JPS584464B2 - サイリスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光束の供給によって導通切換可能なサイリスタ
に関する。

高出力サイリスクの点弧のために多大の回路出費を必要
とし、例えば多数のサイリスクの直列接続、例えば大形
の整流器（ＨＧＵｅ−弁）の場合著るしい出費を必要と
する。

この種の回路出費の低減のために、サイリスタ構造体を
電位に関係なく点弧することは公知であり、例えば光束
（例えば米国特許第３，６９７，８３３号明細書）の供
給によって点弧する。

しかし公知の構造は、使用する光エネルギーを最適に利
用できないという欠点を有する。

シリコンの場合０．５１μｍ以下の光波長に対して高吸
収が生ずるという欠点を有する。

他方で光エネルギーは少くとも１．１１ｅＶ（λ＝１．
１μｍ）とし、ひいては電子一ホール一対を発生させな
ければならない。

シリコンの吸収定数は２．４３ｅＶ（λ＝０．５１μｍ
）から１０４ｃｍ−１以上となり、光束は半導体構造へ
１μｍだけ侵入する。

この値を改善するために、高エネルギー密度の赤外線光
源、例えばネオジム（λ＝１．０６μｍを有するＹＡＧ
−レーザまたはλ＝０．８９μｍを有するがスーレーザ
）を使用する。

この種のレーザの使用は多大の出費を伴なう。

光点弧のもう１つの方法、間接の光点弧（光電電流増幅
素子が発光する）は既述のように高い回路出費を必要と
する。

なぜなら一方で点弧電流を主回路から求めなければなら
ず、他方で順方向電圧が３桁の大きさにわたって変化す
るとしても、光電素子の電圧を一定に保持しなければな
らないからである。

本発明の課題は上述の欠点を回避し、例えば多大の回路
出費をすることなく廉価の光源によって点弧するサイリ
スクを提供することにある。

サイリスクは電流増幅素子を集積化して構成できるよう
にする必要がある。

さらにこの種のサイリスクを簡易に製作できなければな
らない。

この課題は本発明によれば次のようにして解決される。

すなわち光サイリスクは、少なくとも１つの端面を有す
る半導体基体と、該端面の領域まで延び、かつ順方向で
遮断特性を有するｐｎ接合部と、サイリスクを光によっ
て作動させる構造部と、アノード側ベース領域と、、カ
ソード側ベース領域とを有し、前記溝造部はｐｎ接合部
のところに空間電荷領域を含み、該空間電荷領域はサイ
リスクに電圧が印加された時に端面の前記領域まで延在
するようにし、前記ｐｎ接合部はアノード側ベース領域
とカソード側ベース領域との間に形成され、前記アノー
ド側ベース領域はカソード側ベース領域を通る少くとも
１つのチャネルの形で端面の前記領域まで延び、それに
より前記ｐｎ接合部は前記の一方の端面にまで達してお
り、その際ｐｎ接合部の電子雪崩降伏電圧より低い順方
向バイアス電圧がサイリスクに印加されている時にはｐ
ｎ接合部の空間電荷領域は所定の距離だけアノード側ベ
ース領域の中に侵入し、また前記チャネルはこの所定距
離の２倍に等しい直径と、ｐｎ接合部の深さに等しい深
さを有している。

この装置の利点は非常に僅かな侵入深度を有する通常の
光、例えば閃光ランプからの可視光をサイリスクの点弧
のために使用できる点にある。

光を空間電荷領域内に直接照射し、その際それにも拘ら
ず表面に現れる空間電荷領域はこの個所の電圧印加に対
して何ら支障とならない。

従って光は局部の電流密度を高めるために有効に利用さ
れ、それによって必要な光出力を小さく保持することが
できる。

光は空間電荷領域に吸収され、そこに電子一ホール一対
は直ちに分離される。

光が表面内の無電界領域または中立ベース領域において
吸収されるのを回避し、このことは荷電キャリア密度を
有効寿命に比例して高めることができる。

以下図を用いて本発明を詳細に説明する。

第１図は本発明の説明に供するサイリスク構造の概略図
であって、このサイリスク構造はカソード側のｐ形ベー
ス領域１（その中にｎ＋形エミツタ領域２が設けられ、
その上にカソード接点Ｋが載置されている），ｐ形ベー
ス領域１に続くアノード側のｎ形ベース領域３，ｐ形エ
ミツタ領域４ならびにアノード接点Ａの載置されたｐ＋
形領域５とる有する。

