JPS61259501A - サ−ジ吸収素子 - 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】 〈産業りの利用分野〉 本発明は、′市やスインチング・サージ等、各種サージ
星回に基く異常電圧から゛市気回路系を保護するための
サージ吸収素子に関し、特にＡンチスルー現象を利用し
たサージ吸収素ｆ−＋こ関する。

〈従来の技術〉 サージ吸収素ｒとは、“降伏市月ゾとｔｌｌばれる規定
電圧（ＩＭ以１−の１ｇｉ電圧か印加されたとき、以降
の過程において自身の内に等価的な低インピーダンス電
流線路を形成することにより、その高電圧に件う大°市
流を吸収し、素−ｒ両端電圧を　一定′屯圧伯以下にク
ランプして、保護すべき゛屯気回路系にそうした異常′
電圧の影響が及ばないようするものを古うか、従来１こ
おいて山場に供されているもののほとんどは、その動作
メカニズムが雪崩（なだれ）降伏原Ｊ４ｖによるもので
あった。

すなわち、ｐｎ接合によるタイオード構造またはトラン
ジスタのタイオード接続構造に逆バイアスを印加したと
きの雪崩降０、′電圧をしてサージ吸収素ｆ−としての
降伏電圧を規定していた。

〈発明が解決しようとする問題点〉 従来の雪崩降伏原理によるサージ吸収素子においては、
上記のように、その雪崩降伏′電圧そのものが、サージ
吸収素子としての特性を云々する場合に使われる“降伏
電圧パを直接に規定するものとなる。

しかし　力、こうした従来素子番こおける雪崩降伏゛電
圧は、ｐｎ接合を形成する内領域の中、高比抵抗側を形
成する一方の半導体領域、従って　一般に゛１４導体基
板の不純物濃度の如何により、略（一義的に定まってし
まう。

そのため、こうした従来の雪崩降伏型サージ吸収東ｒで
は、同一の不純物濃度の半導体基板を用いる限り、その
降伏電圧を任意に変えることはできないか、極めて難し
く、異なる降伏電圧の製品を（ｉＪようとするなら、そ
れに応して不純物濃度の異なった半導体基板を用いねば
ならない。

こう［７たことは、それ自体、極めて不合理であるばか
りでなく、降伏電圧を変えると接合容量や直列抵抗等、
降伏電圧以外のその他の電気的特性も変わってしまうこ
とになる。換言すれば、接合容量や直列抵抗等を降伏電
圧と独立には設δ（できないのである。

また逆に考えれば、こうした従来素子では、意図的な場
合に限らず、例え各ロフト毎には製作公差の範囲内にあ
るとは言え、異なるロント間では始めから不純物濃度に
パラ伺きのある半導体基板が供給されてきたような場合
に１寸、しかもそれが予め分かっていたにしても、簡？
林にはこれを修ｉｆする術がなく、従ってその結果は、
製品として完成された後のサージ吸収素子の降伏電圧に
関するロント間変動乃至パライ・１きとして、そのまま
ＩＦ直に反映されてしまうことになる。

さらにはまた、この種従来の雪崩降伏型サージ吸収素子
では、実際の物理的な構造］−においても制約を生むこ
とが多い。

というのも、この種サージ吸収素子において第一半導体
領域内への不純物拡散等により第二半導体領域を埋設的
に形成した場合、雪崩降伏は−・般にその接合両端の電
界集中部分から起き易く、仮にそのようになると、降伏
後の入力端子クランプ時において接合の全面積部分に亘
り均一に１ｒｆ、流を流すことが極めて難しくなるから
である。

これら欠点に加うるに、上記従来素子では、降伏後の入
力電圧クランプ時において、素子両端電圧（クランプ電
圧）がそれほどに低くはならないという欠点もある。雪
崩降伏型の場合、むしろ、クランプ電圧の方が雪崩降伏
を生起し始めた降伏電圧よりも高くなる。

そのため、降伏後、素子内にて消費される電力は、絶対
値において相当に高いこのクランプ電圧と吸収電流との
積になり、結果として素子に多大な発熱をもたらす。こ
れは言い換えれば、熱容蓋の観点からして、素子に許容
できる吸収電流にかなりな制限を生むことを意味する。

本発明は以］二のような従来の実情にかんがみて成され
たもので、用いる半導体基板の不純物濃度乃至抵抗率や
厚味の如何に拘らず、相当程度以上の幅で設計性良く任
意の降伏電圧が得られ、従ってまた、降伏電圧の如何に
よらず、接合容量や直列抵抗等、その他の電気的特性を
独立に設計することもでき、しかもサージ吸収時には、
クランプ電圧を降伏電圧に比し、十分に低電圧化させ、
もって大きな吸収電流をも流し得るサージ吸収素子を提
供せんとするものである。

〈問題点を解決するための手段〉 上記目的を達成するため、本発明においては、従来の雪
崩降伏型に代え、新たな動作原理としてパンチスルー現
象を導入し、下記構成によるパンチスルー型のサージ吸
収素子を提供する。

