６及
び１７が接続されている。

トリガ用光パルスＬＴ１４及び１５は）同時にそれぞれ
Ｓ【サイリスタ１２及び１３に照射される。これによっ
て丁１端子とＴ２＠子間は双方向に導通する。

次にクエンチ用光パルスＬＱ１８及び１９が同時にそれ
ぞれクエンチ用ｐチャンネル静電誘導ホトトランジスタ
１６及び１７に照射されると、それぞれのＳｌサイリス
タ１２及び１３のゲート端子にオン状態において蓄積さ
れていたキャリアがｐチャンネルＳＩホトトランジスタ
１６及び１７を通して放電されるためＳｌサイリスタ１
２及び１３は同時にオフする。

第１図（ｂ　）にはＴ１端子の交流信号（直流成分が重
畳されていてもよい）がＴ２端子ヘトリガバルスＬＴと
クエンチパルスＬＱの間だけ伝搬されで行く様子が示さ
れている。

第２図は本発明による双方向光スイッチの別の実施例を
示し、（ａ　）は回路構成例、（ｂ）は動作波形例を示
す。第２図において第１図と異なる点はＳ【サイリスタ
１２及び１３へ直接光トリガパルスＬ　”ｒ　１４及び
１５を同時に照射する代わりに、Ｓｌサイリスタ１２及
び１３のゲート端子に接続された別の光感応素子２０．
２１へ同時に光トリガパルスＬＴ１４及び１５をそれぞ
れ照射することによってＳＩす゛イリスタコ２及び１３
を同時に導通させる点である。

光トリガ用素子としてｐチャンネル静電誘導ホトトラン
ジスタ２０．２１を用いる例が示されている。本実施例
の構成では、Ｓ１サイリスタを直接光トリガする場合に
比ベターン・オン遅延時間を短くすることができ、＾連
化されるが、構成要素が増えるため複雑となる。第２図
（ｂ）は動作波形例を示すが、動作は第１図の実施例と
同様である。

第１図及び第２図に示された実施例においては、２つの
逆並列接続されたＳ］サイリスタのゲートは別々の端子
として構成される例を示したが、もっと簡単化するため
には共通に接続されていてもよい。この時には、第１図
のクエンチ用光感応素子１６もしくは１７の一方は省略
され、簡単化される。同様に第２図のトリガ用光感応素
子２０もしくは２１の一方も省略できる。

また、第１図、第２図の実施例に示した光感応素子１６
．１７．２０．２１はｐチ１シンネルＳＩホトトランジ
スタに限るものではなく、前述の如く、Ｓ１ホトサイリ
スタ、バイポーラホト・トランジスタ等の光に感応する
ものであればよい。

また、第１図、第２図の実施例に示した２つのＳｌサイ
リスタと他の光感応素子は電気的に接続されていれば良
く、集積化されていてもよい。

またＳｌサイリスタには単一グー１〜型とダブルゲート
型の２通りがある。ダブルゲート型は構造的にはゲート
が２つ存在し、カソードからの電子注入を制御する第一
ゲートに加えアノードからの正孔注入もＩＩＩＪ　ｔｌ
ｌする第二ゲートを具備、している。第１図第２図の実
施例においては単一ゲート型Ｓｌサイリスタについて示
されているが、当然ダブルゲート型Ｓｌサイリスタを逆
並ダ１接続し、光だけでオン・オフする双方向光スイッ
チも本発明に含まれる。また第一ゲートもしくは第二ゲ
ートの一方だけをゲート端子として使用し、他方のゲー
トは浮遊状態としておくＳｌサイリスタも存在する。特
に第二ゲートだけをゲートとして使用し、第一ゲートを
浮遊状態としておく構成のダブルゲート型Ｓ［す゛イリ
スタの場合には、ゲート信号のオン・オフ時の電位の極
性は第一ゲートのみを用いる場合に比べ逆となる。第１
図においてクエンチ用光感応素子１６．１７の主電極の
（＝）符゛号はこの場合はく・ト）符号となる。また第
２図においてトリガ用光感応素子２０．２１の主電極の
（＋）符号は（−）符号となる。

