JPH0479174B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、入力信号を発光素子で光信号に変換
し、発光素子と光結合された光起電力ダイオード
アレイで光信号を電気信号に変換し、その電気信
号によつて、出力用の金属酸化膜半導体電界効果
トランジスタ（MOSFET）を駆動させ、出力用
接点信号を得るようにした光結合を用いた固体リ
レーに関するものである。

［従来の技術］ 第６図は従来の固体リレー（特願昭61−255022
号）の回路図である。入力端子６−６′間には、
発光ダイオード１が接続されている。光起電力ダ
イオードアレイ２は、発光ダイオード１と光結合
されている。入力端子６−６′間に入力電流が流
れると、発光ダイオード１が光信号を発生し、こ
の光信号により光起電力ダイオードアレイ２の両
端に光起電力が発生する。

出力端子７−７間には、絶縁ゲート型の電界効
果トランジスタ３（以下「MOSFET３」とい
う）のドレイン及びソースがそれぞれ接続されて
いる。このMOSFET３の基板はソースと共通接
続されている。前記光起電力ダイオードアレイ２
の両端に発生する光起電力は、インピーダンス要
素４を介して出力用のMOSFET３のゲート・ソ
ース間に印加されると同時に、ノーマリ・オン型
の静電誘導型トランジスタ（SIT）又は電界効果
型トランジスタ（FET）よりなる駆動用トラン
ジスタ５を介して流れる。したがつて、
MOSFET３のゲート容量を充電する電流と、駆
動用トランジスタ５を介して流れる電流が、イン
ピーダンス要素４を介して流れる。このため、イ
ンピーダンス要素４の両端電圧降下により駆動用
トランジスタ５のゲート・ソース間に図示された
極性のバイアス電圧が加わる。このバイアス電圧
により駆動用トランジスタ５が瞬時に高インピー
ダンス状態となる。それ故、駆動用トランジスタ
５の存在により出力用のMOSFET３のゲート・
ソース間の充電動作を遅延することはない。出力
用MOSFET３がエンハンスメントモードである
場合には、ゲート・ソース間の電圧が上昇するこ
とにより、ドレイン・ソース間のインピーダンス
状態が高インピーダンス状態から低インピーダン
ス状態に変化する。したがつて、リレーの入力端
子６−６′間に入力電流が流れると、出力端子７
−７′間がOFF状態からON状態に変化し、機械
的な可動部分を持たずに、電気機械的なリレーと
同じ作用をすることになる。

入力端子６−６′間の入力電流が遮断されると、
MOSFET３のゲート容量に蓄積されていた電荷
は、駆動用トランジスタ５を介して放電される。
このとき、駆動用トランジスタ５のゲート・ソー
ス間には前記バイアス電圧が加わらないので、駆
動用トトランジスタ５はオン状態であり、したが
つて、この放電動作は極めて短時間で完了する。

［発明が解決しようとする課題］ 上述の従来技術において、入力電流が入力端子
６−６′間に定常的に流れている場合には、駆動
用トランジスタ５を介してわずかな電流がインピ
ーダンス要素４に流れ、これにより駆動用トラン
ジスタ５のゲート・ソース間にバイアス電圧が加
わり、高インピーダンス状態を維持する。このと
き、インピーダンス要素４に加わる電圧値V₄は、
駆動用トランジスタ５の遮断特性とインピーダン
ス要素４の値に応じて決まる。駆動用トランジス
タ５の遮断特性が一定であれば、光起電力のバイ
パスロス分（つまり出力用MOSFET３のゲー
ト・ソース間に供給されないで駆動用トランジス
タ５を介して消費される分）を少なくするには、
インピーダンス要素４はできるだけ大きな値とす
る方が良い。つまり、インピーダンス要素４が大
きい値であれば、入力端子６−６′間の入力電流
が少なくてもリレーを感動動作させることができ
る。しかしながら、インピーダンス要素４の抵抗
値が大き過ぎると、出力用MOSFET３のゲー
ト・ソース間の静電容量を充電する電流
（MOSFET３のゲート電位を上昇させるための
電流）もインピーダンス要素４を介して流れるた
め、この電流値に制限を与えてしまう。つまり、
入力電流の立ち上がりに対する出力端子７−７′
間のインピーダンス変化の応答速度を高めるに
は、インピーダンス要素４の値は小さくしなけれ
ばならない。

