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JPH0252862B2 - - Google Patents
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JPH0252862B2 - - Google Patents

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JPH0252862B2
JPH0252862B2 JP20344885A JP20344885A JPH0252862B2 JP H0252862 B2 JPH0252862 B2 JP H0252862B2 JP 20344885 A JP20344885 A JP 20344885A JP 20344885 A JP20344885 A JP 20344885A JP H0252862 B2 JPH0252862 B2 JP H0252862B2
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semiconductor region
semiconductor
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junction
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JP20344885A
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JPS6265383A (en
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Yutaka Hayashi
Masaaki Sato
Hiroaki Yoshihara
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National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は、雷やスイツチング・サージ等、各種
サージ要因に基く異常電圧から電気回路系を保護
するためのサージ吸収素子に関し、特にパンチス
ルー現象を利用したサージ吸収素子に関する。
[Detailed Description of the Invention] <Industrial Application Field> The present invention relates to a surge absorption element for protecting an electric circuit system from abnormal voltages caused by various surge factors such as lightning and switching surges, and in particular, the present invention relates to a surge absorption element for protecting an electric circuit system from abnormal voltages caused by various surge factors such as lightning and switching surges. This invention relates to a surge absorbing element using.

<従来の技術> サージ吸収素子とは、“降伏電圧”と呼ばれる
規定電圧値以上の高電圧が印加されたとき、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
に伴う大電流を吸収し、素子両端電圧を一定電圧
値以下にクランプして、保護すべき電気回路系に
そうした異常電圧の影響が及ばないようにするも
のを言うが、従来において市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)降伏原理によるものであつた。
<Prior art> A surge absorbing element is a surge absorbing element that, when a high voltage higher than a specified voltage value called "breakdown voltage" is applied, forms an equivalent low-impedance current line within itself in the subsequent process. , which absorbs the large current associated with the high voltage and clamps the voltage across the element below a certain voltage value to prevent such abnormal voltage from affecting the electrical circuit system to be protected. The operating mechanism of most of the products on the market was based on the avalanche yield principle.

すなわち、pn接合によるダイオード構造また
はトランジスタのダ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伏電圧をしてサージ吸
収素子としての降伏電圧を規定していた。
That is, the avalanche breakdown voltage when a reverse bias is applied to a diode structure using a pn junction or a diode connection structure of a transistor is used to define the breakdown voltage as a surge absorbing element.

<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”を直接に規定するもの
となる。
<Problems to be Solved by the Invention> As mentioned above, in the conventional surge absorbing element based on the avalanche breakdown principle, the avalanche breakdown voltage itself is the "breakdown voltage" used to describe the characteristics of the surge absorbing element. ” will be directly defined.

しかし一方、こうした従来素子における雪崩降
伏電圧は、pn接合を形成する両領域の中、高比
抵抗側を形成する一方の半導体領域、したがつて
一般に半導体基板の不不純物濃度の如何により、
略ゞ一義的に定まつてしまう。
However, on the other hand, the avalanche breakdown voltage in such conventional elements depends on the impurity concentration of one of the semiconductor regions forming the high resistivity side of the two regions forming the pn junction, and therefore generally of the semiconductor substrate.
It is almost uniquely defined.

そのため、こうした従来の雪崩降伏型サージ吸
収素子では、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
を得ようとするなら、それに応じて不純物濃度の
異なつた半導体基板を用いねばならない。
Therefore, in such conventional avalanche breakdown type surge absorbing elements, as long as semiconductor substrates with the same impurity concentration are used, it is impossible or extremely difficult to change the breakdown voltage arbitrarily, and it is difficult to obtain products with different breakdown voltages. Therefore, semiconductor substrates with different impurity concentrations must be used accordingly.

こうしたことは、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
も変わつ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計でき
ないのである。
Not only is this extremely irrational in itself, but changing the breakdown voltage also changes other electrical characteristics other than the breakdown voltage, such as junction capacitance and series resistance. In other words, junction capacitance, series resistance, etc. cannot be designed independently of breakdown voltage.

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、例え各ロツト毎には許容公
差の範囲内にあるとは言え、異なるロツト間では
始めから不純物濃度にバラ付きのある半導体基板
が供給されてきたような場合には、しかもそれが
予め分かつていたにしても、簡単にはこれを修正
する術がなく、したがつてその結果は、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
するロツト間変動ないしバラ付きとして、そのま
ま正直に反映されてしまう。
Conversely, in these conventional devices, the impurity concentration of different lots varies from the beginning, even if it is within the allowable tolerance range for each lot. In the case where the board has been supplied, and even if it was known in advance, there is no way to easily correct it, and the result is a surge absorption problem after the product is completed. This is honestly reflected as variations or variations between lots in the breakdown voltage of the device.

そして、こうした事情は、降伏電圧からさらに
はブレーク・オーバ電圧と呼ばれる電圧を越える
サージを受けたことによつて、素子がターン・オ
ン状態となつたとき以降のクランプ電圧に関して
も同じことが言える。従来、このクランプ電圧を
自在に設計し得るものはなかつたのである。
The same can be said of the clamp voltage after the element is turned on due to a surge exceeding the breakdown voltage or a voltage called breakover voltage. Conventionally, there was nothing that could freely design this clamp voltage.

さらに、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上においても制約を
生むことが多い。
Furthermore, in this type of conventional avalanche breakdown type surge absorbing element, there are often restrictions in terms of the actual physical structure.

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、雪崩降伏は一般
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、降伏後の入力電圧クランプ
時において接合の全面積部分に亘り均に電流を流
すことが極めて難しくなるからである。
This is because, in this type of surge absorbing element, when the second semiconductor region is formed in a buried manner by diffusion of impurities into the first semiconductor region, avalanche breakdown is generally likely to occur from the electric field concentration areas at both ends of the junction. This is because it becomes extremely difficult to flow current uniformly over the entire area of the junction when clamping the input voltage after breakdown.

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、既述したク
ランプ電圧が絶対値においてもそれほど低くはな
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。
In addition to these drawbacks, the above-mentioned conventional device also has the drawback that the above-mentioned clamp voltage does not become very low in absolute value when the input voltage is clamped after breakdown. In the case of avalanche breakdown, the clamp voltage is rather higher than the breakdown voltage at which avalanche breakdown begins.

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、熱容量
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。
Therefore, after breakdown, the power consumed within the device is the product of this clamp voltage and the absorption current, which is quite high in absolute value, resulting in a large amount of heat generation in the device. This, in turn, means that, from a heat capacity standpoint, there are significant limitations on the absorption current that can be tolerated by the device.

しかし、だからと言つて、このクランプ電圧を
可能な限り低くできれば良いかと言うとそうでも
ない。
However, this does not mean that it is better to just lower this clamp voltage as much as possible.

というのも、この種のサージ吸収素子は、保護
すべき回路系の電源部と負荷との間にあつて負荷
に対して並列に挿入されるため、用いた素子のク
ランプ電圧が十分に低く、当該電源部の電源電圧
よりも低いとなると、サージにより一度ターン・
オンした以上、例えその後にサージ要因がなくな
つたにしてもこの素子当該ターン・オン状態を維
持してしまい、電源エネルギを無駄に消費し続け
るからである(これを続流現象と言う)。
This is because this type of surge absorption element is inserted between the power supply section of the circuit system to be protected and the load in parallel to the load, so the clamp voltage of the element used is sufficiently low. If the power supply voltage is lower than the power supply voltage of the relevant power supply, it may turn once due to a surge.
This is because once it is turned on, even if the surge factor disappears afterwards, this element will remain in the turned-on state, and power supply energy will continue to be wasted (this is called a follow-on phenomenon).

したがつて、先の設計性との兼ね合いの問題と
もなるが、クランプ電圧は適用される回路系の電
源電圧に応じてそれよりは高いがそれにできるだ
け近い値に設定し得ることが最も望ましい。クラ
ンプ時の発熱を最少限度に抑えることができる一
方で、サージ要因が消失すれば続流現象を起こす
ことなく自動リセツトするからである。
Therefore, it is most desirable that the clamp voltage can be set to a value as close as possible to the power supply voltage of the circuit system to which it is applied, although it is higher than the power supply voltage, although this is also a matter of balance with the above-mentioned design efficiency. This is because, while heat generation during clamping can be suppressed to the minimum limit, once the surge factor disappears, it will automatically reset without causing a follow-on phenomenon.

本発明は以上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
ないし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やクランプ電
圧が得られ、したがつてまた、降伏電圧やクラン
プ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、もつてサージ吸収時にはクランプ電圧を降伏
電圧に比し、続流現象を起こさない下限にまで十
分に低電圧化しながら大電流をも吸収し得るサー
ジ吸収素子を提供せんとするものである。
The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional circumstances, and it is possible to achieve any desired breakdown voltage with ease of design over a considerable width, regardless of the impurity concentration, resistivity, or thickness of the semiconductor substrate used. Therefore, regardless of breakdown voltage or clamp voltage, junction capacitance, series resistance, etc.
Other electrical characteristics can be designed independently, and when absorbing a surge, the clamp voltage is compared to the breakdown voltage, and it is possible to absorb large currents while reducing the voltage sufficiently to the lower limit that does not cause a follow-on phenomenon. The present invention aims to provide a surge absorbing element.