第３図乃至第５図は本発明による双方向光スイッチを縦
型集積化構成した場合の実施例を示し、第６図乃至第１
３図は横型集積化構成した場合の実施例を示している。

第３図は、埋め込みゲート型単一ゲートＳ【サイリスタ
を２つ逆並列となるように集積化した一例であり、各々
のサイリスタのゲート部分にはクエンチ用ｐチャンネル
Ｓｌホトトランジスタが集積化されている。第一のＳｌ
サイリスタは、ｎ＋カッ−、ド領域３３、ｐ１埋め込み
ゲート領域３０、ロー高抵抗層３２、ｐ＋７ノード領域
３５から形成され、第２のＳｒサイリスタはｎ＋カソー
ド領［３４、ｐ＋埋め込みゲート領域３１、ｎ−高抵抗
層３２、ｐ＋７ノード領ＩＷｌｔ３６がら形成されてい
る。ｎ＋カソード領域３３及び３４への電極部分５６及
び５８にはトリガ用光パルスＬＴ４７．４８の侵入窓５
７．５９が形成されている。２つの８１サイリスタは豆
いに主電極が逆並列接続されるようにカソード電極５６
とアノードｆｉｌｌ極５５が共通になされ、カソード電
極５８とアノード電極６０が共通になされ、それぞれ双
方向スイッチの主端子Ｔ１．Ｔ２となっている。ｐ＋ゲ
ート領域３ｏと共通の埋め込みｇｉ３０１はクエンチ用
光感応凰子の主電極の一方となっており、ｐ−チャンネ
ル層３８．ｐ”主電極領域４２、ｎ＋ダグ−〜領域４１
との間でｐチャンネル＄１ホトトランジスタが形成され
ている。同様にｐ＋埋め込み層３１１、＋１−チャンネ
ル層４０、ｐ＋主電極領ｂｌｉ５０．０十ゲート５１と
の間で別のクエンチ用ｐチャンネルＳ１ホトトランジス
タが形成されている。各々のクエンチ用８１ホトトラン
ジスタには、クエンチ用光パルスＬＱ４６及び４９が照
射されるようになされている。４６０，４７０．４８０
．４９０はそれぞれ光パルスＬＱ４６、ＬＴ４７、ＬＴ
４８、ＬＱ４９を導入する九）゛フィバを示している。

当然光を導入する手段であればなんでもよい。４３及び
４４はクエンチ用８１ホトトランジスタのゲート電極と
主電極を示す。又５２及び５３も他のクエンチ用８１ホ
トトランジスタのゲート電極と主電極である。４３．４
４．５２．５３の電極は一部分に透明ｍｉを含むように
構成されていてもよい。３７及び３９はｎ−高抵抗層で
ある。６１．６２は分離領域を示している。又４００は
絶縁層を示している。

第３図の実施例の回路構成は第１図（ａ　）に示されて
いる。

第４図は、平面ゲート型単一グー１〜８１リイリスクに
よる双方向光スイッチの縦型集積化構ｎＭを示ｔ。ｐ　
”　’ｉ−１−領１ｉ１３０．３１とｎ＋カソード領域
３３．３４がそれぞれ同一面上に形成されている。又３
００．３１０はそれぞれのｐ＋ゲート領［３０，３１へ
のゲート電極である。電極３００．５６．３１０．５８
は透明電極を一部分に含む、ようなものが望ましい。他
の領域は第３図の実施例と重複するため説明を省略する
。

第５図は切り込みゲート８１サイリス・夕による双方向
光スイッチの縦型集積化構造例を示す、Ｓｌサイリスタ
のケートｆｔ４域３０、こ３１及びカソード領域３３．
３４のそれぞれの間が切り込まれている。他の部分は第
３図及び第４図の実施例と重複するため説明を省略する
。