ｌ）　半導体基板自体として形成されるか、または該半
導体基板に対して分離的に形成された第一導電型の第一
半導体領域と； 該第一半導体領域の上下両表面の中、一方の表面側に形
成され、上記第−導電型とは逆導電型であって１皿配給
一半導体領域との間でｐｎ接合ダイオードを形成する第
二の半導体領域と；上記第一半導体領域とは反対側から
上記第二半導体領域に接触することにより、該第一半導
体領域との間の離間距離をして上記第二半導体領域の実
効厚味を規定する第三領域と；上記第一半導体領域の上
記上下両表面の中、上記一方に対向する他方の表面側に
形成され、上記第一半導体領域と注入接合を形成する第
四領域と； から成り、ト記ｐｎ接合ダイオードへの逆バイアスで生
ずる空乏層が上記第三領域に到達したときに生ずる上記
第一半導体領域と上記第三領域との間のパンチスルーに
よりサージ電流を吸収することを特徴とするサージ吸収
素子。

２）半導体基板自体として形成されるか、または該半導
体基線に対して分離的に形成された第一導電型の第一半
導体領域と； 該第一半導体領域の上下両表面の中、一方の表面側に形
成され、上記第一導電型とは逆導電型であって上記第一
半導体領域との間で第一のｐｎ接合ダイオードを形成す
る第二の半導体領域と； 上記第一半導体領域とは反対側から上記第二半導体領域
に接触することにより、該第一半導体領域との間の離間
距離をして上記第二半導体領域の実効厚味を規定する第
三領域と；上記第一半導体領域の上記上下両表面の中、
上記一方に対向する他方め表面側に形成ぎれ、Ｅ配給−
・導電型とは逆導電型セあって上記第一半導体領域との
間で上記第一のｐｎ接合ダイオードとは逆向きの第二の
ｐｎ接合ダイオードを形成する第四の半導体領域と； 上記第一半導体領域とは反対側からに足温四半導体領域
に接触することにより、該第一半導体領域との商の離間
距離をして−に足温四半導体領域の実効厚味を規定する
第五領域と；から成り、上記第一、第一の二つのｐｎ接
合ダイオードのいづ□れか・力への逆バイアスで生ずる
□空乏層が対応する上記第三領域または第五領域のいづ
れか一方に到達したときに生ずる上記第一半導体領域と
上記第三領域または上記第一半導体領域と上記第五領域
との間のパンチスルーによりサージ電流を吸収するεと
を特徴とするサージ吸収素子。

〈作　用゛） 上記第一発明のサージ吸収素子においては、第一の半導
体領域と第二の半導体領域とにより構成されるｐｎ接合
ダイオードに逆バイアスが印加されると、当該接合に生
成される空乏層は、第・半導体領域に向けて伸びると同
時に、第三の領域に向けても伸びていく。

そしてこの空乏層が印加電圧の大きさに応して伸ひ続け
、やがて第一ミ領域にまで達すると、第一゛１′８導体
領域と当該第三領域との間でパンチスルーが起こり、こ
の電流経路を介してサージ′市流が吸収ネれ始める。こ
のパンチスルー動作開始電圧か、第２図中において降伏
電圧と１．て示されたものである。

しかるに、この吸収電流は、第四領域から第一゛１′−
導体領域に至る経路で流れるため、要旨構成中に記した
ように、当該第四領域が第一半導体領域に対して少数キ
ャリアを注入し得る注入接合を形成する材ネ゛１（例え
ば第一半導体領域とは逆導電型の半導体とかシリケイト
、さらにはまた第一半導体領域かｐ型である場合には電
ｒ注大のｏｆ能な金属等）から構成されている限り、当
該第四領域から第　平導体領域内へ少数キャリアの注入
が起こり、従って例え、外部端子を介し、第二半導体領
域と第三領域とが電気的に短絡されていても、当該少数
キャリアか第一半導体領域に流れ込んだ結果として、第
一、半導体領域には電圧降ドが生し、第三領域から第一
、半導体領域に対してキャリアの注入が起こる。

こうしたキャリア注入過程が繰返されていきなから、や
がてのことに第２図中にブレーク・オーバ′市流として
示された仙以」−の大きさの゛電流が流れると、正帰還
現象を介し、素ｆの両端′電圧、すなわちクランプ電圧
は極端に低゛市圧となる。

そのため、本発明のサージ吸収素ｒでは、素子の発熱を
抑えながら大きな電流の吸収が口ｆ能となる。

なお、ブレーク・オーバ電流を呈する′電圧をブレーク
・オーバ電圧と呼ぶことができ、−・般にこのブ１／−
り・オーバ′市圧は、第２図に小されるように降伏電圧
よりは高くなる。

従って、本発明素子の初期動作から電圧クランプまでの
素子両端の電圧履歴を追うと、サージ印加に伴い、それ
が降伏゛重圧以上であればパンチスルー動作を開始し、
吸収電流がブレーク・オーバ１、　１ ゛電流に全るまでは素−ｒ肉端電圧はいく分かＩＪＪす
るが、　・Ｉでもブレーク・オーバ電流を越えると、当
該ブレーク・オーバ電圧から極端に値の低いクランプ電
圧に移る。

」−記ブレーク・オーバ電流の値は、第べ甲、導体領域
の抵抗や第三領域と第一半導体領域に対する形状の如何
により決められ、また第四領域の第一半導体領域に対す
る形状、さらには、後述するように第−甲・導体領域が
直接に外部端子に接続されている場合には、当８に第一
半導体領域の抵抗と第四領域近傍の形状の如何によって
も決めることができる。