<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、
動作当初の降伏メカニズムに関し従来の雪崩降伏
型に代え、新たな動作原理としてパンチスルー現
象を導入する一方で、降伏後のクランプ電圧の規
定に関しては雪崩降伏またはツエナ降伏、あるい
はパンチスルー現象を利用し得る新規な構成のサ
ージ吸収素子として、下記のようなサージ吸収素
子を提供する。
<Means for solving the problems> In order to achieve the above object, in the present invention,
Regarding the breakdown mechanism at the beginning of operation, instead of the conventional avalanche breakdown type, a punch-through phenomenon is introduced as a new operating principle, while the avalanche breakdown, Zener breakdown, or punch-through phenomenon is used to specify the clamp voltage after breakdown. The following surge absorbing element is provided as a surge absorbing element having a novel configuration.

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
型であつ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、
上記一方の表面に対向する他方の表面側に形成
されるか、または上記一方の表面側において上
記第二の半導体領域に対し横方向に離間して形
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; 上記第一半導体領域とは反対側から上記第四
領域に接触することにより、該第四領域との間
で整流性接合を形成する第五領域と; から成り、上記pn接合ダイオードの逆バイア
スで生ずる空乏層が対応する上記第三領域に到
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
流を吸収すると共に上記第四領域と上記第五領
域との間の上記整流性接合の降伏電圧によりク
ランプ電圧が規定されることを特徴とするサー
ジ吸収素子。
1. A first semiconductor region of a first conductivity type formed as the semiconductor substrate itself or separately formed with respect to the semiconductor substrate; one surface side of both upper and lower surfaces of the first semiconductor region; a second semiconductor region that is formed in a conductivity type opposite to the first semiconductor region and forms a pn junction diode with the first semiconductor region; a third region that is in contact with the second semiconductor region and defines an effective thickness of the second semiconductor region by determining a distance between the third region and the first semiconductor region; inside the surface,
formed on the other surface side opposite to the one surface, or formed laterally spaced apart from the second semiconductor region on the one surface side, and forming an injection bond with the first semiconductor region. a fourth region to be formed; a fifth region to form a rectifying junction with the fourth region by contacting the fourth region from the opposite side to the first semiconductor region; A surge current is absorbed by the punch-through between the first semiconductor region and the third region that occurs when the depletion layer generated by the reverse bias of the pn junction diode reaches the corresponding third region, and the surge current is absorbed by the fourth region. A surge absorbing element characterized in that a clamp voltage is defined by a breakdown voltage of the rectifying junction between and the fifth region.

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
型であつた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、
上記一方の表面に対向する他方の表面側に形成
されるか、または上記一方の表面側において上
記第二の半導体領域に対し横方向に離間して形
成され、上記第半導体領域と注入接合を形成す
る第四領域と; 上記第一半導体領域とは反対側から上記第四
領域に接触することにより該第四領域との間で
整流性接合を形成する第五領域と; 該第五領域に対し、さらに上記第四領域とは
反対側から整流性接合を形成する第六領域と; から成り、上記pn接合ダイオードの逆バイ
アスで生ずる空乏層が対応する上記第三領域に
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
電流をを吸収すると共に上記第五領域を介して
のパンチスルーによりクランプ電圧が規定され
ることを特徴とするサージ吸収素子。
2. A first semiconductor region of a first conductivity type formed as the semiconductor substrate itself or separately formed with respect to the semiconductor substrate; one surface side of both the upper and lower surfaces of the first semiconductor region; a second semiconductor region forming a pn junction diode with the first semiconductor region, which is formed in a conductivity type opposite to the first semiconductor region; a third region that is in contact with the second semiconductor region and defines an effective thickness of the second semiconductor region by determining a distance between the third region and the first semiconductor region; inside the surface,
formed on the other surface side opposite to the one surface, or formed laterally spaced apart from the second semiconductor region on the one surface side, forming an injection junction with the second semiconductor region. a fourth region that forms a rectifying junction with the fourth region by contacting the fourth region from the side opposite to the first semiconductor region; , and a sixth region forming a rectifying junction from the opposite side to the fourth region; A surge absorption element characterized in that a surge current is absorbed by punch-through between the first semiconductor region and the third region, and a clamp voltage is defined by punch-through through the fifth region.

3 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
型であつ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; 上記第半導体領域の上記上下両表面の中、上
記一方の表面に対向する他方の表面側に形成さ
れるか、または上記一方の表面側において上記
第二の半導体領域に対し横方向に離間して形成
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; 上記第三領域に対し上記第二半導体領域とは
反対側から整流性接合を形成する補助領域と; 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を
吸収すると共に上記第三領域と上記補助領域と
の間の上記整流性接合の降伏電圧によりクラン
プ電圧が規定されることを特徴とするサージ吸
収素子。
3. A first semiconductor region of a first conductivity type formed as the semiconductor substrate itself or separately formed with respect to the semiconductor substrate; one surface side of both upper and lower surfaces of the first semiconductor region; a second semiconductor region that is formed in a conductivity type opposite to the first semiconductor region and forms a pn junction diode with the first semiconductor region; a third region that is in contact with the second semiconductor region and defines an effective thickness of the second semiconductor region by determining a distance between the third region and the first semiconductor region; is formed on the other surface side opposite to the one surface, or is formed laterally apart from the second semiconductor region on the one surface side, and is separated from the first semiconductor region. a fourth region forming an injection junction; and an auxiliary region forming a rectifying junction from the opposite side of the third region from the second semiconductor region; The punch-through between the first semiconductor region and the third region that occurs when the layer reaches the third region absorbs the surge current and rectifies the current between the third region and the auxiliary region. 1. A surge absorption element characterized in that a clamp voltage is determined by a breakdown voltage of a magnetic junction.

<作用> まず、上記第一発明から第三発明のいづれにも
共通する作用から述べると、本発明のサージ吸収
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に伴い、当該接合に生成
される空乏層は、第一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。
<Function> First, to describe the function common to all of the first to third inventions, in the surge absorbing element of the present invention, a pn formed by a first semiconductor region and a second semiconductor region. As a reverse bias is applied to the junction diode, the depletion layer generated at the junction extends toward the first semiconductor region and at the same time extends toward the third region.

そしてこの空乏層が印加電圧の大きさに応じて
伸び続け、やがて第三領域にまで達すると、第一
半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電流が吸
収され始める。このパンチスルー動作開始電圧が
第4図中中において降伏電圧として示されたもの
である。
When this depletion layer continues to grow in accordance with the magnitude of the applied voltage and eventually reaches the third region, punch-through occurs between the first semiconductor region and the third region, and a surge occurs through this current path. Current begins to be absorbed. This punch-through operation starting voltage is shown as the breakdown voltage in FIG.

しかるに、この吸収電圧は、例え第一、第二発
明においての第五領域等が第四領域からはみ出し
て形成されている場合にも、主として第四領域か
ら第一半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、当該第領域が第一半導体
領域に対して少数キヤリアを注入し得る注入接合
を形成する材料(例えば第一半導体領域とは逆導
電型の半導体とかシリサイド、さらにはまた第一
半導体領域がp型である場合には電子注入の可能
な金属等)から構成されている限り、当該第四領
域から第一半導体領域内へ少数キヤリアの注入が
起こり、したがつて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
該少数キヤリアが第二半導体領域に流れ込んだ結
果として第半導体領域には電圧降下が生じ、第三
領域から第二半導体領域対してキヤリアの注入が
起こる。
However, even if the fifth region etc. in the first and second inventions are formed protruding from the fourth region, this absorbed voltage mainly flows through the path from the fourth region to the first semiconductor region. As mentioned in the summary, the first region is made of a material that forms an injection junction capable of injecting minority carriers into the first semiconductor region (for example, a semiconductor of a conductivity type opposite to that of the first semiconductor region, silicide, and Also, if the first semiconductor region is p-type, injection of minority carriers from the fourth region into the first semiconductor region occurs, and as long as the first semiconductor region is made of a metal capable of injecting electrons, etc. Even if the second semiconductor region and the third region are electrically short-circuited via the external terminal, a voltage drop occurs in the second semiconductor region as a result of the minority carriers flowing into the second semiconductor region, and a voltage drop occurs in the third semiconductor region. Injection of carriers occurs into the second semiconductor region.

こうしたキヤリア注入過程が繰返されていきな
がら、やがてのことに第4図中にブレーク・オー
バ電流として示された値以上の大きさの電流が流
れると、正帰還現象を介し、第四領域と第三領域
間の領域間はクランプ状態下において極端に低電
圧となる。
As this carrier injection process is repeated, a current larger than the value shown as the breakover current in Figure 4 eventually flows, and through a positive feedback phenomenon, the fourth region The voltage between the three regions is extremely low under clamped conditions.

しかし、素子両端電圧、すなわち素子特性とし
てのクランプ電圧は、第一発明にあつては第四領
域と第五領域との間の雪崩降伏電圧またはツエナ
降伏電圧、第二発明にあつては第五領域を介する
パンチスルー電圧、そして第三発明にあつては第
三領域と補助領域間の雪崩またはツエナ降伏電圧
が、それぞれ上記第三、第四領域間の極端な低電
圧に加えられたものとなる。
However, the voltage across the element, that is, the clamp voltage as an element characteristic, is the avalanche breakdown voltage or Zener breakdown voltage between the fourth region and the fifth region in the first invention, and the avalanche breakdown voltage or Zener breakdown voltage between the fourth region and the fifth region in the second invention. The punch-through voltage through the region, and in the case of the third invention, the avalanche or Zener breakdown voltage between the third region and the auxiliary region are added to the extremely low voltage between the third and fourth regions, respectively. Become.

