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JPS5932904B2 - bidirectional photothyristor - Google Patents
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JPS5932904B2 - bidirectional photothyristor - Google Patents

bidirectional photothyristor

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Publication number
JPS5932904B2
JPS5932904B2 JP56190872A JP19087281A JPS5932904B2 JP S5932904 B2 JPS5932904 B2 JP S5932904B2 JP 56190872 A JP56190872 A JP 56190872A JP 19087281 A JP19087281 A JP 19087281A JP S5932904 B2 JPS5932904 B2 JP S5932904B2
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JP
Japan
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layer
semiconductor substrate
semiconductor
main surface
main
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信武 小西
勉 八尾
達弥 亀井
昌弘 岡村
卓三 小川
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Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10FINORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F30/00Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors
    • H10F30/20Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors
    • H10F30/21Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H10F30/26Individual radiation-sensitive semiconductor devices in which radiation controls the flow of current through the devices, e.g. photodetectors the devices having potential barriers, e.g. phototransistors the devices being sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation the devices having three or more potential barriers, e.g. photothyristors
    • H10F30/263Photothyristors

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  • Thyristors (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は光トリガ−信号により双方向にスイッチング動
作する双方向性ホトサイリスタに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a bidirectional photothyristor that performs bidirectional switching operation using an optical trigger signal.

トリガ−信号により双方向にスイッチング動作する双方
向性サイリスタは、通常、交互に導電性の異なる連続し
た5層を有し、これら5層は両外側層を一方の端層とす
る互いに逆極性の一対の4層領域を形成してなる半導体
基体と、半導体基体のそれぞれの外側層と隣接中間層に
オーミック接触する一対の主電極と、トリガ−信号を付
与する手段とを具備している。かかるサイリスタは、主
電極間に一方の主電極が他方の主電極より高電位となる
電圧が印加された状態でトリガ−信号を付与すると、一
方の主電極から他方の主電極に向う方向が順方向となる
4層領域が導通状態となり、逆に主電極間に他方の主電
極が一方の主電極より高電位となる電圧が印加された状
態でトリカー信号に付与すると、他方の主電極から一方
の主電極に向う方向が順方向となる4層領域が導通状態
となるように動作する。トリカー信号を付与する手段と
しては、半導体基体のいずれかの層へゲート電極を設け
、このゲート電極からゲート信号電流を流して装置をス
イツチング動作させるいわゆる電気ゲート方式が一般的
である。
A bidirectional thyristor that switches in both directions based on a trigger signal usually has five successive layers of alternating conductivity, and these five layers have opposite polarities, with both outer layers serving as one end layer. The semiconductor device includes a semiconductor substrate formed with a pair of four-layer regions, a pair of main electrodes in ohmic contact with each outer layer and an adjacent intermediate layer of the semiconductor substrate, and means for applying a trigger signal. In such a thyristor, when a trigger signal is applied between the main electrodes while a voltage is applied such that one main electrode has a higher potential than the other main electrode, the direction from one main electrode to the other main electrode becomes normal. When the four-layer region in the direction becomes conductive, and conversely, when a voltage is applied between the main electrodes so that the other main electrode has a higher potential than one main electrode, and the trigger signal is applied, the voltage from the other main electrode to one of the main electrodes becomes conductive. The four-layer region whose forward direction is the direction toward the main electrode becomes conductive. As a means for applying a trigger signal, a so-called electric gate method is generally used, in which a gate electrode is provided on any layer of a semiconductor substrate, and a gate signal current is caused to flow from this gate electrode to cause a switching operation of the device.

しかしながら電気ゲート方式には次のような欠点がある
。(1)対称的な双方向スイツチング動作をさせるには
ゲート電極を2個設ける必要があり、そのために互いに
電気的に絶縁された2個のゲート回路を必要とする。(
2)ゲート電極を1個にする場合には、ゲート電極を2
個の4層領域に近接した個所に設け、しかもゲート電極
を設けた主表面とは反対側の主表面に露出する外側層の
一部を積層方向に投影したときにゲート電極が接触して
いる部分と重り合うように形成することから、転流時に
おいてゲート信号電流が付与される前に導通状態になる
いわゆる誤点弧をするおそれがある。(3)またゲート
電極が1個の場合には、対称的なスイツチング特性を得
るのが難しい。(4)2個の4層.領域相互間の干渉作
用を防止するために、4層領域相互間に積層方向に投影
したとき両外側層が所定距離だけ離れ中間の3層領域に
よつて隔離領域を形成することが行なわれているが隔離
領域を形成する場合にはゲート電極は2個必要となり(
1)で述べた欠点がある。(5)誘導作用による誤点弧
のおそれがある。以上述べた電気ゲート方式の欠点のた
め、これまで双方向性スイツチング動作をする双方向性
サイリスタは高い信頼性の要求されない用途に限られ、
また電流電圧容量の小さいものが殆んどであつた。
However, the electric gate method has the following drawbacks. (1) In order to perform a symmetrical bidirectional switching operation, it is necessary to provide two gate electrodes, which requires two gate circuits that are electrically insulated from each other. (
2) When using one gate electrode, use two gate electrodes.
The gate electrode is provided in a location close to the four-layer region of the individual, and the gate electrode is in contact with the part of the outer layer exposed on the main surface opposite to the main surface on which the gate electrode is provided, when projected in the stacking direction. Since they are formed so as to overlap with each other, there is a risk of so-called erroneous ignition in which conduction occurs before a gate signal current is applied during commutation. (3) Furthermore, when there is only one gate electrode, it is difficult to obtain symmetrical switching characteristics. (4) Two 4 layers. In order to prevent interference between the regions, when projected in the stacking direction between the four layer regions, both outer layers are separated by a predetermined distance and an isolation region is formed by the middle three layer regions. However, when forming an isolation region, two gate electrodes are required (
It has the drawbacks mentioned in 1). (5) There is a risk of erroneous ignition due to the induction effect. Due to the drawbacks of the electric gate method mentioned above, bidirectional thyristors that perform bidirectional switching operation have been limited to applications that do not require high reliability.
Also, most of them had small current-voltage capacity.