−”方、パンチスルー動作を開始せしめる降伏電圧につ
いて考えると、本発明サージ吸収素ｔでは、第一半導体
領域に対し、その反対側で第二半導体領域に接する第三
半導体領域の高さ位置をどの程度に設定するか、換言す
れば中間の第二半導体領域の実効厚味をどの程度に設定
するかにより、第一、第三領域間のパンチスルー電圧、
つまりは当該降伏電圧を任意に変更、制御できるものと
なる。

例えば中間の第二半導体領域の実効厚味を厚く設定した
場合には、他の条件が同一であれば生成した空乏層が第
三領域にまで伸びるにはより大きな逆方向バイアスが必
要となり、これは結局、素子が降伏する降伏電圧を高め
たことになるし、逆に中間の第二半導体領域の実効厚味
を薄く設定すれば、生成した空乏層は比較的低い印加電
圧でも容易に第三領域に到達することになるから、降伏
′電圧を低目に設定したことになる。

勿論、こうした降伏電圧は、中間の第二半導体領域の不
純物濃度によっても制御し得るが、いづれにしても、Ｌ
記のことからすれば、本発明によった場合、第一半導体
領域として適当な市販の半導体基板ウェハをそのまま用
いても、そしてまた回一種類の半導体基板を出発部材と
しても、任意所望の降伏電圧のサージ吸収素子を得られ
ることが分かる。

また、第一半導体領域の実効厚味の制御とその不純物濃
度の制御とを適当に操作すれば、降伏電圧の如何に対し
て接合容量や直列抵抗を独立にも設ハ１できるようにな
る。

さらに、半導体基板そのもの、乃至半導体基板に分離的
に形成された第一半導体領域に対し、順次に第一半導体
領域、第三領域を形成していく手法自体は、既存のエピ
タキシャル成長技術によっても良いし、イオン打込み、
選択拡散等々によっても良いが、いづれによるにしても
、第二半導体領域の実効厚味とか不純物濃度の制御は、
現在の技術でも極めて高いものが得られるから、結局は
本発明により作成されるサージ吸収素子は、要すればそ
の精度を極めて高いものとすることができる。

構造的な観点からしても、第一半導体領域の実効厚味は
第一領域の厚味とは無関係に薄く設定できるから、第一
半導体領域としては市販の半導体基板ウェハに何等特殊
な前加」ニを施さず、厚いままにそのまま用いることも
でき（その方が一般的でもある）、従って工程の増加を
招かず、物理的な強度低下も招かないで済むし、一つの
半導体基板内に本発明素子を複数個、形成することもで
き、集積化が容易な効果もある。

また、上記原理から顕かなように、第二半導体領域と第
三領域とは外部端子において同一の電位に置いて良く、
従って外部への引き出しも同一の引き出し端子から行な
って差支えない。しかし逆に、各専用の端子から独立に
引き出せるようにし、これら両端子間に適当なバイアス
を掛けるようにしても良く、このようにすれば、素子完
成後乃至素子実動下にあっても、このバイアス電圧の変
更調整により、パンチスルー電圧、すなわちサージ吸収
素子としての降伏電圧を可変にすることができる。

なお、上記した所から顕かなように、降伏電圧の変更に
ともなってブレーク・オーバ電圧も当然に変化する。

上記第一発明に対して、第二発明は、両極性のサージ電
流をも吸収可能としたものである。

すなわち、第四領域が半導体に限定されたものとしてこ
れを第一発明における第二半導体領域和当の領域と考え
、同様に第五領域を第−発明中の第三領域相当の領域と
考えれば、既述のように第一半導体領域と第二半導体領
域とにより構成された第−発明中におけるｐｎ接合ダイ
オードに相当する第二発明中の第一のｐｎ接合ダイオー
ドにおいて生じ得るパンチスルー現象は、逆極性のサー
ジ電流に関して第一半導体領域と第四半導体領域とで構
成される第二のｐｎ接合ダイオードの逆バイアスの結果
としても同様に生ずることになる。

すなわち、第一半導体領域と第四半導体領域との間の第
二のｐｎ接合ダイオードにてパンチスルーが生起してい
るときには、第二半導体領域が先の第一発明の説明中に
おいて半導体で構成した場合の第四領域がなした機能を
営むことになる。

こうしたことから、第四半導体領域については第二半導
体領域に関しての、そして第五領域については第五領域
に関しての各説明がそのまま単なる読み代えで適用でき
るし、その他の配慮事項についてもまた然りとなる。　
　　　　　・従って、クランプ電圧が十分に低いとか、
降伏電圧の任意設計性が良い等々、第一発明のサージ吸
収素子が有していた利点は、全く同様に、この第二発明
のサージ吸収素子においても発揮することができる。

〈実　施　例〉 以下、図示する本発明実施例の幾つかにつき詳記する。

勿論、第一発明と第二発明の個々に対してそれぞれの実
施例があるが、すでに述べてきたように、両者は極めて
密接な関連にあるので、互いに参考にすることができる
。

第１図に示すサージ吸収素子ｌＯは、第一発明による基
本的な実施例の一つであって、半導体基板を第一導電型
の第一半導体領域ｌとしてそのまま・用い−その上下両
表面の中、一方の表面に順次、第、二半、導体領域２、
第三領域３を二重拡散技術で形成し、他方の表面、すな
わち裏面には、第四領域４を半導体製に選び、これを拡
散技術で形成したもめである。