そして、このクランプ電圧は、上記雪崩降伏電
圧またはツエナ降伏電圧、あるいはパンチスルー
電圧の各規定に係る各領域の不純物濃度制御及び
あるいは厚味制御等により、既存の技術をしても
設計性良く相当程度の設計幅で任意設定できるも
のとなる。
This clamp voltage can be achieved by controlling the impurity concentration and/or thickness of each region related to the avalanche breakdown voltage, Zener breakdown voltage, or punch-through voltage regulations, and is equivalent to that with good design efficiency even with existing technology. It can be set arbitrarily within a certain design range.

そのため、本発明のサージ吸収素子では、素子
の発熱をを抑えながらの大電流の吸収が可能な一
方で、クランプ電圧は任意に設計できるものとな
り、したがつて本サージ吸収素子を適用する回路
系の電源電圧に応じ、続流現象を起こさないため
の最適なクランプ電圧を設定し、自動リセツトを
図ることも可能かつ容易となる。
Therefore, while the surge absorbing element of the present invention is capable of absorbing large currents while suppressing heat generation in the element, the clamp voltage can be designed arbitrarily, and therefore the circuit system to which the present surge absorbing element is applied It is also possible and easy to set the optimum clamp voltage to prevent the following current phenomenon according to the power supply voltage of the circuit, and to automatically reset the circuit.

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、一般にこ
のブレーク・オーバ電圧は、第4図に示されるよ
うに降伏電圧よりは高くなる。
Note that a voltage exhibiting a breakover current can be called a breakover voltage, and this breakover voltage is generally higher than the breakdown voltage as shown in FIG. 4.

したがつて、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、それが降伏電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
ーバ電流に至るまでは素子両端電圧はいく分か上
昇するが、一旦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既述したように
任意設定できるクランプ電圧に移る。
Therefore, if we follow the voltage history across the device from its initial operation to voltage clamping, we can see that with the application of a surge, if it is above the breakdown voltage, punch-through operation will begin, and the absorbed current will break over. The voltage across the element increases somewhat until the current reaches the current, but once it exceeds the breakover current, the voltage shifts from the breakover voltage to the clamp voltage, which can be set arbitrarily as described above.

上記ブレークオーバ電流の値は、第二半導体領
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
第一半導体領域が直接に外部端子に接続されてい
る場合には当該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つても決めることができ
る。
The value of the breakover current is determined by the resistance of the second semiconductor region, the shape of the third region with respect to the first semiconductor region, the shape of the fourth region with respect to the first semiconductor region, and the shape of the fourth region with respect to the first semiconductor region. When one semiconductor region is directly connected to an external terminal, it can be determined depending on the resistance of the first semiconductor region and the shape of the vicinity of the fourth region.

一方、パンチスルー動作をを開始せしめる降伏
電圧について考えとると、本発明サージ吸収素子
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。
On the other hand, considering the breakdown voltage that starts the punch-through operation, in the surge absorbing element of the present invention, the height position of the third semiconductor region that is in contact with the second semiconductor region on the opposite side of the first semiconductor region is In other words, depending on how much the effective thickness of the intermediate second semiconductor region is set, the punch-through voltage between the first and third regions, that is, the breakdown voltage can be arbitrarily changed. It becomes something that can be controlled.

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。
For example, if the effective thickness of the intermediate second semiconductor region is set thick, a larger reverse bias will be required for the generated depletion layer to extend to the third region, assuming other conditions are the same. This ultimately increases the breakdown voltage at which the device breaks down, and conversely, if the effective thickness of the intermediate second semiconductor region is set thin, the generated depletion layer can easily become the third semiconductor region even at a relatively low applied voltage. This means that the breakdown voltage has been set low.

もちろん、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つても制御し得るが、
いづれにしても上記のことからすれば、本発明に
よつた場合、第一半導体領域として適当な市販の
半導体基板ウエハをそのまま用いても、そしてま
た同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。
Of course, such breakdown voltage can also be controlled by the impurity concentration of the intermediate second semiconductor region, but
In any case, in view of the above, in accordance with the present invention, it is possible to use an appropriate commercially available semiconductor substrate wafer as the first semiconductor region as it is, or to use the same type of semiconductor substrate as the starting material. It can be seen that a surge absorbing element with a desired breakdown voltage can be obtained.

また、第二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
設計できるようになる。
Furthermore, by appropriately controlling the effective thickness of the second semiconductor region and its impurity concentration, it becomes possible to design the junction capacitance and series resistance independently for any breakdown voltage.

さらに、半導体基板そのもの、ないし半導体基
板に分離的に形成された第一半導体領域に対し、
順次に第二半導体領域、第三領域を形成していく
手法自体は、既存のエピタキシヤル成長技術によ
つても良いし、イオン打込み、選択拡散等々によ
つても良いが、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。
Furthermore, with respect to the semiconductor substrate itself or a first semiconductor region formed separately on the semiconductor substrate,
The method of sequentially forming the second semiconductor region and the third region may be based on existing epitaxial growth technology, ion implantation, selective diffusion, etc. Since the effective thickness and impurity concentration of the second semiconductor region can be extremely well controlled even with current technology, the surge absorbing element produced by the present invention will ultimately have extremely high precision. It can be done.

一方、構造的な観点からしても、第二半導体領
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
半導体基板ウエハに何等特殊な前加工を施さず、
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)、したがつ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。
On the other hand, from a structural point of view, the effective thickness of the second semiconductor region can be set thin regardless of the thickness of the first region. No pre-processing,
It is also possible to use the device in its thick form as is (which is also more common), so it does not require an increase in the number of steps and does not cause a decrease in physical strength. It is also possible to form a plurality of them, which has the effect of facilitating integration.

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、したがつて外部への引き出しも同
一の引き出し端子から行なつて差支えない。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
後ないし素子実動下にあつても、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。
Further, as is clear from the above principle, the second semiconductor region and the third region may be placed at the same potential at the external terminal, and therefore, the external terminal may be drawn out from the same drawing terminal. However, on the contrary, it may be possible to draw out signals independently from each dedicated terminal and apply an appropriate bias between these two terminals.In this way, even after the device is completed or when the device is in actual operation, By changing and adjusting the bias voltage, the punch-through voltage, that is, the breakdown voltage as a surge absorbing element can be made variable.

なお、上記した所から顕かなように、降伏電圧
の変更にともなつてブレーク・オーバ電圧も当然
に変化する。
Note that, as is clear from the above, the breakover voltage naturally changes as the breakdown voltage changes.

<実施例> 以下、図示する本発明実施例のいくつかにつき
詳記する。もちろん、第一発明、第二発明、第三
発明の個々に関しそれぞれの実施例があるが、す
でに述べてきたように、それらは全て極めて密接
な関連にあつて互いに参考にすることができ、特
にクランプ電圧を如何にして規定するか以外につ
いての配慮や改変例は相互に適用可能である。
<Examples> Some of the illustrated embodiments of the present invention will be described in detail below. Of course, there are individual examples of the first invention, second invention, and third invention, but as already mentioned, they are all very closely related and can be referred to from each other, and especially Considerations and modifications other than how to define the clamp voltage are mutually applicable.

第1図A,B,C示すサージ吸収素子10はそ
れぞれ第一発明の基本的実施例群であり、第2図
に示す実施例は第二発明の、そして第3図に示す
実施例は第三発明に対応する実施例である。
The surge absorbing elements 10 shown in FIGS. 1A, B, and C are basic embodiments of the first invention, the embodiment shown in FIG. 2 is of the second invention, and the embodiment shown in FIG. This is an embodiment corresponding to the third invention.

いづれにおいても半導体基板を第一導電型の第
一半導体領域1としてそのまま用い、また第三、
第四領域3,4を半導体領域とした外、第一、第
二発明に関しての第五領域5と第三発明に関して
の補助領域7も半導体材料製に選んでいる。
In either case, the semiconductor substrate is used as it is as the first semiconductor region 1 of the first conductivity type, and the third,
In addition to the fourth regions 3 and 4 being semiconductor regions, the fifth region 5 in the first and second inventions and the auxiliary region 7 in the third invention are also made of semiconductor material.

第1図Aに示される実施例や第2図、第3図に
示される実施例においては、第一半導体領域1の
上下両表面の中、一方の表面側に一般に二重拡散
技術で形成されている第二半導体領域2、第三半
導体領域3に対し、第四半導体領域4が第一半導
体領域1の他方の表面、すなわち裏面側に形成さ
れているが、第1図B,Cに示されている実施例
においては、第二半導体領域2がが設けられてい
ると同一の表面に、ただし第二半導体領域2に対
して横方向に離間して第四半導体領域4が拡散技
術で形成されている。
In the embodiment shown in FIG. 1A, FIG. 2, and FIG. The fourth semiconductor region 4 is formed on the other surface of the first semiconductor region 1, that is, on the back surface side, with respect to the second semiconductor region 2 and the third semiconductor region 3, as shown in FIGS. 1B and 1C. In the embodiment shown, a fourth semiconductor region 4 is formed by diffusion techniques on the same surface as the second semiconductor region 2 is provided, but laterally spaced apart from the second semiconductor region 2. has been done.