第３図乃至第５図の実施例では、クエンチ用光感応素子
を集積化する構造を示したが、同様の構成で、トリガ用
光感応粂子も集積化することができることは明らかであ
る。

第６図は本発明による双方向光スイッチを横型集積化構
成した例である。ポリシリコン７０中に絶縁層７１を介
して島状に形成された高抵抗半導体層７２及び７３中に
イれぞれ光トリガ可能なＳ［サイリスタが形成されてい
る。、７７及び７６はｎ十カソード領域を示し、７９及
び８１はｐ＋アノード領域である。ここに示されたＳｌ
サイリスタはゲート領域が２つ存在するダブルゲート型
が示されている。すなわち、ｎ“カソード（ａ１或７７
からの電子注入を制御するｐ＋ゲート領１ｉｉ１ｉ７４
と、ｐ″″７″７ノード領からの正孔注入をυ１１１１
１するｎ＋ゲート領域７８である。第１ゲートのｐ＋ゲ
ートｆｆｉ［７４は浮遊状態となされているが、ノーマ
リＡ）の８１丁ゲート構造となっている。第２ゲートの
ｎ＋ゲート領域７８とポリシリコンＩ！’２７０の電位
によって高抵抗［７２中には電位障壁が形成されている
。同様にｐ＋ゲート領域７５は他゛のサイリスタの第１
ゲート、ｎ＋ゲート領ｔｊ！ｓ　ｏは第２ゲートとなっ
ている。更に双方向性を持たせるために、第１のサイリ
スクのカソード電極８４は第２のサイリスタの７ノード
電極８２と共通（、第１のサイリスタのアノード電極８
５は第２のサイリスタのカソード電極８３と共通に接続
され、各々Ｔ１端子、Ｔ２端子として双方向光スイッチ
の主端子となっている。第６図の実施例ではゲート電極
８６及び８７は共通になされている。第６図は２つの光
トリガ可能なＳ【サイリスタを直接トリガする実施例を
示しており、光ファイバ９０．９１によって導入された
光トリガパルスＬＴ９２、ＬＴ９３によって２つのサイ
リスタは同時に導通する。＾抵抗層７２．７３中で発生
した電子・正孔対のうち、電子はｎ＋ゲート領域７８．
８０に蓄積され、正孔はｐ　ゲート領域７４．７５に蓄
積される。これらのｐ＋ゲート、ｎ＋ゲートにキャリア
が蓄積されるに従って、ｎ十カソード領域７７．７６か
らはそれぞれ高抵抗層７２及び７３に向けて電子の注入
を引き起し、一方、ｐ＋アノード領域７９．８１からは
正孔の注入を引き起す。すなわち、光トリガによって発
生した電子・正孔対の両方がサイリスタをオンさけるの
に有効に働くわけである。オフ状態において高抵抗チャ
ンネル中に生成されていた電位障壁は電子・正孔対のｐ
＋ゲート７４．７５、ｎ＋ゲート７８．８０への蓄積と
ともにゲートによる静電誘導効果によって引き下げられ
、ゲートの電位がターン・オンＩＩｌ値電圧を越えると
８１サイリスタは光ターン・オンする。Ｓ［Ｔゲート構
造の持つ光トリガ感度は従来のバイポーラベース構造の
それに比べ非常に大きいことが明らかとなっており、又
ターン・オンＩＩ　Ｉｎも低い。クエンチ用光感応素子
は第６図には示されていないが、共通ゲート端子Ｇ２に
外部から接続しても、又後述の如く集積化することも当
然可能である。

第７図は本発明による双方向光スイッチの別の横型集積
化構造例を示す。但し、各部分において第６図と共通す
る部分は同じ数字で示されている。第７図では、第６図
と同様の光トリガ可能なダブルゲート型８１サイリスク
を２つ逆並列に接続した集積化構造が示されているが、
双方向光スイッチのゲートとしてｐ″″ゲート領域７４
及び７５の電極８８及び８９を共通接続しＣ用いている
。すなわらＳ１サイリスクのカソードｎ＋領域７７及び
７６からの電子の注入を制御するための第１ゲートｐ＋
領域７４．７５が双方向光スイッチの共通ゲートとなっ
ており、第２ゲートであるところのｎ＋領域７８及び８
０はノーマリオフのＳＩ下ゲート構造として浮遊状態に
なされているわけである。ダブルゲート型Ｓｌサイリス
タでは第１ゲートだけをゲートとして使用しても、或い
は前述の第６図の実施例の如く第２ゲートだけをゲート
として使用しても良いわけである。当然のことながら、
配線は複雑となるが、第１及び第２のゲートを両方とも
使用し、それぞれにクエンチ用光感応素子を接続もしく
は集積化しても良い。