このような関係において、例えば半導体基板乃至第一半
導体領域ｌがｎ型半導体であった場合には、ホウ素等の
適当な不純物の拡散技術により、第　を導体領域２及び
第四Ｖ・導体領域４はＰ型とする。

第一領域３は、パンチスルーを起こした際の１−市垢、
線路の一端部を形成するので、望ま（７くは高りＱ′市
率であることが良く、この実施例では高不純物濃度ｎ型
、すなわちｎ十型領域として第一゛１′、導体領域２内
入の不純物の二Φ二拡散により形成されている。実際に
はこれは高濃度燐拡散等により得ることかできる。

各領域番、′は、それぞれオーミンクな引き出し端ｒを
伺１．て素子と１．て完成させるが、第一半導体領域２
の引き出Ｌ２端子２Ｌ７！−第タ：領域３の引き出し端
子３ｔと１１図中、仮想線の線路Ｌｓで示すように、製
作の段階で短絡して置いても良いし、別途に引、冬山し
て置いて使用表側で短絡したり、或いは後述のように適
当なバイアス源を介挿させても良い。

１υ絡＾ける場合、実際には線路Ｌｓは、第二半導体領
域２の露出表面と第五領域３の露出表面との■−に一連
に蒸着される等し−（オーミ、りに接触した金属層等で
形成することができる。

ここではまず、両端１’２ｔ、３ｔがこのように線路Ｌ
ｓで短絡されており、それらと第四半導体領域４の引き
出し端−ｒ−４ｔとの間にサージ電圧か印加されるもの
として説明する。

このようなサージ吸収素子１０においては、すでに作用
のザ１で説明したように、第〜Ｃｔ′導体領域ｌと第一
’Ｐ導体領域２との間のｐｎ接合に逆バイアスか印加き
れると、それにより生ずる空乏層は第一１′導体領域１
の側へのみならず、第五領域３の側に向けても伸びて行
く。

従って、端ｒ−２ｔ、３ｔど嬬ｒ−４を間にザ・−ジ゛
電圧が印加され、それか１．記ｐｎ接合に逆バイアスを
印加する位相で相当程度に大きいものであると、当該空
乏層の上刃端部が第三領域３に達することか起こり得る
。

この状態か、第一半導体領域ｌと第一ミ領域３との間で
のパンチスルー状態の開始であり、大電流を流し得る低
インピータンス状態、乃至木サージ吸収素ｒ−とじての
陵伏状態の始まりとなる。この開始点は第２図中にあっ
て市川軸トに降伏電圧として小しである。

こうした降伏開始状態が其現すると、端子２ｔ。

３ｔと端ｒ−４を間にサージ電流が流れ出し、第四半導
体領域４から止孔が第一半導体領域］に注入され、それ
が第　！４’＝導体領域２で収集されて外部端ｒ−２ｔ
を合し、外部電流（素子電流）となる。

従って、第ヨー、領域３と第一半導体領域１とに挟まれ
た第一゛ｆ−導体領域２の抵抗と、１−記電流の積が、
領域２，３で構成されるｐｎ接合タイオードの１叫力向
電圧に等しくなったときに、今度は第三領域３から′市
ｆ−が第二半導体領域２に注入され、これが１４Ｌ流の
増大を招き、再びまた第四半導体領域４から１［一孔の
注入が行なわれるという正帰還現象が生ずる。

このような正帰還現象が起こり始める電流値がこれまで
述へてきたブレーク・オーバ電流であり、このときの素
子両端電圧（外部端子４ｔ　、　３を間電圧）がブレー
ク・オーバ電圧となる。

すでに記したように、このブレーク・オーバ電圧は、降
伏市Ｊ１１よりはいく分か大きな伯となるが、−一−１
，１１帰還が起こり始めると、素子両端′電圧は著しく
低い値に葛移する。この伯は第２図中にあってクランプ
′電圧として示されているか、札体的には吸収電流と各
部の直列抵抗との積に、ｐｎ接合の順方向電圧一つ分を
加えた値に略１″等しい。

このようなメカニズムから理解されるように、本発明の
サージ吸収素子１０は、サージが印加されていないとき
には高い降伏電圧を維持して素子内に流れる電流を最少
限度に抑え、本素子により無駄に電力が消費されるのを
妨げる電力で、一旦、降伏電圧以上にサージが印加きれ
ると、間もなく極めて低いクランプ電圧を呈１２、もっ
て大電流を吸収して後続の回路系を確実に保護するよう
になる。

このような動作をなす本サージ吸収素子１ｏにおける降
伏゛電圧は、第一半導体領域ｌの抵抗率乃至不純物濃度
のみならず、第一・半導体領域ｌと第三領域３との間の
離間距離で規定される第二半導体領域２の実効厚味Ｄｔ
の如何、及びあるいは不純物Ｓ度の如何によってパンチ
スルー電圧が制御できることにより、かなりに広い設ル
（幅内で任意に設定することができる。実際にも本出願
人の実験によれば、この設計幅は、数ボルトから数百ポ
ルトまでの極めて広範な範囲に及ぶものであることが確
かめられている。