このような断面構造関係において、これらの実
施例では、いづれも第一半導体領域1をn型半導
体に選んだため、ホウ素等の適当な不純物の拡散
技術により、第二半導体領域2をp型とすると共
に、第四半導体領域4もp型半導体領域としてい
る。
In these embodiments, the first semiconductor region 1 was selected to be an n-type semiconductor in relation to the cross-sectional structure, and therefore the second semiconductor region 2 was made to be a p-type semiconductor by a diffusion technique of an appropriate impurity such as boron. At the same time, the fourth semiconductor region 4 is also a p-type semiconductor region.

したがつてもちろん、第1図及び第2図に示さ
れる第一、第二発明の実施例においてこの第四半
導体領域4に対して第一半導体領域1とは反対側
から整流性接合を形成する第五半導体領域5の導
電型はn型に選ばれ、第3図に示される第三発明
の実施例において第三領域3と整流性接合を形成
する補助領域7の導電型はp型に選ばれる。
Therefore, of course, in the embodiments of the first and second inventions shown in FIGS. 1 and 2, a rectifying junction is formed with respect to this fourth semiconductor region 4 from the side opposite to the first semiconductor region 1. The conductivity type of the fifth semiconductor region 5 is selected to be n type, and the conductivity type of the auxiliary region 7 forming a rectifying junction with the third region 3 in the embodiment of the third invention shown in FIG. 3 is selected to be p type. It will be done.

なお、第1図B,Cに示されるような実施例の
場合、第一半導体領域1の裏面側には後述する高
濃度不純物層1bが設けられていると良いが、こ
れ自体は本発明の基本構成ないし原理動作に直接
には関与しないので、以下の説明中においても初
めの中はこれがないものとして考えていて良い。
In the case of the embodiment shown in FIGS. 1B and 1C, it is preferable that a high concentration impurity layer 1b, which will be described later, be provided on the back surface side of the first semiconductor region 1, but this itself is not included in the present invention. Since it is not directly involved in the basic configuration or principle operation, it can be assumed that it does not exist at the beginning in the following explanation.

第一、第二発明に関する第三領域3や第三発明
に関する補助領域7は、パンチスルーを起こした
際の主電流線路の一端部を形成するので、望まし
くは高導電率であることが良く、これらの実施例
ではそれぞれ、高不純物濃度、すなわちp+型及
びn+型の領域として不純物の二重拡散により形
成されている。
The third region 3 related to the first and second inventions and the auxiliary region 7 related to the third invention form one end of the main current line when punch-through occurs, and therefore preferably have high conductivity. In each of these embodiments, high impurity concentration, ie, p + type and n + type regions, are formed by double diffusion of impurities.

各領域2;3たは7;5または6には、それぞ
れオーミツクな引き出し端子を付して素子として
完成させるが、第一発明と第二発明に関する第二
半導体領域2の引き出し端子2tと第三領域3の
引き出し端子3tとは、各対応する図中、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、別途に引き出して置いて使用者
側で短絡したり、或いは後述のように適当なバイ
アス源をを介挿させても良い。これに対して第三
発明に関する第二領域2と第三領域3とは、第3
図中に示されているように、一般には線路ないし
電極Lcで外部固定接続して置く。
Each region 2; 3 or 7; 5 or 6 is completed as an element by attaching an ohmic extraction terminal, but the extraction terminal 2t of the second semiconductor region 2 and the third The extraction terminal 3t of area 3 can be short-circuited at the manufacturing stage, as shown by the virtual line Ls in each corresponding figure, or it can be pulled out separately and short-circuited by the user. Alternatively, an appropriate bias source may be inserted as described below. On the other hand, the second area 2 and the third area 3 regarding the third invention are
As shown in the figure, an external fixed connection is generally provided through a line or an electrode Lc.

上記において端子2t,3t間を短絡させる場
合、実際には線路Lsは第二半導体領域2の露出
表面と第三領域3の露出表面との上に一連に蒸着
される等してオーミツクに接触した金属層等で形
成することができる。
In the case where the terminals 2t and 3t are short-circuited in the above example, the line Ls is actually deposited in series on the exposed surface of the second semiconductor region 2 and the exposed surface of the third region 3, so as to contact the ohmic. It can be formed of a metal layer or the like.

ここではまず、両端子2t,3tがこのように
線路Ls,Lcで短絡されており、サージ吸収素子
としての両端子間、すなわち第一、第二発明の実
施例においては端子2t,3tと第五半導体領域
5の引き出し端子5tとの間に、そして第三発明
に関する実施例においては補助領域端子7tと第
四領域端子4tとの間に、それぞれサージ電圧が
印加されるものとして説明する。
First, both the terminals 2t and 3t are short-circuited by the lines Ls and Lc in this way, and between the two terminals as a surge absorption element, that is, in the embodiments of the first and second inventions, the terminals 2t and 3t are short-circuited by the lines Ls and Lc. The description will be made assuming that a surge voltage is applied between the lead terminal 5t of the fifth semiconductor region 5 and between the auxiliary region terminal 7t and the fourth region terminal 4t in the embodiment related to the third invention.

このようなサージ吸収素子10においては、す
でに作用の項で説明したように、第一半導体領域
1と第二半導体領域2との間のpn接合に逆バイ
アスが印加されると、それにより生ずる空乏層は
第一半導体領域1の側へのみならず、第三領域3
の側に向けても伸びて行く。
In such a surge absorbing element 10, as already explained in the operation section, when a reverse bias is applied to the pn junction between the first semiconductor region 1 and the second semiconductor region 2, the depletion caused by the reverse bias is applied. The layer is applied not only to the side of the first semiconductor region 1 but also to the third region 3.
It also grows towards the side.

したがつて、端子2t,3tと端子5t間、ま
たは端子4tとと端子7t間にサージ電圧が印加
され、それが上記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
乏層の上方端部が第三領域3に達することが起こ
り得る。
Therefore, if a surge voltage is applied between the terminals 2t, 3t and the terminal 5t or between the terminal 4t and the terminal 7t, and it is considerably large in the phase of applying reverse bias to the pn junction, It may happen that the upper end of the depletion layer reaches the third region 3.

この状態が、第一半導体領域1と第三領域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ダンス状態、ないし本サー
ジ吸収素子としての降伏状態の始まりとなる。こ
の開始点は第4図中にあつて電圧軸上に降伏電圧
として示してある。
This state is the start of a punch-through state between the first semiconductor region 1 and the third region 3, and is the start of a low impedance state in which a large current can flow or a breakdown state as the present surge absorbing element. This starting point is shown in FIG. 4 as the breakdown voltage on the voltage axis.

こうした降伏開始状態が具現すると、端子2
t,3tと端子5t間、または端子4tと端子7
t間にサージ電流が流れ出し、第四半導体領域4
から正孔が第一半導体領域1に注入され、それが
第二半導体領域2で収集されて外部端子を介し、
外部電流((素子電流)となる。
When such a breakdown start state is realized, the terminal 2
t, between 3t and terminal 5t, or between terminal 4t and terminal 7
A surge current begins to flow between t and the fourth semiconductor region 4
Holes are injected into the first semiconductor region 1, collected in the second semiconductor region 2, and passed through the external terminal.
External current ((device current).

したがつて、第三領域3と第一半導体領域1と
に狭まれた第二半導体領域2の抵抗と上記電流の
積が、領域2,3で構成されるpn接合ダイオー
ドの順方向電圧に等しくなつたときに、今度は第
三領域3から電子が第二半導体領域2に注入さ
れ、これが電流の増大を招き、再びまた第四半導
体領域4から正孔の注入が行なわれるという正帰
還現象が生ずる。
Therefore, the product of the resistance of the second semiconductor region 2 narrowed between the third region 3 and the first semiconductor region 1 and the above current is equal to the forward voltage of the pn junction diode composed of regions 2 and 3. When the temperature decreases, electrons are injected from the third region 3 into the second semiconductor region 2, which causes an increase in current, and holes are again injected from the fourth semiconductor region 4, a positive feedback phenomenon. arise.

このような正帰還現象が起こり始める電流値が
これまで述べてきたブレーク・オーバ電流であ
り、このときの素子両端電圧(外部端子3t,5
t間または外部端子4t,7t間電圧)がブレー
オーバ電圧となる。
The current value at which such a positive feedback phenomenon begins to occur is the breakover current mentioned above, and the voltage across the element at this time (external terminals 3t, 5
t or between external terminals 4t and 7t) becomes the breakover voltage.

すべに記したように、このブレークオーバ電圧
は、降伏電圧よりはいく分か大きな値となるが、
一旦、正帰還が起こり始めると、第三領域3と第
四領域4との間の電圧は著しく低い値に遷移す
る。この値は具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
た値に略ゞ等しい。
As mentioned above, this breakover voltage is somewhat larger than the breakdown voltage, but
Once positive feedback begins to occur, the voltage between the third region 3 and the fourth region 4 transitions to a significantly lower value. Specifically, this value is approximately equal to the product of the absorbed current and the series resistance of each part plus one forward voltage of the pn junction.

しかし、第4図に示されている素子としてのク
ランプ電圧は、各発明の実施例に応じて次のよう
に規定されるものとなる。
However, the clamp voltage for the element shown in FIG. 4 is defined as follows depending on the embodiment of each invention.