このように、上述の従来技術においては、リレ
ーを動作させるために要する最低の入力電流、つ
まり、感動電流（I_Fon）を小さくするためには、
インピーダンス要素４の値を大きく設定する必要
があり、また、入力電流が流れてから出力端子７
−７′間がONするまでの応答時間Tonを短くす
るためには、インピーダンス要素４の値を小さく
設定する必要がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、感動電流が小さ
く、しかも応答速度が速い固体リレーを簡単な構
成で提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明にあつては、上記の課題を解決するため
に、添付図面に示すように、入力信号に応答して
光信号を発生する発光ダイオード１のような発光
素子と、前記光信号を受光して光起電力を発生す
る光起電力ダイオードアレイ２と、光起電力ダイ
オードアレイ２と直列的に接続されたインピーダ
ンス要素４と、前記光起電力を前記インピーダン
ス要素４を介してゲート・基板間に印加されて、
第１のインピーダンス状態から第２のインピーダ
ンス状態に変化する出力用MOSFET３と、出力
用MOSFET３のゲート・基板間に一対の通電電
極を接続され、前記インピーダンス要素４と光起
電力ダイオードアレイ２との接続点に制御電極を
接続されて、光起電力ダイオードアレイ２による
光起電力の発生時に前記インピーダンス要素４の
両端に生じる電圧にて高インピーダンス状態にバ
イアスされるノーマリ・オン型の駆動用トランジ
スタ５とを有して成る固体リレーにおいて、イン
ピーダンス要素４は低濃度の不純物半導体領域４
４に導電型の異なる不純物を拡散させた拡散領域
４０の抵抗よりなり、不純物半導体領域４４と拡
散領域４０の間に生じるPN接合が光起電力の発
生時には逆バイアスされるように不純物半導体領
域４４を拡散領域４０一端（アルミニウム電極４
２）に接続し、拡散領域４０は所定の間隔で蛇行
するように形成され、拡散領域４０の蛇行する間
隔は、光起電力による出力用MOSFET３のゲー
ト・基板間容量の充電時に拡散領域４０と不純物
半導体領域４４の間に生じる空乏層がつながるよ
うな間隔に設定され、且つアルミニウム膜４９が
拡散領域を覆うように被着されていることを特徴
とするものである。

［作用］ 本発明の作用を第３図ａ，ｂにより説明する。
光起電力の発生時には、インピーダンス要素４に
光起電力による電流が流れて、拡散領域４０と不
純物半導体領域４４の間のPN接合は、逆バイア
ス状態となる。不純物半導体領域４４の不純物濃
度が低いので、印加電圧が低くても、空乏層は第
３図ａの破線で示すように不純物半導体領域４４
の側に大きく拡がる。しかも、拡散領域４０の上
には遮光を目的としたアルミニウム膜４９が存在
するために、このアルミニウム膜４９が電界印加
膜として作用し、空乏層をさらに拡げる。そし
て、前記逆バイアス電圧が所定値を越えると、第
３図ｂの破線で示すように、不純物半導体領域４
４の中で空乏層がつながつてしまい、同図の矢印
で示すように、電子が流れ得る状態となる。した
がつて、蛇行する拡散領域４０を蛇行せずに電流
が流れるようになり、インピーダンス要素４の抵
抗値が下がる。このため、本発明にあつては、入
力信号の発生した過渡時にはインピーダンス要素
４の低抗値が下がり、出力用MOSFET３のゲー
ト・ソース間容量を急速に充電することができ
る。また、入力信号が安定した定常時には、第３
図ａに示すように、空乏層がつながる状態には至
らないので、蛇行する拡散領域４０により高抵抗
が得られ、小さな入力信号でノーマリ・オン型の
駆動用トランジスタ５を高インピーダンス状態に
バイアスすることができるものである。

［実施例］ 図示実施例にあつては、第６図に示す構成の固
体リレーにおいて、光起電力ダイオードアレイ２
と、インピーダンス要素４及び駆動用トランジス
タ５を１チツプの誘電体分離基板上に形成してい
る。第１図はこの誘電体分離基板におけるインピ
ーダンス要素４の部分の斜視図であり、第２図は
第１図のＡ−A′線についての断面図である。誘
電体分離基板は、多結晶シリコン基板４６の上
に、複数個の単結晶シリコン領域が、SiO₂のよ
うな絶縁膜４５に包まれて島のように存在する基
板である。本実施例では、インピーダンス要素４
が形成される単結晶シリコン領域にＮ型の不純物
を低濃度にドープして不純物半導体領域４４とし
ている。また、表面には、Ｐ型の不純物を高濃度
に拡散された拡散領域４０が形成されている。こ
の拡散領域４０は、第１図に示すように、蛇行し
て形成されている。拡散領域４０は不純物濃度が
高いのでで、低抵抗層となつており、その不純物
濃度に応じた抵抗率を有する。拡散領域４０及び
不純物半導体領域４４の表面は、SiO₂よりなる
絶縁膜４７で覆われている。拡散領域４０の両端
にはオーミツク接触でアルミニウム電極４１，４
２が接続されてる。アルミニウム電極４１，４２
間の抵抗値は、拡散領域４０の抵抗率と、拡散領
域４０の幅と長さでほぼ決まる。拡散領域４０の
不純物濃度は表面ほど高く、電流密度は表面近く
ほど高い。したがつて、拡散領域４０の深さは抵
抗値には余り関係しない。実施例では、Ｎ型の不
純物半導体領域４４の比抵抗は60Ω、Ｐ型の不純
物拡散領域４０の幅は３〓ｍ、間隔は４〓ｍ、不
純物としてはＢ（ボロン）を用い、濃度は2.5×
10¹³doseとした。一方のアルミニウム電極４２
は、Ｎ型の不純物を低濃度に拡散された不純物半
導体領域４４にもオーミツク接触している。した
がつて、Ｎ型の不純物半導体領域４４は、駆動用
トランジスタ５のソース並びに出力端子７′と同
じ安定な電位に保持される。なお、アルミニウム
電極４２と不純物半導体領域４４がオーミツク接
触する部分には、Ｎ型の不純物を高濃度に拡散し
た電極領域４３が形成されている。基板の上に
は、アルミニウム電極４１，４２の形成後に、
CVD法を用いてSiO₂よりなる5000Å程度のパツ
シベーシヨン膜４８が被着されている。また、光
起電力ダイオードアレイ２以外の部分には、光に
よるリーク電流の発生を防止するために、遮光用
のアルミニウム膜４９を被着している。ただし、
第１図においては、遮光用のアルミニウム膜４９
を被着する前の状態を図示している。