トリカー信号を付与する手段として最近注目されている
ものに、半導体基体へトリカー信号を光に変換して照射
することによりスイツチング動作させる。
One method that has recently attracted attention as a means for applying a trigger signal is to perform a switching operation by converting the trigger signal into light and irradiating it onto a semiconductor substrate.

いわゆる光トリカー方式がある。光トリカー方式は電気
トリカー方式に比較して、(1)電気的に隔離して配置
した2個の4層領域をこれらと電気的に絶縁した1個の
光源により点弧できるためゲート回路が1個でよい。(
2)双方向サイリスタの回路とゲート回路とが電気的に
絶縁されているため、サイリスタを高電圧回路へ適用す
るのが容易である、(3)誘導作用による誤点弧のおそ
れがない等の利点がある。しかしながら、光トリカー方
式においても次のような欠点がある。第1の欠点は2個
の4層領域の点弧感度の不均衡の問題である4層領域を
光点弧する場合、点弧に有効なキヤリアの発生領域は逆
バイアスされた中央接合の近傍であり、光点弧感度を向
上するためには光を中央接合の近傍に照射する必要があ
る。半導体基体の一方の主表面から光を照射して2個の
4層領域を点弧させようとする場合、2個の4層領域の
点弧に有効なキヤリアの発生領域となる逆バイアスされ
た中央接合と光源との距離は5層のうちの中央層の厚さ
だけ異なる。光源から遠い接合をもつ4層領域において
は、照射された光が中央層内において吸収され指数関数
的に減衰するため、その光点弧感度は光源に近い中央接
合をもつ4層領域より著しく低下する。この点弧感度の
不均衡を除去するためには、半導体基体の一対の主表面
相互を連絡する側端面に光を照射するか或いは両主表面
に光を照射することが考えられる。前者の場合には光源
(照射面積)を大きくするか或いは2個にしなければ点
弧しないという欠点があり、後者の場合には光源が2個
必要となる他に装置の構造上採用することが難しいとい
う欠点がある。これが第2の欠点である。前者の場合の
欠点を補足説明するならば、双方向性サイリスタは主電
極によつて外側層と隣接中間層とが短絡された構造を採
ることから、2個の4層領域が隣接している個所にその
照射によつて電子正孔対が生じたとしても、それは外側
層へは流入せず殆んど中間層から直接主電極に引き出さ
れ点弧には何ら寄与しなくなり従つて光トリカー信号に
て双方向性サイリスタを点弧する場合には2個の4層領
域の隣接個所から離れた個所でそれぞれの4層領域毎に
光トリカー信号を付与する必要がある。そのためには光
源を2個設けるか或いは照射面積の広い光源を使用する
ことになるのである。第3の欠点は転流時の誤点弧を防
止しようとすれば点弧感度の低下或いは2個の光源を必
要とすることである。双方向性サイリスタにおいては、
一方のサイリスタが導通状態から非導通状態になり他方
のサイリスタが非導通状態から導通状態に移行するいわ
ゆる転流時に一方のサイリスタの残留蓄積キヤリアの影
響によつて他方のサイリスタがトリカー信号の付与され
る前に点弧するという好ましくない特性を有している。
これを改善するため両サイリスタ間にサイリスタとして
動作しない隔離領域を形成し更にその領域に重金属原子
を分布させることが知られている。これは重金属原子を
分布しない時には隔離領域の幅が大きくなり半導体基体
の利用率が低下するためである。このような双方向性サ
イリスタでは、隔離領域におけるキヤリアのライフタイ
ムが短いこと及び前述した理由から、隔離領域から離れ
た個所即ち各サイリスタ毎にトリカー信号用の光源を必
要とする。現在の技術では半導体基体が比較的厚い場合
には隔離領域のみに重金属原子を分布させることは難し
く、普通は半導体基体全体に重金属原子を分布させてい
る。このような場合には光トリカー信号をいずれの個所
に付与してもキヤリアのライフタイムが短いため光量を
多くしないと点弧できないのである。以上のような欠点
のため光トリカー方式は電気トリカー方式に比較して優
れた点があるにも拘わらず、高耐圧、大電流の双方向性
サイリスタのトリカー方式として採用されていないので
ある。本発明の目的は、同一の光源からの光トリカー信
号によつて点弧する対称的な双方向電流一電圧特性をも
ち、双方向に略等しい光点弧感度をもつ新規な双方向性
ホトサイリスタを提供することにある。
There is a so-called optical trigger system. Compared to the electric trigger system, the optical trigger system has the following advantages: (1) two 4-layer regions arranged electrically isolated can be ignited by a single light source electrically insulated from them; One piece is enough. (
2) Since the bidirectional thyristor circuit and the gate circuit are electrically isolated, it is easy to apply the thyristor to high voltage circuits; (3) there is no risk of false firing due to inductive action, etc. There are advantages. However, the optical tricar system also has the following drawbacks. The first drawback is the problem of imbalance in ignition sensitivity between the two 4-layer regions.When igniting a 4-layer region, the carrier generation region effective for ignition is near the reverse biased central junction. Therefore, in order to improve the light ignition sensitivity, it is necessary to irradiate light near the central junction. When attempting to ignite two 4-layer regions by irradiating light from one main surface of the semiconductor substrate, a reverse biased region that is a generation region of a carrier effective for igniting the two 4-layer regions is used. The distance between the central junction and the light source differs by the thickness of the central layer among the five layers. In a 4-layer region with a junction far from the light source, the irradiated light is absorbed in the central layer and decays exponentially, so the light firing sensitivity is significantly lower than in a 4-layer region with a central junction close to the light source. do. In order to eliminate this imbalance in ignition sensitivity, it is conceivable