第８図はＳｒサイリスタ部分とクエンチ用ｎチ１１ンネ
ルＳ１ホトトランジスタの集積化構造を示しており、第
６図の実施例においてクエンチ用光感応素子を更に集積
化する実施例である。第６図の各部分と共通する部分は
同じ数字で示されている。第８図においてｎチャンネル
８１ホトトランジスタはポリシリ」ン層７０中に絶縁層
７１を介して島状に形成された高抵抗半導体領域１００
中に形成されている。０＋領域１０３は主電極の一方を
示し、電極１０８を介してＳ１サイリスタのｎ＋ゲート
電極８６に共通になされている。ｐ＋領域１０２はクエ
ンチ用８１ホトトランジスタのゲートを示し、０＋領滅
１０４及び１０５は他方の主電極を示している。１０７
はそのゲート電極、１０６はその主電極端子である。第
６図の如く構成された双方向光スイッチを光でオフする
ためにはオン状態にあるＳ１サイリスタをオフさせれば
よいから、第８図のクエンチ用Ｓ■ホトトランジスタを
九フ７１イバ９４によって導入される光クエンチパルス
ＬＱ９５によって、光オンさぼればよい。光クエンチパ
ルスＬＱ９５によって高抵抗層中で発生した電子・正孔
対のうち正孔がｐ＋ゲート領域１０２に蓄積されるため
、ｐ＋ゲート１０２の電位を正方向に上胃させることに
なり、ｎ＋領域１０３よりｎ＋領１或１０５及び１０４
に向けて電子が流れることになる。すなわら、オン状態
にある双方向光スイッチのｎ　ゲート部分７日に蓄積さ
れていた電子がクエンチ１ｎｓｒホトトランジスタを通
して放電されることになり、Ｓ（サイリスタ部分は光に
よってオフされる。１なわら、双方向光スイッチｔ３オ
フされるわけである。

第９図は第２図の実施例において説明したとこの別のト
リガ用光感応素子を用いてＳｔサイリスタのゲート部分
を増幅光トリガする集積化実施例を示している。第８図
と組み合わせることによって第２図の実施例を集積化タ
ーることに相当している。但し、ＳＩサイリスタのゲー
トはｎ＋ゲート７８であるため、ｎチャンネル８１ホト
トランジスタをトリガ用光感応素子としている。第９図
において、ｎ　領域１１１はＳ］サイリスタのｎ　ゲー
ト領域７８と電極８６及び７１を介して共通になされて
いる。ｐ＋ゲート１１０、高抵抗層１０１．ｎ　　領域
１１３及び１１２はそれぞれＳＩホトトランジスタのゲ
ート領域、チャンネル領域、主Ｍ極領域となっている。

１１５はゲート電極、１１４は主電極であり、（−）符
号方向にバイアスされている。光ファイバ９６によって
導入されたトリガ光パルレス１丁９７によってｎチャン
ネルＳｒホトトランジスタが導通ずると、Ｓｒリ−イリ
スタのｎ＋ゲート７８部分には負の電圧が印加されるた
めＳｔサイリスタを間接的に光トリガするわけである。

第８図、第９図では８１サイリスタの第２ゲートを双方
向光スイッチの共通ゲートとする実施例に対応している
が、同様に８１サイリスタの第１ゲートを双方向光スイ
ッチの共通ゲートとする場合に対応した集積化実施例を
第１０図、第１１図に示す。

第１０図は第７図に示したＳｌす”イリスタ部分とクエ
ンチ用光感応素子としてｐデセンネルＳｌホトトランジ
スタを集積化する例である。

第７図と共通する部分については、同じ数字で示されて
いる。第１０図において、ｐ　領域２０３はクエンチ用
ｐチャンネル８１ホトトランジスタの主電極の一方を示
し、３１サイリスタ部分のｐ　ゲート領域７４と電極８
８及び２０８を介して共通になされている。ロ　ゲート
２０２はＳｌホトトランジスタのゲート領域を示し、２
００は高抵抗チャンネル層、ｐ＋領域２０５及び２０４
は他の主電極領域である。２０７はゲート電極、２０６
は主電極端子を示す。

双方向光スイッチがオン状態にあるときに、ｐ“ゲート
領１１！７４に蓄積されていた正孔は、クエンチ用８１
ホトトランジスタの光オンととも、にｐ＋領域２０４に
向けて放電されるため光によるオフが行なわれるわけで
ある。

第１１図は同様にｐチャンネル８１ホトトランジスタを
トリガ用光感応素子として双方向光スイッチに集積化す
る例を示す。第７図と共通する部分については同じ数字
で示されている。

トリガ用ｐチＶンネルＳｔホトトランジスタは、ｐ＋領
域２１１を主電極の一方とし、ｐ中領域２１３及び２１
２を主電極の他方として形成され、ｎ中領域２１０はゲ
ート、２０１は高抵抗チャンネル層を示す。２１５はゲ
ート電極、２１６はｐ＋領域２１１への電極を示し、８
１サイリスタ部分のゲート領域７４の電極８８と共通に
なされている。２１４は主電極の他方の電極を示す。光
ファイバ９６によって導入された光トリガパルスＬＴ９
７によって８１ホトトランジスタが光オンされると、Ｓ
１サイリスタ部分のｐ＋ゲート領域７４が間接的に光ト
リガされるわけである。