まず第一発明に関する第1各図の実施例におい
ては、第四半導体領域4と第五半導体領域5との
整流性接合における降伏電圧を上記第三、第四領
域間の極端な低電圧に加算したものとなる。
First, in the embodiments shown in the first figures related to the first invention, the breakdown voltage at the rectifying junction between the fourth semiconductor region 4 and the fifth semiconductor region 5 is added to the extremely low voltage between the third and fourth regions. It becomes what it is.

したがつて、第四半導体領域4の不純物濃度を
適宜に設定すれば、この素子のクランプ電圧は任
意に設定できるものとなる。
Therefore, by appropriately setting the impurity concentration of the fourth semiconductor region 4, the clamp voltage of this element can be set arbitrarily.

第2図に示される第二発明に関する実施例にお
いては、第五半導体領域5に対して整流性接合を
形成し得る材料製の第六領域(ここではp型半導
体領域)6を設けたことにより、第五領域のパン
チスルー電圧を上記第三、第四領域間の極端な低
電圧に加算したものとなる。
In the embodiment related to the second invention shown in FIG. 2, a sixth region (here, a p-type semiconductor region) 6 made of a material capable of forming a rectifying junction with respect to the fifth semiconductor region 5 is provided. , the punch-through voltage in the fifth region is added to the extremely low voltage between the third and fourth regions.

そのため、当該第五領域5の不純物濃度や厚味
を制御することにより、相当に広い設計幅で制御
性良く任意所望のクランプ電圧を得ることができ
る。
Therefore, by controlling the impurity concentration and thickness of the fifth region 5, any desired clamp voltage can be obtained with good controllability over a considerably wide design range.

第三発明に関する第3図示の実施例において
は、第三領域3内に形成されている補助領域7と
当該第三領域との間の雪崩またはツエナ降伏電圧
が上記第三、第四領域間の極端な低電圧に加算さ
れ、したがつて第三半導体領域の3の不純物濃度
を制御することにより、素子としてのクランプ電
圧を任意に設定できるものとなる。
In the embodiment shown in the third diagram related to the third invention, the avalanche or Zener breakdown voltage between the auxiliary region 7 formed in the third region 3 and the third region is the same as that between the third and fourth regions. This is added to the extremely low voltage, so by controlling the impurity concentration of the third semiconductor region, the clamp voltage of the element can be set arbitrarily.

なお、第一発明に係る第1図Cに示される実施
例は、第1図Bに示される実施例と比較すると分
かるように、第四半導体領域4に接する第五半導
体領域5の角部がないようにしたもので、これは
降伏電流が接合面に一様に流れるようにした工夫
である。第2図における第二発明の実施例にあつ
て領域4〜6の側部がメサ型に落とされているの
も同様の理由である。
Note that in the embodiment shown in FIG. 1C according to the first invention, as can be seen when compared with the embodiment shown in FIG. 1B, the corner of the fifth semiconductor region 5 in contact with the fourth semiconductor region 4 is This is a device that allows the breakdown current to flow uniformly across the junction surface. It is for the same reason that the sides of regions 4 to 6 are mesa-shaped in the embodiment of the second invention shown in FIG.

上記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
より有意の電力が消費されるのを妨げる一方で、
一旦、降伏電圧以上にサージが印加されると、間
もなく任意設定した規定のクランプ電圧を呈し、
もつて大電流を吸収して後続の回路系を確実に保
護すると共に、クランプ電圧を適当に設定すれば
続流現象を防止し得、当該回路系の電源電圧によ
つてサージ要因の消失後も無駄にターン・オンし
続けるのを防ぐことができる。
As understood from the above mechanism, the surge absorbing element 10 of the present invention maintains a high breakdown voltage when no surge is applied, suppresses the current flowing within the element to the minimum limit, and has a significant effect on the surge absorbing element 10 of the present invention. while preventing power from being consumed.
Once a surge is applied above the breakdown voltage, it will soon reach the specified clamp voltage set arbitrarily, and
In addition to absorbing large currents and reliably protecting the subsequent circuit system, by setting the clamp voltage appropriately, it is possible to prevent follow-on current phenomena, and the power supply voltage of the circuit system can protect the subsequent circuit system even after the surge factor has disappeared. This prevents unnecessary turn-on.

このような動作をなす本サージ吸収素子10に
おける降伏電圧は、第一半導体領域1の抵抗率乃
至不純物濃度のみならず、第一半導体領域1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
純物濃度の如何によつてパンチスルー電圧が制御
できることにより、かなりに広い設計幅内で任意
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、数ボルトから数百ボ
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。
The breakdown voltage in the present surge absorbing element 10 that operates in this manner is determined not only by the resistivity or impurity concentration of the first semiconductor region 1 but also by the distance between the first semiconductor region 1 and the third region 3. Since the punch-through voltage can be controlled depending on the effective thickness Dt of the second semiconductor region 2 and/or the impurity concentration, it can be arbitrarily set within a fairly wide design range. In fact, according to experiments conducted by the present applicant, it has been confirmed that this design width covers an extremely wide range from several volts to several hundred volts.

上記各実施例にあつては、既述のように、半導
体基板1に対して第二半導体領域2及び第三領域
3を二重拡散技術で作成するようにしているが、
このような場合には、当該第二半導体領域2の実
効厚味Dtは、第二半導体領域2の形成後、その
表面からの第三半導体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Dtを変更するものとなる。
In each of the above embodiments, as described above, the second semiconductor region 2 and the third region 3 are formed on the semiconductor substrate 1 by the double diffusion technique.
In such a case, the effective thickness Dt of the second semiconductor region 2 can be determined by controlling the diffusion depth Dd of the impurity for forming the third semiconductor region from the surface after the second semiconductor region 2 is formed. , will be directly controlled. That is, in the case of the double diffusion technique, changing or changing the height position of the third region 3 with respect to the first semiconductor region directly changes the effective thickness Dt of the second semiconductor region 2.

一方、第二半導体領域2、及び第三領域3をエ
ピタキシヤ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Dtは当該エピ
タキシイにおける諸条件に基づいて系定される成
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。
On the other hand, when the second semiconductor region 2 and the third region 3 are formed by epitaxial growth technology,
The effective thickness Dt of the second semiconductor region 2 is generally defined by the growth film thickness itself, which is determined based on the various conditions in the epitaxy, but in that case, in practice, the thickness Dt of the second semiconductor region 2 is There is no change in the fact that the existence of 3 defines the effective thickness Dt regarding punch-through.

そして、拡散技術による場合もエピタキシイに
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。
In addition, whether by diffusion technology or epitaxy, the effective thickness Dt of the second semiconductor region 2 can be controlled with extremely high precision even with existing technology. , the breakdown voltage can be set with extremely high accuracy.

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。
Similarly, the impurity concentration in the second semiconductor region 2, which is another factor that determines the punch-through voltage and eventually the breakdown voltage of this device, can be adjusted and controlled with extremely high precision using existing technology. .

上記はまた、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Dt
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。したがつて、これら変数を一方
のみ使つたり、双方使つ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つて降
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。
In the case of the device of the present invention, the effective thickness Dt of the second semiconductor region 2 is also used to design the breakdown voltage.
This means that it has two variables, ie, and impurity concentration, which are both well designed and independent of each other. Therefore, by using only one or both of these variables and arranging them appropriately, it is possible not only to set the breakdown voltage over a very wide range, but also to adjust the breakdown voltage by using other electrical factors such as junction capacitance and series resistance. It can be seen that it is also possible to design the physical characteristics independently of the breakdown voltage.

もちろん、クランプ電圧の規定に係る第四半導
体領域4や第五半導体領域5、さらには第六領域
6や補助領域7についても、不純物拡散、エピタ
キシイ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、また特に、第一発明の第五領域や
第発明の第六領域、第三発明の補助領域等は、半
導体製であることに限らず、第一半導体領域の導
電型によつては、シリサイド製にするとか場合に
より金属製にすることもできる。
Of course, the fourth semiconductor region 4 and the fifth semiconductor region 5, as well as the sixth region 6 and the auxiliary region 7, which are related to the regulation of the clamp voltage, are formed with good controllability by using conventional techniques such as impurity diffusion and epitaxy. In particular, the fifth region of the first invention, the sixth region of the third invention, the auxiliary region of the third invention, etc. are not limited to being made of a semiconductor, but may be made of a semiconductor depending on the conductivity type of the first semiconductor region. can be made of silicide or metal as the case may be.

さらに、先に少し述べたが、第1図Bや第1図
Cに示されるような実施例の場合には、半導体基
板ないし第一半導体領域1の裏面側に、当該領域
1の導電型によらず、n+またはp+型の高濃度不
純物領域層1bを形成して置くと、キヤリアを効
率良く搬送することができて望ましい。
Furthermore, as mentioned briefly above, in the case of the embodiments shown in FIG. 1B and FIG. Regardless, it is desirable to form an n + or p + type high concentration impurity region layer 1b because carriers can be transported efficiently.