to irradiate light onto the side end face that connects the pair of main surfaces of the semiconductor substrate, or to irradiate both main surfaces with light. In the former case, the disadvantage is that the light source (irradiation area) must be increased or used in two units for ignition to occur; in the latter case, two light sources are required, and it cannot be adopted due to the structure of the device. It has the disadvantage of being difficult. This is the second drawback. To explain the shortcomings of the former case, since bidirectional thyristors adopt a structure in which the outer layer and the adjacent intermediate layer are short-circuited by the main electrode, the two four-layer regions are adjacent to each other. Even if electron-hole pairs are generated at a certain point by the irradiation, they do not flow into the outer layer, but are mostly extracted directly from the intermediate layer to the main electrode, and do not contribute to ignition at all, so the optical trigger signal In order to fire the bidirectional thyristor, it is necessary to apply an optical trigger signal to each of the four-layer regions at a location away from the adjacent portions of the two four-layer regions. For this purpose, two light sources must be provided or a light source with a wide irradiation area must be used. A third drawback is that in order to prevent false ignition during commutation, ignition sensitivity is reduced or two light sources are required. In bidirectional thyristors,
During so-called commutation, when one thyristor changes from a conducting state to a non-conducting state and the other thyristor changes from a non-conducting state to a conducting state, a trigger signal is applied to the other thyristor due to the influence of the residual accumulated carrier of one thyristor. It has the undesirable characteristic of igniting before it is activated.
In order to improve this problem, it is known to form an isolation region between both thyristors that does not operate as a thyristor, and to further distribute heavy metal atoms in that region. This is because when heavy metal atoms are not distributed, the width of the isolation region increases and the utilization rate of the semiconductor substrate decreases. Such bidirectional thyristors require a light source for the trigger signal at a location remote from the isolation region, ie, for each thyristor, due to the short lifetime of the carrier in the isolation region and for the reasons mentioned above. With current technology, it is difficult to distribute heavy metal atoms only in isolated regions when the semiconductor substrate is relatively thick, and the heavy metal atoms are usually distributed throughout the semiconductor substrate. In such a case, no matter where the optical trigger signal is applied, the lifetime of the carrier is short, so ignition cannot be achieved unless the amount of light is increased. Due to the above-mentioned drawbacks, the optical trigger system has not been adopted as a trigger system for high-voltage, large-current bidirectional thyristors, even though it has advantages over the electric trigger system. The object of the present invention is to provide a novel bidirectional photothyristor which has symmetrical bidirectional current-voltage characteristics that are triggered by an optical trigger signal from the same light source, and which has substantially equal optical firing sensitivity in both directions. Our goal is to provide the following.

本発明の別な目的は、転流時の誤点弧のおそれのない新
規な双方向性ホトサイリスタを提供することにある。
Another object of the present invention is to provide a novel bidirectional photothyristor that is free from false firing during commutation.