第１２図は本発明による双方向光スイッチの別の横型集
積化構造を示す。第６図と構造的に類似しているため、
共通部分については同じ数字で示されている。第６図の
構造と大きく異なる点はｐ＋アノード領域７９．８１か
らの正孔注入をｖ４１１Ｉｌするためのｎ＋ゲート領域
７８．８０＄ｐ十領１４７９．８１を取り囲むようには
形成されていない点である。ｎ＋ゲート領域７８．８０
は第６図の構造に比べ深く形成されている。ｎ＋ゲート
領域７８．８０とポリシリコン１ｉ１７０の電位状態に
よって高抵抗１１７２．７３中にはｐ　アノード７９．
８１から注入される正孔に対する電位障壁が形成される
ように、ｎ“層７８．８（１）［［す、高抵抗ｌ＠７２
．７３の厚さが選ばれているわけである。このようにす
れば第６図の実施例と動作上は何等変りがない。

第１３図は、同様にして第１のｐ＋ゲート７４．７５部
分に第１２図の実施例と同様の構造を導入した実施例を
示している。共通する部分については同じ数字にて示さ
れている。

第１２図、第１３図に示された実施例についても、りＴ
ンチ用光感応素子あるいはトリガ用光感応素子を集積化
することは容易である。

第６図乃至第１３図に示された双方向光スイッチを構成
する８１サイリスタは平面ゲート構造について示されて
いるが、これに限るものではなく、埋め込みゲート構造
、切り込みゲート構造の８１サイリスタを用いて形成し
てもよく、或いはＭＯ３／Ｍ　Ｉ　Ｓゲート構造のＳＩ
サイリスタを用いてもよい。又九トリガもしくは光クエ
ンチ用の光感応素子としては、８１ホトトランジスタに
限るものではないことは前述の如くである。

又第６図乃至第１３図の実施例においては、誘電体分離
技術によって形成される例が示されているが、ｐｎ接合
分離、Ｖ字溝弁＃ｉＵ字溝分離等を組み合せて用いても
よい。

［発明の効果］本発明による双方向光スイッチは、光によって交流もし
くは直流信号を双方向に導通させたり、遮断したりする
ことが出来るため、１ＩＩＪ１１１回路と双方向光スイ
ツチ部分の完全な電気的絶縁が可能となる。ＳＩサイリ
スタによって構成されるため、光トリ万感度が高く、高
速トリガも可能である。更に光によるオフができるため
、周辺制御回路が極めて簡単化され、全体のシステムで
の部品数も減る。光によるオフのスピードも高速である
。スイッチされる信号としては比較的小電力の交流もし
くは直流から、大電力の交流もしくは直流まで双方向に
光だけで・オン・オフすることができる。又、集積化す
ることによって、多重化もできる。特に電話回線綱の双
方向スイッチとしては直流分を含む交流で±４００ｖ、
電流数Ａ程度が要求されるが、本発明によるＳｌす゛イ
リスタを構成要素とする双方向光スイッチでは容易に要
求仕様を満たしている。特に大電流サージに対して強い
という特徴もＳ１サイリスタ本来の性能として有してい
る又、Ｓｌサイリスタを構成要素としているた、め、ス
イッチングスピードの高速化が可能であり、従来のＧＤ
Ｓの電気的ターン・オフで１３μｓと言われているのに
対し、本発明による双方向光スイッチでは、５００Ｖ−
ＩＡＡ程度スイッチで光トリガ時、光クエンチ時ともに
１μＳ以下を実現している。更にターン・Ａン状態て・
の順方向電圧降下ち１００△／Ｃ−２で０．７５Ｖ、１
０００Ａ／ａｍ２で１゜３■と実測されており、ＧＤＳ
に比べて低い。すなわち、スイッチ損失、伝導損失とも
に低く抑えることができるわけである。周波数特性とし
ても、電話回線綱の場合６０Ｈ２程度であるためスイッ
チの効率は９９．９％以上となる。更に周波数を上げて
１０ｋＨｚまでなら９９％以上の効率で使用することも
できる。