第１図示の実施例の場合は、既述のように、半導体基板
ｌに対して第二半導体領域２及び第三領域３を一重拡散
技術で作成する場合を示しているが、このような場合に
は、当該第二半導体領域２の実効厚味旧は、第二半導体
領域２の形成後、その表面からの第三領域形成用不純物
の拡散深さＤｄを制御することにより、直接に制御され
るものとなる。すなわち、二重拡散技術による場合には
、第一半導体領域に対する第三領域３の高さ位置の変動
乃至変更設定は、直接に第二半導体領域２の実効厚味Ｄ
ｔを変更するものとなる。

一方、第二半導体領域２、及び第三領域３をエピタキシ
ャル成長技術により形成した場合には、当該第二半導体
領域２の実効厚味口ｔは当該エピタキシィにおける諸条
件に基いて決定される成長膜厚自体により規定されるの
が一般的であるが、その場合にも実際上、第三領域３の
存在がパンチスルーに関する実効厚味Ｄｔを規定してい
ることに変わりはない。

そして、拡散技術による場合もエピタキシィによる場合
も、第二半導体領域２の実効厚味Ｄｔの制御は、既存の
技術をしても極めて高い精度で制御できるから、結局、
本発明によるサージ吸収素子は、その降伏電圧を極めて
高い精度で設定できるものとなる。

また同様に、パンチスルー電圧、ひいては本素子の降伏
電圧を規定する他の一要因となる第二半導体領域２の不
純物濃度も、既存の技術をして極めて高い精度で調整、
制御することができる。

」−記はまた、本発明の素子の場合、降伏電圧を設計す
るのに、第二半導体領域２の実効厚味口ｔと不純物濃度
という、それぞれ設計性の良い、しかも互いには独立の
二つの変数を有していることを意味している。従って、
これら変数を一力のみ使ったり、双方使ってそれぞれ適
当に按配することにより、単に極めて広範な範囲に亘っ
て降伏電圧を設定できるだけでなく、接合容量や直列抵
抗等、その他の電気的特性を降伏電圧と独立に設計する
こともできることが分かる。

勿論、第四半導体領域４についても、不純物拡散、エピ
タキシィ等の従来技術を援用して制御性良く形成するこ
とができるし、またそもそも、既述したように、この第
一発明に限っては、当該第四領域４が第一半導体領域ｌ
に対して少数キャリアを注入し得る注入接合を形成する
材料で形成されていれば足り、図示実施例におけるよう
に、第一半導体領域ｌと逆導電型の半導体であることに
限らず、シリサイド製とか、さらにはまた第一半導体領
域ｌがｐ型である場合には、それに対して電子注入の可
能な金属製とすること等も考えられる。

本発明のサージ吸収素子においては、その原理上、第一
、第三領域間でパンチスルーが起きた後のサージ電流の
電流分布は、比較的均一なものとなる。しかし、なお一
層の均一・性を確保しようとするなら、第３図に示すよ
うな構成を採ることもできる。

すなわち、この第３図示の第一実施例では、半導体基板
乃至第一半導体領域ｌの表面に形成された逆導電型の第
二半導体領域２に対して形成される第三領域３を、複数
に分割された第三領域要素３１　、３２　、３３　、　
、、、、、、　、３ｎ　（図示の場合ｎ＝５）の集合か
ら構成しており、各領域要素３１〜３ｎは、共通の引き
出し端子３ｔから外部に導通を採られるようにしている
。

こうした構造では、従来の雪崩降伏型素子に見られたよ
うな電界の集中効果はこれを避けることができ、均一な
電流分布を得ることができる。そのためまた、電流容量
も略Ｃ素子面積に比例して増大させることができる。

この第３図示の実施例でも、第一実施例について述べた
他の配慮は同様に採用することができる。なお、　′一
つの端−ｆ２＋、３ｔは、既述し、たよう番こ動作原理
１−、ハｊ緒できるだけでなく、短絡して用いると過渡
現象を避は得る効果もある。

本発明のような構成のサージ吸収素子では、本来、パン
チスルー現象によって規定されるべき降伏′市ノ１が、
第一′１′導体領域１と第一゛１４導体領域２の雪崩降
伏市Ｊｆ、に近くなってくると、制御性が悪くなるごと
も考斧られる。

くのような危惧のある時には、第二、″′Ｖ導体領域２
の端部の接合で生じ始める雪崩降伏を初期の段階で防ぐ
か抑えるため、後述する第一発明の実施例とＬ７ての第
４図に小されるように、第一半導体領域２の周囲を囲む
ように第一半導体領域と回。

の−ｇ　ｉ重壁のカー１・・リング領域２Ｇを形１表す
るか、同様に第　発明の第′実施例としての第５図にホ
きねるようζご、第一゛Ｖ−導体領域２と第二半導体領
域３との表面に　律に形成されたオーミンク′市極６の
端縁部６ａを、絶縁膜８を介して第　’ｌ′−導体領域
の端部における第　半導体領域との接合を越えるよつに
さらに張り出させると良い。