すなわち、図示のように第一半導体領域1にn
型半導体を選択した場合、高濃度不純物領域層1
bの導電型をn+型に選ぶと、当該高濃度不純物
領域層1bと第一半導体領域1とによつて一種の
組込み電界が生じ、第1図Bに代表させて図中に
矢印f1で示したように、第四半導体領域4から
注入されたホールは当該高濃度不純物領域層1b
の近傍において追い返され、第一半導体領域の裏
面側に抜けることがなくなる。
That is, as shown in the figure, n is formed in the first semiconductor region 1.
If type semiconductor is selected, high concentration impurity region layer 1
When the conductivity type of b is selected to be n + type, a kind of built-in electric field is generated between the high concentration impurity region layer 1b and the first semiconductor region 1, and as represented by the arrow f1 in FIG. As shown, the holes injected from the fourth semiconductor region 4 reach the high concentration impurity region layer 1b.
It is repelled in the vicinity of , and does not escape to the back surface side of the first semiconductor region.

また、同じn型の第一半導体領域1に対してそ
の裏面側にp+型の高濃度不純物領域層1bを形
成した場合には、第1図中に模式的に矢印f2
a,f2bで示すように、当該p+型高濃度不純
物領域層1b中にホールが充満することによりそ
の電位が上がり、結局は当該高濃度不純物領域層
1bからホールの放出が起こるようになつたり、
あるいはまた矢印f2cで示されるように跳ね返
されたりするようになつて、やはり第一半導体領
域の裏面側への透過を阻止することができる。
In addition, when a p + type high concentration impurity region layer 1b is formed on the back side of the same n type first semiconductor region 1, the arrow f2 is schematically shown in FIG.
As shown by a and f2b, the p + -type high concentration impurity region layer 1b is filled with holes, which increases its potential, and eventually holes start to be emitted from the high concentration impurity region layer 1b. ,
Alternatively, as shown by the arrow f2c, the light is bounced back, thereby preventing transmission to the back side of the first semiconductor region.

このような言わばラテラル配置は、第2図や第
3図に示された実施例に関しても採用することが
でき、したがつて、そうした場合には同様に、上
記高濃度不純物領域1bを第一半導体領域裏面側
に形成することもできる。
Such a so-called lateral arrangement can also be adopted for the embodiments shown in FIG. 2 and FIG. It can also be formed on the back side of the area.

以上、第一、第二、第三の本発明に係る各実施
例を通じて説明したことから顕かなように、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。
As is clear from the above explanation through each of the embodiments of the first, second, and third embodiments of the present invention, in the surge absorbing element of the present invention, in principle, punching occurs between the first and third regions. The current distribution of the surge current after the through occurs becomes relatively uniform.

しかし、なお一層の均一性を確保しようとする
なら、第一発明に係る第1図示実施例の改変例と
して代表された第5図に示すような構成を採るこ
ともできる。
However, if further uniformity is to be ensured, a configuration as shown in FIG. 5, which is representative of a modified example of the first illustrated embodiment according to the first invention, can also be adopted.

すなわち、この第5図示の実施例では、半導体
基板ないし第一半導体領域1の一表面側に形成さ
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
通をを採られるようにしている。
That is, in the embodiment shown in the fifth figure, a plurality of third regions 3 are formed for the second semiconductor region 2 of the opposite conductivity type formed on one surface side of the semiconductor substrate or the first semiconductor region 1. Divided third area elements 31, 32, 33, ..., 3n (n in the case shown)
=5), each area element 31
~3n are designed to be electrically connected to the outside from a common lead terminal 3t.

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、電流容量も略ゞ素子面積に比例して
増大させることができる。
With such a structure, the electric field concentration effect seen in conventional avalanche breakdown devices can be avoided, and a uniform current distribution can be obtained. Therefore, the current capacity can also be increased approximately in proportion to the element area.

そして、この実施例の場合には、第五領域は第
4領域から横方向にはみ出すように形成されてい
るが、これはこの部分での雪崩またはツエナ降伏
に基く降伏電流の均一性を保つため、先の第1図
Cと同様、角部接合を排斥する意味がある。
In the case of this embodiment, the fifth region is formed to protrude laterally from the fourth region, but this is to maintain uniformity of breakdown current based on avalanche or Zener breakdown in this part. , as in FIG. 1C above, has the meaning of excluding corner joints.

この第5図示の実施例でも、第1各図示の実施
例について述べた他の配慮は同様に採用すること
ができるし、第1図B,Cに示された実施例のよ
うに、第四、第五領域4,5を第二、第三領域
2,3側と第一半導体領域1の同じ表面側に配す
る場合には、先に述べた第一半導体領域裏面側の
高濃度不純物領域層1bについても、要すれば同
様にこれを採用して良い。なお、二つの端子2
t,3tは、既述したように動作原理上、短絡で
きるだけでなく、短絡して用いると過渡現象を避
け得る効果もある。
In the embodiment shown in FIG. 5, the other considerations described in the embodiments shown in FIGS. , when the fifth regions 4 and 5 are arranged on the same surface side of the second and third regions 2 and 3 and the first semiconductor region 1, the above-mentioned high concentration impurity region on the back surface side of the first semiconductor region This may be similarly adopted for the layer 1b if necessary. In addition, two terminals 2
t and 3t can not only be short-circuited due to the operating principle as described above, but also have the effect of avoiding transient phenomena when used in a short-circuited manner.

また逆に、この第5図に示された実施例の考え
は、第2図及び第3図に示された実施例にもその
まま適用することができる。
Conversely, the idea of the embodiment shown in FIG. 5 can be applied as is to the embodiments shown in FIGS. 2 and 3.

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つて規定されるべき降
伏電圧が、第一半導体領域1と第二半導体領域2
の雪崩降伏電圧に近くなつてくると、制御性が悪
くなることも考えられる。
In the surge absorbing element configured as in the present invention, the breakdown voltage that should be originally determined by the punch-through phenomenon is different between the first semiconductor region 1 and the second semiconductor region 2.
As the avalanche breakdown voltage approaches the avalanche breakdown voltage, controllability may deteriorate.

そのような危惧のある時には、第二半導体領域
2の端部ないし角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、第6図に示さ
れるように、第二半導体領域2の周囲を囲むよう
に第二半導体領域と同一の導電型ガード・リング
領域2Gを形成するか、第7図に示されるよう
に、第半導体領域2と第三半導体領域3との表面
に一連に形成されたオーミツク電極Maの端縁部
Matを絶縁膜8を介して第二半導体領域の端部に
おける第一半導体領域との接合を越えるようにさ
らに張り出させると良い。
When there is such a risk, in order to prevent or suppress the avalanche breakdown that starts to occur at the junction of the end or corner of the second semiconductor region 2 at an early stage, the second semiconductor region 2 is removed as shown in FIG. A guard ring region 2G of the same conductivity type as the second semiconductor region is formed to surround the second semiconductor region, or a guard ring region 2G of the same conductivity type as the second semiconductor region is formed, or a guard ring region 2G is formed in series on the surfaces of the second semiconductor region 2 and the third semiconductor region 3, as shown in FIG. Edge of formed ohmic electrode Ma
It is preferable to further extend the Mat through the insulating film 8 so as to exceed the junction with the first semiconductor region at the end of the second semiconductor region.

このようにすれば、第二半導体領域端部におけ
る電界の集中を緩和し、実効的に雪崩降伏電圧を
増加させることにより、本発明の思想に即し、パ
ンチスルーによつてのみの降伏電圧の設計性を拡
大、改善することができる。
In this way, the concentration of the electric field at the edge of the second semiconductor region is alleviated and the avalanche breakdown voltage is effectively increased, thereby reducing the breakdown voltage that can only be achieved by punch-through, in accordance with the idea of the present invention. Designability can be expanded and improved.

また、第7図示の実施例では、第五領域5の表
面に一連に形成されたオーミツク電極Mbのそれ
ぞれの端縁部Mbtも、絶縁膜9を介して第四半導
体領域4との接合端部を越えるようにさらに張り
出させている。
Further, in the embodiment shown in FIG. 7, each end edge Mbt of the ohmic electrode Mb formed in series on the surface of the fifth region 5 is also connected to the junction end with the fourth semiconductor region 4 via the insulating film 9. It is made to extend further beyond this point.

なおもちろん、第6,7図示の実施例の思想も
第二、第三発明に応用できるし、また当該第6,
7図においては、第三領域3はそれぞれ複数の当
該領域用の領域要素群31〜3nの集合から構成
されているが、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
三領域3は、それぞれ単一の領域として形成され
ていても良い。
Of course, the ideas of the embodiments shown in the sixth and seventh figures can also be applied to the second and third inventions, and the ideas of the sixth and seventh embodiments can be applied to the second and third inventions.
In FIG. 7, each third region 3 is composed of a set of a plurality of region element groups 31 to 3n for the region, but the third region 3 shown in FIG.
Most basically, these third regions 3 may each be formed as a single region, as represented by.

これまで述べて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。したが
つて、これら既述の各実施例構成は、一つの半導
体基板1内に複数個、同時に作ることができる。
In the case of the surge absorbing element of the present invention as shown in each of the embodiments described above, in principle, additional treatments such as end face polishing, which are required in the conventional avalanche yielding type, are not required after the element is completed. Therefore, a plurality of the configurations of each of the above-mentioned embodiments can be simultaneously manufactured in one semiconductor substrate 1.