ｐ形ベース領域１に凹入部６が設けられ、この凹入部は
サイリスク構造の表面から目順方向遮断ベース領域１と
３との間のｐｎ接合部の空間電荷領域Ｘ／Ｙの範囲まで
達する。

凹入部６はｎ＋形領域７およびこの領域７に直接続くＰ
＋形領域８によって囲まれ、これら領域７，８は共通接
点９によって橋絡され、その際「増幅ゲート」（例えば
Ｎデイナミツシエ プロフレメ デアサイリストールテ
ヒニーク〃ＶＤＥ会報，アーヘン、１９７１年９月１５
／１６日号第１２８頁以下）の公知の構造が得られる。

この種のサイリスタ構造において電圧を順方向冫に印加
の際次のような電流密度Ｊが生ずる。

その際Ｊｉは生成電流（例えば熱的に発生する対）、γ
ｈ，γｅは領域４／３と２／１との間のｐｎ接合および
ｎ＋ｐ接合の効率、βｅ，βｈは領域１ないし３の中の
中立領域内の少数キャリアの伝送効率を表わす。

点弧前ではＪは障壁電流の電流密度である。

サイリスタを点弧させるために、以下の条件を満足させ
なければならない。

γｈ（Ｊ）βｈ（Ｊ）＋γｅ（Ｊ）βｅ（Ｊ）＝１この
条件を満足させる簡単な方法は生成電流Ｊｉを増大させ
ることによって、パラメータを電流密度に依存して利用
することにある。

この生成電流は光の入射によって着るしく増大する。

点弧のために例えばＩＡ／ｃｒｌの生成電流密度が必要
であると仮定する場合、キャリア電流密キヤリア）で求
められる（但し、ｑはキャリアの電荷である）。

例えばＮｄ：ＹＡＧ−レーザ（λ＝１．０６μｍ）から
出発する場合、通常比較的僅かなドーピンク（Ｎ≦１０
１７ｃｍ−３）に対して２８ｃｍ−１の吸収定数が得ら
れる。

その際１００μの空間電荷領域の全長にわたる吸収率は
０．２５である。

各吸収光量子が電子一ホール一対を形成する場合、単位
表面積当りの電力は３．４Ｗ／ｃｍ２となる。

１ｍｍ２のの表面を照射する場合、所要電力は３４ｍＷ
となる。

し力もこの電力を数μｓ以内で供給しｔ〜ならない。

空間電荷領域Ｘ／Ｙが得られる以前に、光が消滅してし
まわないようにするために、凹入部６が設けられ、この
凹入部は場合により空間電荷領域まで達する。

高い順方向電圧に対して空間電荷領域ないし障壁層は点
線で示す線によって制限され、また低い順方向電圧に対
して空間電荷領域ないし障壁層は破線で示す線Ｙによっ
て制限されている。