このようにすれば、第一半導体領域端部における耐昇の
集中を緩和し、実効的に雪崩降伏＞ａ　ｒ＋＋を増加さ
せることにより、未発明の思想に即し、パンチスルーに
よってのみの降伏′電圧の設泪性を拡大、改善すること
ができる。

次いで、呂該第４，５図に示される第一発明の実施例に
つき説明する。

この第４，５図に小される′実施例においても、第一〉
１′−導体領域１．第一半導体領域２．第三領域３、第
玉領域賃素３１　、３２　、３３　、　、、、、、、　
、３ｎについては第１図及び第３図に示された第一発明
に即する実施例におけると同様の構成、形状、配置関係
が適用できる。というよりも、この第二発明の実施例に
おいては、第３図に示されたサージ吸収素子の構成に加
えて、第一半導体領域４内に、第二；領域要素３１　、
３２　、３３　、、、、、．７．３ｎと実質的に同様な
第ｆ＋領域要素５１　、５２　、５３　、　、、、、、
、　、５ｎが追加されていると考えて良い。

従って、この第４，５図小のサージ吸収素子においては
、端子３ｔと５ｔとの間に印加されるサージ’；Ｊｉ）
ｌ−の極性＃、″地して、パンデスルーを起こすタイオ
ー１ζが第・′！１イ導体領域１と第一半導体領域２に
より構成される第一のダイオードであったり、弟子・ｎ
体領域ｌと第四半導体領域４とで構成される第　のダイ
オードであったりするが、そのいづれのタイオートにて
パンチスルー現象が生起する番こしろ、その動作メカニ
ズＪ・は、すでに第一発明の第　オー導体領域Ｉと第二
半導体領域２とにより構成されるダイオードに関して説
明したのと全く回しことになる。

換１；ずれば、この第ニー発明に即する実施例としての
サーシ吸収素−ｒは、両極性のサージ′電圧乃今す−シ
電流に幻１２、吸収機能を呈することができる。勿論、
サージ′電圧に対して設計性良く降伏電圧を定め得るこ
と、クランプ電圧を降伏電圧に比して１−分に小さくす
ることができること等々は、第　発明に関して説明され
たサージ吸収素子におけると全く同様である。

第４図に示される実施例と第５図に小される実施例との
相違は、あれば望ましい配慮として、第一″？１′導体
領域及び第四）ｒ導体領域の端部の接合で生じ始める雪
崩降伏を初期の段階で防ぐが抑えるための手段が異なる
だけである。

つまり、第４図小の実施例にあっては、先にも少し述べ
たが、第一半導体領域２と第四半導体領域４の周囲を囲
むように第”１、第四半導体領域と同一の導°屯型のカ
ード・リング領域２Ｇ　、　４Ｇが形成されており、第
５図示の実施例では、第一　〉Ｖ、導体領域２と第三半
導体領域３との表面、及び第四半導体領域４と第五領域
５との表面に各・連に形成されたオーミック′市極６，
７のそれぞれの端縁部６ａ、？ａを、絶縁膜８，９を介
して第一半導体領域との接合端部を越えるようにさらに
張り出させている。

なお勿論、第４，５図小の実施例においては、第三、第
五領域３，５はそれぞれ複数の当該領域用の領域要素群
３１〜３ｎ　、　５１〜５ｎの集合から構成されている
が、第一発明の第１図に示されている第三領域３に代表
されるように、最も基本的には、これら第］ミ領域３、
第五領域５は、それぞれ単一の領域として形成されてい
ても良い。

これまで述べたきた各実施例に示されるような本発明の
サージ吸収素子の場合、素子完成後、従来の雪崩降伏型
において必要とされていた端面研磨等の付帯処理は原則
としては必要ない。従って、これら既述の各実施例構成
は、一つの半導体基板ｌ内に複数個、同時に作ることが
できる。

もっとも、逆に多数個を集積する必要のないときには、
先に述べた雪崩降伏電圧を増加させるための他の手段と
して、第６図に示すように、第一、第二半導体領域１．
２間の接合端部に相当する部分を、表面に垂直または角
度を持った斜面でエツチングまたは切断処理しても良い
。第６図に示される場合は、本発明の第一発明に相当す
るサージ吸収素子に関してであるが、第二発明のものに
ついても同様の考えを適用することはできる。ただし、
このような簡便な手法によった場合には、切り落とし面
に適当な保護ｌ１ｌ（図示せず）を要するのが普通であ
る。

次いでまた、第一発明の第１図示実施例にて代表して、
本発明サージ吸収素子のさらなる別の使い方につ澤説明
すると、第二半導体領域２と第三領域３とを異なる□端
子２ｔ　、　３ｔから個別に引き出すようにした場合、
第７図（’Ａ）に示されるように、これら端子２ｔ　、
　３を間に適当なバイアス源ｖｂを挿入すると、パンチ
スルー電圧を外部から制御することも可能となる。

サージ電圧のモデルとして、第三領域用端子３ｔと第四
半導体領域４の端子４ｔとの間に接続された高電圧［Ｖ
ｒを考えると、第７図（Ｂ）に示されるように、本サー
ジ吸収素子のエネルギ・バンド構造は、サージ電圧が印
加されていないときの実線で示される状態から、サージ
電圧に相当する高電圧Ｖｒが印加されたときには図中、
仮想線で示される状態に変化する。但し、図示の場合は
、以下述べるようにバイアス効果を見るため、サージ電
圧に相当する高電圧源電位が、未だパンチスルーを起こ
す程には至っていない状態で示されている。