本発明の更に別な目的は、高耐圧、大電流の回路に適用
可能な新規な双方向性ホトサイリスタを提供することに
ある。
Still another object of the present invention is to provide a novel bidirectional photothyristor that can be applied to high-voltage, large-current circuits.

かかる目的を達成する本発明双方向性ホトサイリスタの
特徴とするところは、互いに極性が逆で特性の略等しい
2個のサイリスタ部分を近接配置し、各サイリスタ部分
の互いに近接している個所のベベリングした側面に光ト
リカー信号を照射するようにした点にある。
The bidirectional photothyristor of the present invention that achieves the above object is characterized by arranging two thyristor portions close to each other with opposite polarities and substantially the same characteristics, and beveling the portions of each thyristor portion that are close to each other. The main point is that the optical trigger signal is irradiated on the side surface of the sensor.

これによつて、同一光源からの光トリカー信号により双
方向に略等しい光点弧感度を有する双方向性ホトサイリ
スタの実現を可能にする。本発明双方向性ホトサイリス
タの他の特徴とするところは、互いに極性の逆な2個の
サイリスタ部分相互間を分離した点にある。これによつ
て、転流耐量の高い高耐圧、大電流の双方向性ホトサイ
リスタの実現を可能にする。本発明双方向性ホトサイリ
スタの更に他の特徴は、以下の実施例の説明より明らか
となろう。第1図及び第2図は本発明双方向性ホトサイ
リスタの第1の実施例で、1は互いに反対側に位置する
一対の主表面11,12及び主表面相互を連絡する側端
面13を有し、主表面間に隣接層間にPN接合を形成す
る如く交互に導電性の異なるNE,,PBl,NB,,
PElの4層を具備する第1の半導体基体部分、2は互
いに反対側に位置する一対の主表面21,22及び主表
面相互を連絡する側端面23を有し、主表面間に隣接層
間にPN接合を形成する如く交互に導電性の異なるNE
,,PB,,NB2,PE2の4層を具備する第2の半
導体基体部分で、これら両部分の各層は図面に示されて
いるように、NElとNE2,PElとPB2,NBl
とNB2,PBlとPE2とが略等しい厚さに形成され
ている。
This makes it possible to realize a bidirectional photothyristor that has substantially equal light firing sensitivity in both directions using a light trigger signal from the same light source. Another feature of the bidirectional photothyristor of the present invention is that two thyristor parts having opposite polarities are separated from each other. This makes it possible to realize a bidirectional photothyristor with high commutation capability, high breakdown voltage, and large current. Further features of the bidirectional photothyristor of the present invention will become clear from the following description of the embodiments. 1 and 2 show a first embodiment of the bidirectional photothyristor of the present invention, in which 1 has a pair of main surfaces 11 and 12 located opposite each other and a side end surface 13 that communicates with the main surfaces. Then, NE, PBl, NB, .
A first semiconductor body part 2 comprising four layers of PEL has a pair of main surfaces 21, 22 located opposite to each other and a side end surface 23 communicating the main surfaces with each other, with no gap between adjacent layers between the main surfaces. NEs of different conductivity are alternately formed to form a PN junction.
, PB, , NB2, PE2, each layer of these parts is as shown in the drawing: NEl and NE2, PEl and PB2, NBl.
and NB2, and PBl and PE2 are formed to have approximately the same thickness.

これは後述するように同一半導体板を出発母材として両
部分を形成することによつて達成される。勿論各層の濃
度も結果的に略等しくなる。3及び4は第1の半導体基
体部分1の主表面においてPEl層及びNEl層とPB
l層にそれぞれオーミツク接触したアノード電極及びカ
ソード電極、5及び6は第2の半導体基体部分2の主表
面においてPE2層及びNE2層とPB2層にそれぞれ
オーミツク接触したアノード電極及びカソード電極であ
る。
This is achieved by forming both parts using the same semiconductor substrate as a starting material, as will be described later. Of course, the concentrations of each layer become approximately equal as a result. 3 and 4 are the PEl layer, the NEl layer and the PB on the main surface of the first semiconductor body portion 1.
An anode electrode and a cathode electrode 5 and 6 are in ohmic contact with the PE2 layer and the NE2 layer and the PB2 layer, respectively, on the main surface of the second semiconductor substrate portion 2;

カソード電極4とアノード電極5とは図示してないが電
気的に接続されている。7はその上に第1及び第2の半
導体基体部分を互いに極性が逆となるように即ち第1の
半導体基体部分1はアノード電極3が、第2の半導体基
体部分2はカソード電極6がそれぞれ下側となるように
し、かつ互いに接近して載置する補助支持板である。
Although not shown, the cathode electrode 4 and the anode electrode 5 are electrically connected. 7 has the first and second semiconductor substrate portions placed thereon so that the polarities are opposite to each other, that is, the first semiconductor substrate portion 1 has an anode electrode 3, and the second semiconductor substrate portion 2 has a cathode electrode 6, respectively. These are auxiliary support plates placed on the lower side and close to each other.