空間電荷領域の幅は所要電力へ影響を与え、小さな順方
向電圧の際所要電圧を高める。

なぜならこの場合光束は障壁層に達するためにシリコン
を通過しなければならないからである。

このために障壁層ないし空間電荷領域に対する凹入部の
間隔を慎重に選定しなければならない。

従ってこの種のサイリスク構造は凹入部の深さに対して
かなり重要であり、しかも製作は困難を伴う。

以下第２図を用いて説明する本発明による特に有利な構
造によって、上述の欠点を完全に回避することができる
。

第２図において弱くドープされたアノード側のｎ形ベー
ス領域３の狭幅のチャネル１０はカソードＫ領域のサイ
リスク構造表面まで達している。

チャネル１０は幅Ｂと、カソ一ド表面１１から順方向遮
断ｐｎ−接合１３まで深さＬを有する。

比較的に低い順方向電圧の際、空間電荷領域はベース領
域１と３との間のｐｎ−接合１３（実線で示す）に沿う
線Ｚ（鎖線）によって制限される。

その際チャネル１０の中央領域は中立のままである。

印加電圧が増大する場合、中立領域が縮小し、全チャネ
ル１０の荷電キャリアは空となる。

第２−図においてこのような状態は平均順方向遮電圧に
対して破線Ｙによって示し、また高い順方向遮断電圧に
対して点線Ｘによって示す。

チャネルを空乏化のために必要な電圧ＵＫはベース領域
１のｐ形断面（プロフィル）の形状、ベース領域３のｎ
形ドープ濃度およびチャネル幅Ｂに依存する。

これらパラメータの適正な選択によって、サイリスクに
対する所定の作動特性を選出することができる。

順方向遮断電圧をさらに増大する場合、チャネル１０の
正電圧はカフードないしｐ形領域の中立部分に対して余
り増大せず、従って空間電荷領域は表面近傍およびｐ形
ベース領域１においても拡大しない。

したがってチャネルの深さＬが十分な場合、たとえ順方
向電圧が増大しても、中立ｐ形領域と表面チャネル１０
の中央部との間の電圧を限界電圧ＵＫの選定値に保持で
きる。

チャネル１０を囲繞するｎ＋形領域７ならびにｐ＋形領
域８および共通接点９は点弧電流を増幅する集積素子（
増幅ゲート）として使用する。

端面１１の空間荷荷領域へ加わる光線によって直接発生
する電荷キャリア対は電界の発生において直ちに分離し
、点弧電流が形成され、この点弧電流は通常の制御電極
電流と同様に増幅素子７，８，９および主サイリスタを
点弧する。

この種のサイリスク構造の製作のために、例えば弱くｎ
形ドープされたサブストレートをマスクで被覆する。

マスクの直径はチャネル幅Ｂよりも大きく（ほぼＢ＋２
Ｌ）、その上にｐ形ベース１の形成のためにｐ形拡散が
行われる。

そのために例えば公知の技術が適する。

サイリスタの他の部分も公知の技術で製作される、従っ
て説明を省略する。

第２図の素子の寸法は次のように定めることができる。

通常のサイリスタにおいて、深いアルミニウム−拡散が
ｎ形サブストレートに行われた後、順方向遮断ｐｎ接合
（第２図の１３）がサイリスクのカソード側端面１１下
の９５μｍに位置する場合、チャネルの深さＬはＬ＝９
５μｍとなる。

サイリスクの場合例えばカソード側ベース領域１の表面
ドープ濃度はＮＡ＝１．５・ｌ０１６ｃｍ−３となり、
アノード側ベース領域３のｎ形ベース−ドープ濃度はＮ
Ｄ＝６．５・１０１３ｃｍ−３となる。