この状態においては、バイアス源ｖｂから供給されるバ
イアス電位の極性及び大きｙによって、第三領域２と第
三領域３に関し逆バイアスの場合には矢印“曾″で示さ
れるように、順方向バイアスの場合には矢印゛−１′で
示されるように、各々バンド構造が変化する。従って、
当該バイアス電位及びその極性により、サージ吸収素子
としてのパンチスルー電圧は外部から制御できることが
分かる。

こうしたバイアス構成は、第４図や第５図に示される本
発明第二発明のサージ吸収素子において、第二半導体領
域側、第四半導体領域側の両ダイオードに関して共通に
あるいは独立に施すことも勿論できる。

最後に、−例として、本発明の効果を実際の素子におけ
る比較で確認する。

まず、以下に述べる工程により、第１図に示される本発
明のサージ吸収素子に対し、第四半導体領域４のないも
のを比較用として作成した。

抵抗率５Ω−ｃｍ、導電型ｉ型、’ｔ　ｘ　を面、３０
０ｊｌｌｌ厚のシリコン・ウェハを第一半導体領域ｌの
出発部材とし、まずその表裏面にｆｌｏｏｏＡの５ｉ（
ｈ　Ｉｌｌを形成した。

その中、裏面のＳ　ｉＱｚ膜をのみ除去し、高濃度燐拡
散を深さ３ｔ１ｍに亘るよう、行なった。

次に、、第二半導体領域２の平面形状を規定するため、
表面のシリコン酸化膜に対し所定のパターンに従ってフ
ォト・エツチング工程を適用し、不純物拡散窓を開けた
。

この拡散窓を介してホウ素を拡散し、その深さが２．５
呻に亘るｐ型領域を形成した。

新たにウェハ表面、にシリコン酸化膜を形成した後、複
数個の第三領域要素３１〜３ｎの平面形状を規定するた
め、当該シリコン酸化膜に対して所定パターンに即した
フォ・ト・エツチングを施し、複数個の第三領域要素用
の不純物拡散窓を形成した。

この拡散窓から高濃度に燐を拡散し、その深さが１．２
ｇｎに亘るｎ中型第三領域要素３１〜３ｎの集合から成
・る第三領域３を形成した。従って、これと同時に第二
半導体領域２が形成され、その実効厚味口ｔは　１．３
ＪＩｌｎとされた。

その後、第二、第三領域に共通のオーミック・コンタク
トを採るだめのフォト・エツチング、金属薄膜蒸着、そ
のエツチングｌ−程を経て′電極６乃金端子２ｔ、３ｔ
を形成した。゛Ｙ−導体導体側板側極乃金端−ｒｌｔも
、１−記金属薄膜蒸着ｒ−程において同時に形成した。

こうしたプロセスによって作成された比較用の勺−シ吸
収素ｆ−の降伏電圧は１２０ｖをポし、サージ吸収′市
流は最大３００Ａ／ｃ■２まで取れた。

−力、本発明の思想に即する勺−シ吸収素子として、１
．配給玉領域に関するまでの作成」程はト記比較用のサ
ージ吸収素子におけると回しであるが、ｎ型半導体基板
の表側に第四半導体領域としてのＰ＋領域を不純物拡散
によって形成し、金属薄膜蒸着によって′電極乃至端子
４ｔを形成したサージ吸収素ｒにおいては、降伏電圧は
１２１ｖと略（回しであったが、ブレーク・オー／へ電
流が４＾／Ｃ腸２です・−シ吸収電流は何と最大＋００
００Ａ／　ｃ＋＊２　も取ることができた。この特性例
を見ても、本発明により設けられた第四半導体領域の働
きは極めて大きいものであることが分かる。

そしてまた、他は１−記と同−条件として、実質的に第
一半導体領域２の実効厚味を規定することになるｎ＋型
第−云領域を形成する際の拡散時間を変化させた所、降
伏″電圧は３０Ｖから１７０ｖの間で変化させることが
できた。勿論、この変化幅も最大変化幅ではなく、他の
条件も勘案すれば数ポルＩ・から数百ポルトに亘る極め
て広範な変化範囲を得ることができることも確認されて
いる。

また、本素子における降伏メカニズムも、［・ンネリン
グや雪崩降伏によらず、確実にパンチスルー現象にのみ
よって制御可能であることも確認された。

なお、ブレーク・オーバ′市流をさらに大きくして、小
さなサージには応答させないようにするには、第二半導
体領域あるいは及び第四を導体領域が金属薄膜に接触す
る面積を大きくするか、第８図に示されるように、第四
半導体領域４を複数の領域要素４１　、４２　、　、、
、、　、４ｎの集合から構成し、それら隣接する第四半
導体領域要素間に横力向に挟まれる第一半導体領域部分
１１　、　＋２　、　、、、、　、　Ｉｎ−１が形成さ
れるようにして、当該第一半導体領域部分ＩＩ　、　＋
２　、　、、、、　、　Ｉｎ−＋に対し共通にオーミッ
ク接触する電極を設けて端子１Ｅとし、同様に第四半導
体領域要素群４１　、４２　、　、、、、　、４ｎにも
共通の線路を形成して端一／−４ｔを引き出し、使用す
ると良い。