第1の半導体基体部分はアノード電極3を設けた主表面
11がカソード電極4を設けた主表面12より広面積と
なるように側端面13が主表面に対し傾斜し、第2の半
導体基体部分2はカソード電極6を設けた主表面22が
アノード電極5を設けた主表面21より広面積となるよ
うに側端面23が主表面に対し傾斜しているこのため第
1及び第2の半導体基体部分相互間にはV字形の溝8が
形成される。この字形の溝8を形成している両側端面部
分にはすべてのPN接合が露出している。9はV字形の
溝8の表面の一部に光トリカー信号を照射するための光
源である。
The first semiconductor substrate portion has side end surfaces 13 inclined with respect to the main surface so that the main surface 11 provided with the anode electrode 3 has a larger area than the main surface 12 provided with the cathode electrode 4, and the second semiconductor substrate portion 2 has side end surfaces 23 inclined with respect to the main surface so that the main surface 22 on which the cathode electrode 6 is provided has a larger area than the main surface 21 on which the anode electrode 5 is provided. A V-shaped groove 8 is formed between the parts. All the PN junctions are exposed at both side end face portions forming this letter-shaped groove 8. Reference numeral 9 denotes a light source for irradiating a part of the surface of the V-shaped groove 8 with an optical trigger signal.

光源9としては、発光ダイオードの如き固体発光素子を
半導体基体に接近して配置してもよいし、装置を収容す
るパツケージに窓を設けて外部光源を窓を通じて照射さ
せてもよいし、更に例えばフアイバースコープの如き光
伝達部材を用いて光を照射してもよい。図では、半導体
基体部分表面を安定に保持するためのパシベーシヨン膜
及び装置を収容するパツケージは省略してある。かかる
双方向性ホトサイリスタは、同一の半導体基板に極性の
逆な2個の4層領域を形成した後両領域相互間に溝8を
形成して分離することによつて製作することが出来る。
As the light source 9, a solid state light emitting device such as a light emitting diode may be arranged close to the semiconductor substrate, or a window may be provided in the package housing the device and an external light source may be irradiated through the window. Light may be irradiated using a light transmitting member such as a fiberscope. In the figure, a passivation film for stably holding the surface of a semiconductor substrate portion and a package containing a device are omitted. Such a bidirectional photothyristor can be manufactured by forming two four-layer regions with opposite polarities on the same semiconductor substrate and then separating the two regions by forming a groove 8 between them.

すなわち、よく知られているようにN型シリコン基板を
用意し、その両主表面からP型不純物を拡散してPB,
,PEl,PE2,PB2を同時に形成する。その後、
両主表面からN型不純物を選択拡散してNEl,NE2
を同時に形成する。その後溝8を形成する。これによつ
て、特性の揃つた2個の半導体基体部分が得られるこの
製法は2個の半導体基体部分(サイリスタ部分)の特性
を揃えること及び作業性から好ましい。次にかかる構成
の双方向性ホトサイリスタの作用を説明する。
That is, as is well known, an N-type silicon substrate is prepared, and P-type impurities are diffused from both main surfaces of the substrate to form PB,
, PEl, PE2, and PB2 are formed simultaneously. after that,
N-type impurities are selectively diffused from both main surfaces to form NEl and NE2.
are formed at the same time. Thereafter, grooves 8 are formed. This manufacturing method, in which two semiconductor body portions having the same characteristics can be obtained, is preferable from the viewpoint of making the characteristics of the two semiconductor body portions (thyristor portions) the same and from the viewpoint of workability. Next, the operation of the bidirectional photothyristor having such a configuration will be explained.