ベース領域１のドーピング断面の形はＮ（Ｚ）＝Ｎ４ｅ
ｒｆｃ（Ｚ／Ｚ０）の経過をとる。

ただしＺは端面１１からサイリスタへ垂直方向に測定さ
れる位置座標であり、Ｚ０は４７μｍである。

この種のｐｎ−接合のため（なだれ）降伏電圧はほぼ２
７００Ｖである。

この電圧の際障壁層ないし空間電荷領域はｐ形領域１へ
３５μｍ延在し、またｎ形領域３へ２００μｍ延在する
。

チャネルの幅Ｂはチャネル１０の中心とｐ形領域１との
間のサイリスクの表面１１上の許容電位差ｐＫにより定
められる。

例えばＵＫを１９０Ｖに定め、従って領域３のｎ形領域
の障壁層の幅が５０μｍとなる場合、チャネル幅Ｂは２
×５０μｍ＝１００μｍとなる。

本発明による構造の場合既述のように、アノードＡとカ
ソードＫとの間の電圧に対して電位経過がもはや変わら
ないようにすると好適である。

実際には最小のアノードーカソード電圧ＵＺも重要であ
り、この電圧ＵＺでサイリスタを点弧することができる
。

実験によれは、上述の構造の場合ＵＺを３０Ｖとするこ
とが可能であった。

このことは表面の荷電キャリアの再結合（点弧過程の際
、光照射によって発生する点弧電流が低減する）が上述
の構造にとって重要でないことを意味する。

点弧電流は素子内の荷電キャリアの再結合によって、拡
散長に依存する伝送効率のために減少しない。

サイリスクを点弧するために、例えばＩＺ＝１００ｍＡ
の点弧電流を必要とする。

点弧作用をする荷電キャリア対の数は障壁層ないし空間
電荷領域の表面Ｆ＝ｂ・１に比例し、この表面はサイリ
スタの端面１１の表面を形成する。

Ｕｚ＝３０Ｖの際ｐｎ−接合部１３の障壁層の幅はｂ＝
１２．５μｍ＋２１．５μｍ＝３４μｍである。

（１２．５μｍはｐ形領域１への侵入深度、２１．５μ
ｍはｎ形領域３への侵入深度を示す。

）面積Ｆをできるだけ大きくするために、ｐｎ−接合部
１３がサイリスタの端面１１と交わる線ｌをできるだけ
長くする。

そのための適当な解決法は表面へ隣接するｎ形領域３な
いし１０の櫛形構造（第３図）にある。

この配置がＢ＝１００μｍを有する場合、ｐｎ−接合部
１３の長さは３６ｍｍ（ｐ形ベース領域）であり、その
際櫛形構造は直径（Ｄ＝３ｍｍ）内に収納される。

障壁層の面積Ｆは０．０７ｃｍ２の円面積の約１／６で
ある。

この種の装置の場合、サイリスタの点弧のために使用す
る光源部分（面積Ｆへ結像される）は１．１ｅＶよりも
大きなエネルギを有する毎秒約２．５・１０１９の光子
を放射しなければならない。

これは温度一光源、例えばタングステン−線条に対して
約１６Ｗ（持続値）の所要電力を必要とし、この所要電
力は勿論１０−１００μｓｅｃ．の期間中閃光の形で利
用できなければならない。

従って光源としてアークランプを使用すると有利である
。

勿論第３図に示す構造と異なる有利な幾何学的構造も可
能である。

例えばベース領域３のｎ形ドーピングが表面まで達する
と領域１０が連結していなくてもよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は逆方向で遮断するサイリスタのカソード側端面
内の凹入部を介して光点弧を生せしめるサイリスタ構造
の側断面図、第２図は有利に変形された本発明によるサ
イリスク構造の上方の部分の側断面図、第３図は端面に
生ずるｐｎ接合部の特に有利な幾何学的構成を有する本
発明によるサイリスタ構造の平面図を示す。 １・・・・・・ｐ形ベース領域、２・・・・・・ｎ＋形
エミッタ領域、３・・・・・・ｎ形ベース領域、４・・
・・・・ｐ形エミツタ領域、６・・・・・・凹入部、１
３・・・・・・ｐｎ接合部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少なくとも１つの端面１１を有する半導体基体と、
   該端面１１の領域まで延び、かつ順方向で遮断特性を有
   するｐｎ接合部１３と、サイリスクを光によって作動さ
   せる構造部と、アノード側ベース領域３と、カソード側
   ベース領域１とを有し、前記構造部はｐｎ接合部１３の
   ところに空間電荷領域を含み、該空間電荷領域はサイリ
   スクに電圧が印加された時に端面１１の前記領域まで延
   在するようにし、前記ｐｎ接合部１３はアノード側ベー
   ス領域３とカソード側ベース領域１との間に形成され、
   前記アノード側ベース領域３はカソ一ド側ベース領域１
   を通る少くとも１つのチャネル１０の形で端面１１の前
   記領域まで延び、それにより前記ｐｎ接合部は前記の一
   方の端面１１にまで達しているようにし、その際ｐｎ接
   合部１３の電子雪崩降伏電圧より低い順方向バイアス電
   圧がサイリスクに印加されている時にはｐｎ接合部１３
   の空間電荷領域は所定の距離だけアノード側ペース領域
   ３の中に侵入し、また前記チャネル１０はこの所定距離
   の２倍に等しい直径と、Ｉ）ｎ接合部の深さに等しい深
   さを有していることを特徴とする光サイリスク。