いづれにしても、ブレーク・オー／入電流はかなりな範
囲で任意に設計することができる。

〈発明の効果〉 本発明によれば以下列記するように、既存の雪崩降伏型
巣ｒに比１２、各種優れた効果を得ることができる。

（ｊ）　’１′−導体基板乃至半導体ウェハはこの種素
子の各部の部品価額としては最も高価で、扛つ最も融通
の効かない部材であるが、本発明によれば、回−の材料
定数の出発ウェハからも異なる降伏電圧のサージ吸収素
子を得ることができる。

■第二半導体領域及び第三領域の組、また第四半導体領
域と第五領域の組を第一半導体領域に対して同一の側か
ら形成することができるため、降伏電圧の変更及び定め
られた降伏電圧にするための制御が極めて簡単で、珪つ
高精度で行なえる。

■降伏電圧に対して他の゛電気的特性、例えば接合容量
とか直列抵抗等は独立に設計することができ、従って例
えば、異なる降伏′電圧でも他の電気的特性は略ぐ同様
とすることもできる。

［株］共通の半導体基板内に複数の素子を集積化するこ
とも容易である。

■大電流領域では降伏電圧よりもさらに端子電圧（クラ
ンプ’ｌｔ　ｆＥ　）が大きく低減化する設計原理を有
するので、極めて大きなサージ電流をも吸収することが
でき、回路系の保護に関して極めて高い能力を有する。

（φ第二発明によった場合には、上記効果に加え、両極
性のサージ電流を吸収することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第一発明に従う第一実施例の概略構成
図、第２図は第１図示実施例の動作特性図、第３図は第
一発明に従う第二実施例の概略構成図、第４図及び第５
図は、本発明の第二発明に従う各実施例の概略構成図、
第６図は本発明サージ吸収素子における雪崩降伏電圧の
影響をなくすための一例の説明図、第７図は本発明サー
ジ吸収素子の特殊な使い方の一例の説明図、第８図は第
一発明に従うサージ吸収素子の更に他の改変例の概略構
成図、である。 図中、ｌは第一半導体領域乃至半導体基板、２は第二半
導体領域、３は第五領域、３１〜３ｎは第三領域要素、
４は第四半導体領域、４ｌ−４ｎは第四半導体領域要素
、５は第五領域、５１〜５ｎは第五領域要素、２Ｇ、４
Ｇはガード・リング、１０は全体としての本発明サージ
吸収素子、である。 第３図 第４図 ２鴇、、ｊｓ　　（３を 第５図 第６図 履−４ｔ ！−Φ→ 区 ト 転 官庁手続 手続補正書（自発） 昭和６１年３月１８日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）半導体基板自体として形成されるか、または該半導
   体基板に対して分離的に形成された第一導電型の第一半
   導体領域と； 該第一半導体領域の上下両表面の中、一方の表面側に形
   成され、上記第一導電型とは逆導電型であって上記第一
   半導体領域との間でｐｎ接合ダイオードを形成する第二
   の半導体領域と；上記第一半導体領域とは反対側から上
   記第二半導体領域に接触することにより、該第一半導体
   領域との間の離間距離をして上記第二半導体領域の実効
   厚味を規定する第三領域と； 上記第一半導体領域の上記上下両表面の中、上記一方に
   対向する他方の表面側に形成され、上記第一半導体領域
   と注入接合を形成する第四領域と； から成り、上記ｐｎ接合ダイオードへの逆バイアスで生
   ずる空乏層が上記第三領域に到達したときに生ずる上記
   第一半導体領域と上記第三領域との間のパンチスルーに
   よりサージ電流を吸収することを特徴とするサージ吸収
   素子。 ２）半導体基板自体として形成されるか、または該半導
   体基板に対して分離的に形成された第一導電型の第一半
   導体領域と； 該第一半導体領域の上下両表面の中、一方の表面側に形
   成され、上記第一導電型とは逆導電型であって上記第一
   半導体領域との間で第一のｐｎ接合ダイオードを形成す
   る第二の半導体領域と； 上記第一半導体領域とは反対側から上記第二半導体領域
   に接触することにより、該第一半導体領域との間の離間
   距離をして上記第二半導体領域の実効厚味を規定する第
   三領域と； 上記第一半導体領域の上記上下両表面の中、上記一方に
   対向する他方の表面側に形成され、上記第一導電型とは
   逆導電型であって上記第一半導体領域との間で上記第一
   のｐｎ接合ダイオードとは逆向きの第二のｐｎ接合ダイ
   オードを形成する第四の半導体領域と； 上記第一半導体領域とは反対側から上記第四半導体領域
   に接触することにより、該第一半導体領域との間の離間
   距離をして上記第四半導体領域の実効厚味を規定する第
   五領域と； から成り、上記第一、第二の二つのｐｎ接合ダイオード
   のいづれか一方への逆バイアスで生ずる空乏層が対応す
   る上記第三領域または第五領域のいづれか一方に到達し
   たときに生ずる上記第一半導体領域と上記第三領域また
   は上記第一半導体領域と上記第五領域との間のパンチス
   ルーによりサージ電流を吸収することを特徴とするサー
   ジ吸収素子。