まず、電極4,5が電極3,6より負電位となるような
電圧が印加され、第1の半導体部分ではNEl層とPB
l層との間のPN接合Jll及びNB,層とPE,層と
の間のPN接合J,3が順バイアスされPBl層とNB
l層との間のPN接合Jl2が逆バイアス状態となり、
第2の半導体基体部分ではPB2層とNB2層との間の
PN接合J22が順バイアスされNE2層とPB2層と
の間のPN接合J2,及びNB2層とPE2層との間の
PN接合占.が遊督アス状態となつている場合を説明す
る。この状態で光源9より溝8の表面へトリカー信号と
しての光を照射すると順阻止状態にある第1の半導体基
体部分が点弧する。その点弧機構を詳述する。光の照射
によつてPN接合J,2の溝8に露出する個所付近に電
子正孔対が生成し、電子はNB,層へ正孔はPB,層に
それぞれ集められる。PBl層に集まつた正孔はPB,
層の電位を次第に下げ、PN接合Jllの右端において
接合に加わる電圧が障壁電圧(Built−1nu01
tage)より高くなると、その個所においてNEl層
よりPBl層へ電子の注入が開始される。PBl層に注
入された電子はPN接合Jl2を通りNB,層内に拡散
するこの電子の拡散によつてNBl層の電位が上がりP
N接合Jl3のバイアス電圧が障壁電圧以上になるとP
El層よりNBl層へ正孔が注入される注入された正孔
はNBl層からPBl層へ拡散しPN接合J,,を順バ
イアスする。これによつてNEl層からの電子の注入が
促進される。以上の動作がくり返され各トランジスタと
しての電流増幅率の和α1仔+αNPNが1より大きく
なるとNEl,PB,,NBl,PElからなる4層領
域が導通状態となる。次に電極4,5が電極3,6より
正電位となるような電圧が印加された場合には、順阻止
状態となる第2の半導体基体部分において上述したと同
様の動作がくり返され、NE2,PB2,NB2,PE
2からなる4層領域が導通状態となる。以上の説明から
明らかなように、本発明双方向性サイリスタは2個の半
導体基体部分間にそれぞれ中央接合Jl2,J22が露
出する溝が形成されその溝にトリカー信号としての光を
照射してそれぞれの半導体基体部分をスイツチング動作
させるものであるため、同一光源によつて双方向に略等
しい感度にてスイツチング動作させることが可能となる
oまた、本発明双方向性ホトサイリスタによれば、2個
の半導体基部分相互間に溝が形成されて両部分を隔離し
ているため転流時における残留キヤリアによる誤点弧が
なくなり、転流耐量を高くすることが可能となる。
First, a voltage is applied such that the electrodes 4 and 5 have a more negative potential than the electrodes 3 and 6, and in the first semiconductor part, the NEl layer and the PB
The PN junctions Jll and NB between the l layer and the PE layer are forward biased, and the PN junction J,3 between the layers PBL and NB is forward biased.
The PN junction Jl2 between the l layer is in a reverse bias state,
In the second semiconductor body portion, the PN junction J22 between the PB2 layer and the NB2 layer is forward biased, and the PN junction J2 between the NE2 layer and the PB2 layer and the PN junction J22 between the NB2 layer and the PE2 layer are forward biased. Let us explain the case where is in the Yudo Asu state. In this state, when the light source 9 irradiates the surface of the groove 8 with light as a trigger signal, the first semiconductor substrate portion which is in the forward blocking state is ignited. The ignition mechanism will be explained in detail. By irradiation with light, electron-hole pairs are generated in the vicinity of the exposed portion of the groove 8 of the PN junction J,2, and the electrons are collected in the NB layer and the holes are collected in the PB layer, respectively. The holes gathered in the PBL layer are PB,
The potential of the layer is gradually lowered, and the voltage applied to the junction at the right end of the PN junction Jll becomes the barrier voltage (Built-1nu01
When the voltage becomes higher than tage), injection of electrons from the NEl layer to the PBL layer starts at that point. The electrons injected into the PBl layer pass through the PN junction Jl2 and diffuse into the NB layer.Due to the diffusion of these electrons, the potential of the NBl layer increases and P
When the bias voltage of N junction Jl3 becomes higher than the barrier voltage, P
Holes are injected from the El layer to the NBL layer. The injected holes diffuse from the NBL layer to the PBL layer and forward bias the PN junction J, . This facilitates injection of electrons from the NEl layer. When the above operation is repeated and the sum α1+αNPN of the current amplification factors for each transistor becomes greater than 1, the four-layer region consisting of NEl, PB, NBl, and PEl becomes conductive. Next, when a voltage is applied such that the electrodes 4 and 5 have a more positive potential than the electrodes 3 and 6, the same operation as described above is repeated in the second semiconductor substrate portion which is in the forward blocking state. NE2, PB2, NB2, PE
The 4-layer region consisting of 2 becomes conductive. As is clear from the above description, in the bidirectional thyristor of the present invention, grooves are formed between the two semiconductor substrate parts to expose the central junctions Jl2 and J22, respectively, and the grooves are irradiated with light as a trigger signal. The bidirectional photothyristor of the present invention allows the switching operation to be performed with substantially equal sensitivity in both directions using the same light source. Since a groove is formed between the semiconductor base portions to isolate the two portions, false ignition due to residual carrier during commutation is eliminated, and commutation withstand capability can be increased.