もつとも、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8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つた斜面で
エツチングまたはカツテイング処理しても良い。
第四領域4と第五領域5との関係においてもこう
した処理が有効なこともある。ただし、このよう
な簡便な手法によつて場合には、切り落とし面に
適当な保護膜(図示せず)を要するのが普通であ
る。
However, when there is no need to integrate a large number of semiconductors, as another means for increasing the avalanche breakdown voltage mentioned above, as shown in FIG. The portion corresponding to the joint end may be etched or cut with a slope perpendicular to the surface or at an angle.
Such processing may also be effective regarding the relationship between the fourth region 4 and the fifth region 5. However, when such a simple method is used, a suitable protective film (not shown) is usually required on the cut-off surface.

また、クランプ電圧を規定する接合を流れる電
流の均一性をを増すためには、第9図示のよう
に、第四領域4を複数の領域要素41,42…
…,4nの集合から構成すると良い。これについ
てもまた同様に、第二、第三発明の各実施例に対
しても、この分割構成を適用することができる。
Furthermore, in order to increase the uniformity of the current flowing through the junction that defines the clamp voltage, the fourth region 4 is divided into a plurality of region elements 41, 42, . . . as shown in FIG.
..., 4n. Similarly, this divided structure can be applied to each of the embodiments of the second and third inventions.

ここで、第1図Aに示される実施例で代表させ
て、本発明サージ吸収素子のやや特殊な使い方に
つき説明すると、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10図Aに示されるように、こ
れら端子2t,3t間に適当なバイアス源Vbを
挿入することにより、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。
Here, a somewhat special usage of the surge absorbing element of the present invention will be explained by referring to the embodiment shown in FIG. 1A. The second semiconductor region 2 and the third region 3
If these are drawn out individually from different terminals 2t and 3t, the punch-through voltage can be applied externally by inserting an appropriate bias source Vb between these terminals 2t and 3t, as shown in Figure 10A. It also becomes possible to control.

サージ電圧のモデルとして、第三領域用端子3
tと第五半導体領域5の端子5tととの間に接続
された高電圧源Vrを考えると、第10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。ただし図示の場合
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つていない状態で示され
ている。
As a model of surge voltage, terminal 3 for the third region
t and the terminal 5t of the fifth semiconductor region 5. As shown in FIG. 10B, the energy band structure of the present surge absorbing element is such that the surge voltage The state shown by the solid line when no voltage is applied changes to the state shown by the imaginary line in the figure when the high voltage Vr corresponding to the surge voltage is applied. However, in the case of illustration, in order to see the bias effect as described below,
The high voltage source potential corresponding to the surge voltage is shown in a state that has not yet reached the level where punch-through occurs.

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さによつて、
第二領域2と第三領域3に関し逆バイアスの場合
には矢印“〓”で示されるように、順方向バイア
スの場合には矢印“〓”で示されるように、各々
バンド構造が変化する。したがつて、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。
In this state, depending on the polarity and magnitude of the bias potential supplied from the bias source Vb,
Regarding the second region 2 and the third region 3, the band structure changes as shown by the arrow "ⓓ" in the case of reverse bias and as shown by the arrow "ⓓ" in the case of forward bias. Therefore, it can be seen that the punch-through voltage of the surge absorbing element can be controlled externally by the bias potential and its polarity.

以上、本発明の各実施例につき詳記してきた
が、最後に一例として、本発明の効果を実際の素
子における比較で確認する。
Each embodiment of the present invention has been described in detail above, and finally, as an example, the effects of the present invention will be confirmed by comparing actual devices.

まず、以下に述べる工程により、第5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や第五領域5のないものを比較用として作
成した。
First, a surge absorbing element of the present invention shown in FIG. 5 without the fourth semiconductor region 4 and the fifth region 5 was prepared for comparison using the steps described below.

抵抗率5Ω−cm、導電型n型、(111)面、
300μm厚のシリコン・ウエハを第一半導体領域1
の出発部材とし、まずその表裏面に6000Åの
SiO2膜を形成した。
Resistivity 5Ω-cm, conductivity type n-type, (111) plane,
A 300 μm thick silicon wafer is placed in the first semiconductor region 1.
A starting material of 6000Å is first applied to the front and back surfaces of the
A SiO 2 film was formed.

その中、裏面のSiO2膜をのみ除去し、高濃度
燐拡散を深さ3μmに亘るよう、行なつた。
Among them, only the SiO 2 film on the back surface was removed and high concentration phosphorus was diffused to a depth of 3 μm.

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
ンに従つてフオト・エツチング工程を適用し、不
純物拡散窓を開けた。
Next, in order to define the planar shape of the second semiconductor region 2, a photo-etching process was applied to the silicon oxide film on the surface according to a predetermined pattern to open an impurity diffusion window.

この拡散窓を介してホウ素を拡散し、その深さ
が2.5μmに亘るp型領域を形成した。
Boron was diffused through this diffusion window to form a p-type region with a depth of 2.5 μm.

新たにウエ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オト・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。
After newly forming a silicon oxide film on the wafer surface, the silicon oxide film is photo-etched in accordance with a predetermined pattern in order to define the planar shape of the plurality of third region elements 31 to 3n.
Impurity diffusion windows for a plurality of third region elements were formed.

この拡散窓から高濃度に燐を拡散し、その深さ
が1.2μmに亘るn+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。したがつて、
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Dtは、1.3μmとされた。
Phosphorus was diffused at a high concentration through this diffusion window to form a third region 3 consisting of a set of n + -type third region elements 31 to 3n having a depth of 1.2 μm. Therefore,
At the same time, the second semiconductor region 2 was formed, and its effective thickness Dt was set to 1.3 μm.

その後、第二、第三領域に共通のオーミツク・
コンタクトを採るためのフオト・エツチング、金
属薄膜蒸着、そのエツチング工程を経て電極ない
し端子2t,3tを形成した。半導体基板側の電
極ないし端子も、上記金属薄膜蒸着工程において
同時に形成した。
After that, the ohmics common to the second and third areas
Electrodes or terminals 2t and 3t were formed through photo-etching, metal thin film deposition, and etching steps for forming contacts. Electrodes or terminals on the semiconductor substrate side were also formed at the same time in the metal thin film deposition process.

こうしたプロセスによつて作成された比較用の
サージ吸収素子の降伏電圧は120Vを示し、サー
ジ吸収電流は最大300A/cm2まで取れた。
The breakdown voltage of a comparison surge absorbing element produced by this process was 120V, and the surge absorption current could reach a maximum of 300A/cm 2 .

一方、本発明の思想に即するサージ吸収素子と
して、上記第三領域に関するまでの作成工程は上
記比較用のサージ吸収素子におけると同じである
が、n型半導体基板の裏側に第四半導体領域とし
てのp+領域を不純物拡散によつて形成し、さら
に第五半導体領域5としてのn+領域を不純物拡
散によつて形成した後、金属薄膜蒸着によつて電
極ないし端子5tを形成したサージ吸収素子にお
いては、降伏電圧は121Vと略ゞ同じあつたが、
ブレーク・オーバ電流が4A/cm2でサージ吸収電
流は何と最大5000A/cm2も取ることができた。
On the other hand, as a surge absorbing element according to the idea of the present invention, the manufacturing process up to the third region is the same as that of the comparative surge absorbing element, but a fourth semiconductor region is formed on the back side of the n-type semiconductor substrate. A surge absorption element in which a p + region is formed by impurity diffusion, an n + region as a fifth semiconductor region 5 is formed by impurity diffusion, and then an electrode or terminal 5t is formed by metal thin film deposition. In this case, the breakdown voltage was almost the same as 121V, but
The breakover current was 4A/cm 2 and the surge absorption current was up to 5000A/cm 2 .

また、クランプ電圧の変化幅は5〜50Vまで、
任意の値に制御することができた。
In addition, the range of change in clamp voltage is from 5 to 50V.
It could be controlled to any value.

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4、第五領域5の働きは極めて大
きいものであることが分かる。
Looking at this characteristic example, it can be seen that the functions of the fourth semiconductor region 4 and the fifth region 5 provided according to the present invention are extremely large.

そしてまた、他は上記と同一条件として、実質
的に第二半導体領域2の実効厚味を規定とするこ
とになるn+型第三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。もちろん、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
数ボルトから数百ボ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。
Also, under the same conditions as above, when the diffusion time for forming the n + type third region, which essentially defines the effective thickness of the second semiconductor region 2, was changed, the breakdown occurred. The voltage could be varied between 30V and 170V. Of course, this variation range is not the maximum variation range, and it has been confirmed that if other conditions are also taken into account, an extremely wide variation range from several volts to several hundred volts can be obtained.

また、本素子におけるサージ吸収メカニズム
も、ト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つて制御可能であること
も確認された。
It was also confirmed that the surge absorption mechanism in this device can be reliably controlled solely by the punch-through phenomenon, without relying on tunneling or avalanche breakdown.

なお、例えば第3図示の素子において、図中の
第四領域4を第二、第三領域2,3と補助半導体
領域7の積層から成るように改変し、ただし第三
領域の不純物濃度を補助領域とあいまつてクラン
プ電圧を規定するための降伏電圧を規定し得るよ
うな濃度に制御すれば、両極性のサージ電流に対
して本発明の効果を呈することができる。
For example, in the device shown in the third figure, the fourth region 4 in the figure is modified to consist of a stack of the second and third regions 2 and 3 and the auxiliary semiconductor region 7, but the impurity concentration of the third region is By controlling the concentration to such a level that, together with the region, can define the breakdown voltage for defining the clamp voltage, the effects of the present invention can be exhibited against bipolar surge currents.