本発明による双方向光スイッチでは、直流もしくは交流
を双方向に光だけでオンさせたり、オフさせたりできる
ことと、Ｓ［サイリスタの持つ高速性、低損失、高効率
性及び低雑音性から、小電力のみならず、大電力まで扱
うことができ、工業的に極めて価値の高いものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による双方向光スイッチの実施例を示し
、（ａ＞は回路形式、（１１）は動作波形例、第２図は
本発明による双方向光スイッチの別の実施例を示し、（
ａ）はその回路形式、（ｂ）は対応する動作波形例、第
３図は埋め　　′込みゲート型ＳＩサイリスクを用いた
双方向光スイッチの縦型集積化構造の実施例、第４図は
平面ゲート型Ｓｔサイリスタを用いた縦型集積化構造の
実施例、第５図は切り込みゲート型Ｓ１サイリスタを用
いた縦型集積化構造の実施例、第６図乃至第１３図は横
型集積化構造による本発明の双方向光スイッチの実施例
に関し、第６図では第２ゲートを共通ゲー１−とじた横
型Ｓｒサイリスタによる双方向光スイッチの集積化構造
、第７図は第１ゲートをＩｔ通ゲートとした横型Ｓ１サ
イリスタによる双方向光スイッチの集積化構造、第８図
は第６図の実施例に更にクエンチ用ｎチャンネルＳ１ホ
トトランジスタを集積化した構造例、第９図は第６図の
実施例に更にトリガ用ｎチャンネルＳｌホトトランジス
タを集積化した構造例、第１０図は第７図の実施例に更
にクエンチ用ｐチャンネル８１ホトトランジスタを集積
化した構造例、第１１図は第７図の実施例に更にトリガ
用ｐチャンネルＳｌホｌ−ｔ−ランジスタを！！積化し
た構造例、第１２図はＳｌサイリスタの第２ゲート部分
を変形した構造による双方向光スイッチの構造例、第１
３図はＳ１サイリスタの第１ゲート部分を変形した構造
による双方向光スイッチのＩＩ構造例第１４図は従来例
としてのゲーテッド・ダイオード・スイッチ（ＧＤＳ）
の構造の一部分を示Ｔ図、第１５図は光信号（ｈν）に
よる従来型ＧＤＳのオフ回路例を承り。１２．１３・・・Ｓｌ”ｔイリスタもしくは光トリガ可
能なＳｌサイリスタ、１４．１５トリガ光パルス、１６
．１７・・・クエンチ用８１ホトトランジスタ、１８．
１９・・・クエンチ光パルス、２０．２１・・・トリガ
用８１ホトトランジスタ。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１の光トリガ可能な静電誘導サイリスタと該サ
イリスタのゲートに接続された第１の光感応素子と、前
記第１のサイリスタのアノード・カソード間に逆並列に
カソード、アノードが接続され、ゲートは互いに共通に
接続された第２の光トリガ可能な静電誘導サイリスタか
ら構成され、前記第１、第２のサイリスタへの光照射手
段とトリガ用光源、前記第１の光感応素子への光照射手
段とクエンチ用光源を具備し、前記第１、第２のサイリ
スタの両方もしくはいずれか一方への光照射によって導
通され、前記第１の光感応素子への光照射によつて遮断
されることによって、直流と交流を双方向にオン・オフ
することを特徴とする双方向光スイッチ。
（２）前記第１、第２の光トリガ可能な静電誘導サイリ
スタと第１の光感応素子が縦型に集積化構成されたこと
を特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の双方向光
スイッチ。
（３）前記第１、第２の光トリガ可能な静電誘導サイリ
スタと第１の光感応素子が横型に集積化構成されたこと
を特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の双方向光
スイッチ。
（４）第１の光トリガ可能な静電誘導サイリスタと第２
の光トリガ可能な静電誘導サイリスタよりなり、該サイ
リスタのゲートは互いに共通に接続されかつアノード・
カソードは互いに逆並列に接続された構成を有し、該サ
イリスタのゲートに接続された第１の光トリガ増幅用光
感応素子と第２の光クエンチ用光感応素子を具備し、か
つ前記第１の光感応素子への光照射手段とトリガ用光源
、前記第２の光感応素子への光照射手段とクエンチ用光
源を具備し、前記第１の光感応素子への光照射によって
導通され、前記第２の光感応素子への光照射によって遮
断されることによつて直流と交流を双方向にオン・オフ
することを特徴とする双方向光スイッチ。
（５）前記第１、第２の光トリガ可能な静電誘導サイリ
スタと第１、第２の光感応素子が縦型に集積化構成され
たことを特徴とする前記特許請求の範囲第４項記載の双
方向光スイッチ。
（６）前記第１、第２の光トリガ可能な静電誘導サイリ
スタと第１、第２の光感応素子が横型に集積化構成され
たことを特徴とする前記特許請求の範囲第４項記載の双
方向光スイッチ。