更に、本発明双方向性ホトサイリスタによれば、各半導
体基体部分のPN接合(耐圧を持たせる)の露出する側
端面がPN接合に対して傾斜した構成となつているため
転流時における残留キヤリアによる誤点弧がなくなり、
転流耐量を高くすることが可能となる。更に、本発明双
方向性ホトサイリスタによれば、各半導体基体部分のP
N接合(耐圧を持たせる)の露出する側端面がPN接合
に対して傾斜した構成となつているため、高耐圧化を図
ることが可能となる。更にまた、本発明双方向性ホトサ
イリスタによれば、光トリカー信号を付与する個所が側
端面であり主表面全面に電極を取付けることができ従つ
て半導体基体の利用率が高くなり小形で電流容量の大き
い装置を得ることが可能となる。第3図は本発明双方向
性ホトサイリスタの第2の実施例で、第1の実施例に比
較して耐圧の高い装置を提供する・ものである。各部の
符号は第1の実施例と同じとした。半導体素子の高耐圧
化を図る1つの手段としてPN接合の露出する半導体基
体の側端面をPN接合に対して傾斜させるいわゆるベベ
リングが知られている。ベベリングにはPN接合の不純
物濃度の高い側のPN接合と平行な断面積が反対側より
大きくなるように側端面を傾斜させる場合と、逆に傾斜
させる場合とがあり前者を正ベベリング、後者を負ベベ
リングと称している。そして同一の耐圧を得る場合にP
N接合と側端面とのなす角度(ベベル角)は、負ベベリ
ングの場合が正ベベリングの場合よりも著しく小さいこ
とも知られている。第1の実施例のように側端面を同一
ベベル角にて傾斜させると負ベベリングとなるPN接合
Jl2,J23によつて装置の耐圧が低く決められる。
第2の実施例は負ベベリングとなるPN接合Jl2,J
23のベベル角を正ベベリングとなるPN接合Jl3,
J22のベベル角より小さくし、負ベベリングされたP
N接合の耐圧を正ベベリングされたPN接合の耐圧に近
づけ、これによつて装置の耐圧を高める構造としてある
。このような形状の溝はサンドブラスト法によつても形
成できるが、エツチング法を使用するのが好ましい。エ
ツチング法を用いる場合にはまず負ベベリングのための
浅い溝を形成し、次に正ベベリングのための深い溝を形
成すればよい。10は側端面を被覆する例えがシリコン
ゴム、ガラスのような絶縁物である。
Furthermore, according to the bidirectional photothyristor of the present invention, the exposed side end surface of the PN junction (which has a withstand voltage) of each semiconductor base portion is inclined with respect to the PN junction, so that no residue remains during commutation. Erroneous firing due to carrier is eliminated,
It becomes possible to increase the commutation withstand capacity. Furthermore, according to the bidirectional photothyristor of the present invention, P of each semiconductor substrate portion
Since the exposed side end face of the N junction (which has a breakdown voltage) is inclined with respect to the PN junction, it is possible to achieve a high breakdown voltage. Furthermore, according to the bidirectional photothyristor of the present invention, the portion to which the optical trigger signal is applied is the side end face, and the electrode can be attached to the entire main surface.Therefore, the utilization rate of the semiconductor substrate is high, and the current capacity is small and the current capacity is high. It becomes possible to obtain a large device. FIG. 3 shows a second embodiment of the bidirectional photothyristor of the present invention, which provides a device with higher voltage resistance than the first embodiment. The symbols of each part are the same as in the first embodiment. As one means for increasing the breakdown voltage of a semiconductor element, so-called beveling is known, in which the side end surface of a semiconductor substrate where a PN junction is exposed is inclined with respect to the PN junction. There are two types of beveling: one is to slope the side end face so that the cross-sectional area parallel to the PN junction on the side with higher impurity concentration is larger than the other side, and the other is to slope it in the opposite direction. This is called negative beveling. And when obtaining the same breakdown voltage, P
It is also known that the angle between the N-junction and the side end surface (bevel angle) is significantly smaller in the case of negative beveling than in the case of positive beveling. If the side end faces are inclined at the same bevel angle as in the first embodiment, the withstand voltage of the device is determined to be low by the PN junctions Jl2 and J23, which have negative beveling.
The second embodiment is a PN junction Jl2,J with negative beveling.
PN junction Jl3, where the bevel angle of 23 is a positive bevelling,
The bevel angle is smaller than that of J22, and the P is negatively beveled.
The structure is such that the breakdown voltage of the N junction is made close to that of the positively beveled PN junction, thereby increasing the breakdown voltage of the device. Although grooves having such a shape can also be formed by sandblasting, it is preferable to use etching. When using the etching method, first a shallow groove for negative beveling is formed, and then a deep groove for positive beveling is formed. Reference numeral 10 is an insulating material such as silicone rubber or glass that covers the side end surface.

次に本発明の効果を数値例により説明する。Next, the effects of the present invention will be explained using numerical examples.