<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
崩降伏型素子に比し、各種優れた効果を得ること
ができる。
<Effects of the Invention> According to the present invention, various superior effects can be obtained as compared to existing avalanche breakdown type elements, as listed below.

半導体基板ないし半導体ウエハはこの種素子
の各部の部品価額としては最も高価で、且つ最
も融通の効かない部材であるが、本発明によれ
ば同一の材料定数の出発ウエハからも異なる降
伏電圧のサージ吸収素子を得ることができる。
Semiconductor substrates or semiconductor wafers are the most expensive and least flexible components of this type of device, but according to the present invention, surges with different breakdown voltages can be removed even from a starting wafer with the same material constant. An absorption element can be obtained.

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、あるいは第二半導
体領域と第三領域と補助領域の組自体は、第一
半導体領域に対して共に同一の面側からのみ形
成することができるため、降伏電圧及びあるい
はクランプ電圧の変更及び定められた降伏電
圧、クランプ電圧にするための制御が極めて簡
単で、且つ高精度で行なえる。
The set of the second semiconductor region and the third region, the set of the fourth semiconductor region and the fifth region, or the set of the second semiconductor region, the third region, and the auxiliary region are both identical with respect to the first semiconductor region. Since it can be formed only from the surface side, the breakdown voltage and/or clamp voltage can be changed and controlled to a predetermined breakdown voltage and clamp voltage very easily and with high precision.

降伏電圧やクランプ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、したがつて例えば、異な
る降伏電圧やクランプ電圧でも他の電気的特性
は略ゞ同様とすることもできる。
Other electrical characteristics, such as junction capacitance and series resistance, can be designed independently of the breakdown voltage and clamp voltage, and therefore, for example, even with different breakdown voltages and clamp voltages, other electrical characteristics are approximately the same. It is also possible to do the same.

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。
It is also easy to integrate multiple elements within a common semiconductor substrate.

大電流領域では降伏電圧よりもさらにクラン
プ電圧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、回路系の保護にして極めて高い能力を
有する。
It has a design principle in which the clamp voltage is reduced even more than the breakdown voltage in the large current region, so it can absorb even extremely large surge currents and has extremely high ability to protect circuit systems.

クランプ電圧が大きく低減化するとは言つて
も必要に応じ、その値を極端には低い値となら
ないように、あるいは本サージ吸収素子を適用
する回路系の電源電圧に呼応するように設定す
ることができ、したがつてサージ要因がなくな
つた後も導通を続けるという続流現象を防止す
ることもできる。
Even though the clamp voltage is greatly reduced, if necessary, the value can be set so that it does not become an extremely low value, or so that it corresponds to the power supply voltage of the circuit system to which this surge absorbing element is applied. Therefore, it is also possible to prevent a follow-on phenomenon in which conduction continues even after the surge factor has disappeared.

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

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図は第二発明に従うサージ吸収
素子の一実施例の概略構成図、第3図は第三発明
に即する一実施例の概略構成図、第4図は本発明
素子の動作特性図、第5図は第一発明に従う改変
例の概略構成図、第6図、第7図、第8図、第9
図は、それぞれ本発明実施例のさらなる改変例の
概略構成図、第10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、である。 図中、1は第一半導体領域ないし半導体基板、
2は第二半導体領域、3は第三領域、31〜3n
は第三領域要素、4は第四領域、41〜4nは第
四領域要素、5は第五領域、6は第六領域、7は
補助領域、10は全体としての本発明サージ吸収
素子、である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a first embodiment according to the first invention of the present invention, FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an embodiment of a surge absorbing element according to the second invention, and FIG. 3 is according to the third invention. 4 is a diagram showing the operating characteristics of the device of the present invention; FIG. 5 is a schematic diagram of a modified example according to the first invention; FIGS. 6, 7, 8, and 9
The figures are schematic configuration diagrams of further modified examples of the embodiment of the present invention, and FIG. 10 is an explanatory diagram of an example of a special usage of the surge absorbing element of the present invention. In the figure, 1 is a first semiconductor region or a semiconductor substrate,
2 is a second semiconductor region, 3 is a third region, 31 to 3n
is a third region element, 4 is a fourth region, 41 to 4n are fourth region elements, 5 is a fifth region, 6 is a sixth region, 7 is an auxiliary region, and 10 is the surge absorbing element of the present invention as a whole. be.

Claims (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
あつ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
記一方の表面に対向する他方の表面側に形成され
るか、または上記一方の表面側において上記第二
の半導体領域に対し横方向に離間して形成され、
上記第一半導体領域と注入接合を形成する第四領
域と; 上記第一半導体領域とは反対側から上記第四領
域に接触することにより、該第四領域との間で整
流性接合を形成する第五領域と; から成り、上記pn接合ダイオードの逆バイアス
で生ずる空乏層が対応する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
すると共に上記第四領域と上記第五領域との間の
上記整流性接合の降伏電圧によりクランプ電圧が
規定され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
あつ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
記一方の表面に対向する他方の表面側に形成され
るか、または上記一方の表面側において上記第二
の半導体領域に対し横方向に離間して形成され、
上記第一半導体領域と注入接合を形成する第四領
域と; 上記第一半導体領域とは反対側から上記第四領
域に接触することにより該第四領域との間で整流
性接合を形成する第五領域と; 該第五領域に対し、さらに上記第四領域とは反
対側から整流性接合を形成する第六領域と; から成り、上記pn接合ダイオードの逆バイアス
で生ずる空乏層が対応する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
すると共に上記第五領域を介してのパンチスルー
によりクランプ電圧が規定されることを特徴とす
るサージ吸収素子。 3 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
あつ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
記一方の表面に対向する他方の表面側に形成され
るか、または上記一方の表面側において上記第二
の半導体領域に対し横方向に離間して形成され、
上記第一半導体領域と注入接合を形成する第四領
域と; 上記第三領域に対し上記第二半導体領域とは反
対側から整流性接合を形成する補助領域と; 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と
共に上記第三領域と上記補助領域との間の上記整
流性接合の降伏電圧によりクランプ電圧が規定さ
れることを特徴とするサージ吸収素子。
[Claims] 1. A first semiconductor region of a first conductivity type formed as the semiconductor substrate itself or separately formed with respect to the semiconductor substrate; on both upper and lower surfaces of the first semiconductor region; a second semiconductor region formed on one surface side, having a conductivity type opposite to the first semiconductor region and forming a pn junction diode with the first semiconductor region; a third region that defines an effective thickness of the second semiconductor region by determining a separation distance from the first semiconductor region by contacting the second semiconductor region from a side opposite to the first semiconductor region; Of both the upper and lower surfaces of the semiconductor region, it is formed on the other surface side opposite to the one surface, or it is formed on the one surface side laterally spaced apart from the second semiconductor region. ,
a fourth region forming an injection junction with the first semiconductor region; forming a rectifying junction with the fourth region by contacting the fourth region from a side opposite to the first semiconductor region; A surge occurs due to punch-through between the first semiconductor region and the third region, which occurs when the depletion layer generated by reverse bias of the pn junction diode reaches the corresponding third region. A surge absorption element that absorbs current and has a clamp voltage defined by a breakdown voltage of the rectifying junction between the fourth region and the fifth region. 2. A first semiconductor region of a first conductivity type formed as the semiconductor substrate itself or separately formed with respect to the semiconductor substrate; one surface side of both the upper and lower surfaces of the first semiconductor region; a second semiconductor region that is formed in a conductivity type opposite to the first semiconductor region and forms a pn junction diode with the first semiconductor region; a third region that is in contact with the second semiconductor region and defines an effective thickness of the second semiconductor region by determining a distance between the third region and the first semiconductor region; Formed in the surface on the other surface side opposite to the one surface, or formed laterally spaced apart from the second semiconductor region on the one surface side,
a fourth region forming an injection junction with the first semiconductor region; a fourth region forming a rectifying junction with the fourth region by contacting the fourth region from a side opposite to the first semiconductor region; a fifth region; and a sixth region forming a rectifying junction from the opposite side of the fourth region to the fifth region; the depletion layer generated by reverse bias of the pn junction diode corresponds to the sixth region; A surge current is absorbed by a punch-through between the first semiconductor region and the third region that occurs when the third region is reached, and a clamp voltage is defined by the punch-through through the fifth region. A surge absorption element featuring: 3. A first semiconductor region of a first conductivity type formed as the semiconductor substrate itself or separately formed with respect to the semiconductor substrate; one surface side of both upper and lower surfaces of the first semiconductor region; a second semiconductor region that is formed in a conductivity type opposite to the first semiconductor region and forms a pn junction diode with the first semiconductor region; a third region that is in contact with the second semiconductor region and defines an effective thickness of the second semiconductor region by determining a distance between the third region and the first semiconductor region; Formed in the surface on the other surface side opposite to the one surface, or formed laterally spaced apart from the second semiconductor region on the one surface side,
a fourth region forming an injection junction with the first semiconductor region; an auxiliary region forming a rectifying junction from the opposite side of the third semiconductor region from the second semiconductor region; When the depletion layer generated by the reverse bias of A surge absorbing element characterized in that a clamp voltage is defined by a breakdown voltage of the rectifying junction between.
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JPH0793424B2 (en) * 1992-03-27 1995-10-09 工業技術院長 Surge protection device

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