本発明による装置として第3図に示す構造で800V1
100Aの双方向性ホトサイリスタを試作した。半導体
基体の径1.6礪、厚さ350μ、溝の上端の幅2.2
m1である。試作ホトサイリスタは0.1W(光出力1
0mW)の半導体発光素子からの光トリカー信号により
双方向にスイツチング動作し、電流減少率100A/μ
sのとき100V/μs以上の転流Dv/Dt耐量を備
えていることを確認した。これに対し、電気ゲート方式
を採用した3A,200V双方向性サイリスタにおける
、双方向にスイツチングさせるに必要なゲート電力3.
5vX300mAであり、転流時におけるDv/Dt耐
量は電流減少率が1A/μsのときでも高々20V/μ
sである。この場合2個のサイリスタ間には幅約1m1
Lの隔離領域が形成されている。
The device according to the present invention has a structure shown in FIG.
We prototyped a 100A bidirectional photothyristor. The diameter of the semiconductor substrate is 1.6 cm, the thickness is 350 μ, and the width of the upper end of the groove is 2.2 cm.
It is m1. The prototype photothyristor has a power output of 0.1W (light output of 1
0mW) Bidirectional switching operation is performed by the optical trigger signal from the semiconductor light emitting device, and the current reduction rate is 100A/μ.
It was confirmed that the commutation Dv/Dt withstand capacity of 100V/μs or more was provided when s. On the other hand, in a 3A, 200V bidirectional thyristor that uses an electric gate method, the gate power required for bidirectional switching is 3.
5v x 300mA, and the Dv/Dt tolerance during commutation is at most 20V/μ even when the current reduction rate is 1A/μs.
It is s. In this case, the width between the two thyristors is approximately 1m1.
L isolation regions are formed.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明双方向性ホトサイリスタの第1の実施例
を示す平面図、第2図は第1図の−線に沿う断面図、第
3図は本発明の第2の実施例を示す断面図、第4図は本
発明の第3の実施例を示す断面図である。 1・・・・・・第1の半導体基体部分、2・・・・・・
第2の半導体基体部分、3,4,5,6・・・・・・電
極、7・・・・・・補助支持板、8・・・・・・溝、9
・・・・・・光源。
FIG. 1 is a plan view showing a first embodiment of the bidirectional photothyristor of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along the line - in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the present invention. 1...First semiconductor base portion, 2...
Second semiconductor base portion, 3, 4, 5, 6... Electrode, 7... Auxiliary support plate, 8... Groove, 9
······light source.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 (a)互いに反対側に位置する一対の主表面をもち
、主表面間に交互に導電型の異なるPNPNの連続した
4層をもつ第1の半導体基体部分と、(b)第1の半導
体基体部分と近傍して配置され、互いに反対側に位置す
る一対の主表面をもち、主表面間に交互に導電型の異な
るNPNPの連続した4層をもつ第2の半導体基体部分
と、(c)第1の半導体基体部分及び第2の半導体基体
部分とをそれぞれの一方の主表面側で支持する支持部材
と、(d)第1の半導体基体部分の一方の主表面に露出
する外側のP層と第2の半導体基体部分の一方の主表面
に露出する外側のN層とを電気的に接続する第1の電極
手段と、(e)第1の半導体基体部分の他方の主表面に
露出する外側のN層と第2の半導体基体部分の他方の主
表面に露出する外側のP層とを電気的に接続する第2の
電極手段と、(f)第1の半導体基体部分及び第2の半
導体基体部分にそれぞれの他方の主表面側より光トリガ
ー信号を照射する手段と、を具備するものにおいて、第
1及び第2の半導体基体部分は、一方導電型の半導体基
板の両主表面の略全面から他方導電型の不純物を、次に
両主表面の選ばれた面から一方導電型の不純物を順次拡
散した後、それぞれの部分が主表面と平行をなす断面積
が他方の主表面から一方の主表面に向つて大きくなるよ
うな形状に分割することによつて形成され、光トリガー
信号は第1の半導体基体部分及び第2の半導体基体部分
に互いに近接した個所の両主表面を連絡する側面に照射
するようにしたことを特徴とする双方向性ホトサイリス
タ。
1. (a) A first semiconductor body portion having a pair of main surfaces located on opposite sides and having four consecutive layers of PNPN having different conductivity types alternately between the main surfaces; (b) a first semiconductor body portion; (c ) a support member that supports the first semiconductor base portion and the second semiconductor base portion on one main surface side of each; and (d) an outer P exposed on one main surface of the first semiconductor base portion. (e) a first electrode means for electrically connecting the layer and an outer N layer exposed on one major surface of the second semiconductor body portion; and (e) a first electrode means exposed on the other major surface of the first semiconductor body portion. (f) second electrode means for electrically connecting the outer N layer exposed on the other main surface of the second semiconductor body portion and the outer P layer exposed on the other main surface of the second semiconductor body portion; means for irradiating an optical trigger signal to each of the semiconductor substrate portions from the other main surface side, wherein the first and second semiconductor substrate portions are arranged on both main surfaces of the semiconductor substrate of one conductivity type. After sequentially diffusing impurities of the other conductivity type from almost the entire surface and then diffusing impurities of one conductivity type from selected surfaces of both main surfaces, the cross-sectional area of each part parallel to the main surface is diffused from the other main surface. The optical trigger signal is formed by dividing the first semiconductor substrate portion into a shape that becomes larger toward one main surface, and the optical trigger signal connects the two main surfaces of the first semiconductor substrate portion and the second semiconductor substrate portion at locations close to each other. A bidirectional photothyristor characterized in that the side surface of the photothyristor is illuminated.
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