上述のように、光起電力の発生時には、インピ
ーダンス要素４に光起電力による電流が流れて、
一方のアルミニウム電極４２が他方のアルミニウ
ム電極４１よりも高電位となるので、拡散領域４
０と不純物半導体領域４４の間のPN接合は、逆
バイアス状態となる。不純物半導体領域４４の不
純物濃度が低いので、印加電圧が低くても、空乏
層は第３図ａの破線で示すように不純物半導体領
域４４の側に大きく拡がる。さらに、拡散領域４
０の上に存在する遮光を目的としたアルミニウム
膜４９を低電圧側の電極４１と接続させることに
よりフイールドプレート作用が強められ、印加電
圧の低い状態で空乏層を拡げることが可能とな
る。そして、前記逆バイアス電圧が所定値を越え
ると、第３図ｂの破線で示すように、不純物半導
体領域４４の中で空乏層がつながつてしまい、同
図の矢印で示すように、電子が流れ得る状態とな
る。したがつて、拡散領域４０の蛇行する抵抗パ
ターンをＡ−A′線方向にバイパスして電流が流
れるようになり、インピーダンス要素４の抵抗値
が下がる。

第４図は、インピーダンス要素４の印加電圧と
通電電流との関係を示す。図中、光起電力の発生
時における印加電圧と通電電流の関係は、第１象
限に示された特性のようになり、所定値（ここで
は約1V）以上の印加電圧が加わると、通電電流
が急速に増加する。したがつて、入力信号が立ち
上がつて、出力用MOSFET３のゲート・ソース
間容量が充電されるときに、インピーダンス要素
４に加わる電圧が前記所定値よりも大きければ、
インピーダンス要素４の通電電流は著しく増大
し、ゲート・ソース間容量が急速に充電されるも
のである。

第５図は入力信号が立ち上がつた場合における
インピーダンス要素４の印加電圧の変化を示して
いる。同図ａに示すように、入力信号が立ち上が
ると、光起電力ダイオードアレイが光起電力を発
生するが、出力用MOSFET３のゲート・ソース
間容量の充電電圧が上昇するまでは、光起電力の
大部分がインピーダンス要素４に分担されるの
で、インピーダンス要素４の印加電圧は高い。こ
の印加電圧が前記所定値を越えている間は、イン
ピーダンス要素４の抵抗値が低下し、ゲート・ソ
ース間容量が急速に充電される。出力用
MOSFET３のゲート・ソース間容量の充電電圧
が上昇すると、インピーダンス要素４に分担され
る電圧は低くなるので、インピーダンス要素４の
抵抗値が増大し、少ない通電電流で大きなバイア
ス電圧を発生することができるようになる。

なお、実施例においては、出力用MOSFET３
がエンハンスメントモードである場合を例示した
が、デプリーシヨンモードであつても良い。

［発明の効果］ 本発明は上述のように、入力信号の発生した過
渡時には出力用MOSFETのゲート・ソース間容
量に充電電流を流し、入力信号が安定した定常時
には出力用MOSFETのゲート・ソース間に接続
されたノーマリ・オン型の駆動用トランジスタに
バイアス電圧を与えるインピーダンス要素とし
て、低濃度の不純物半導体領域に導電型の異なる
不純物を拡散させた拡散領域の抵抗を使用し、不
純物半導体領域と拡散領域の間に生じるPN接合
が光起電力の発生時にはバイアスされるように不
純物半導体領域を拡散領域の一端に接続し、拡散
領域は所定の間隔で蛇行するように形成し、拡散
領域の蛇行する間隔は、光起電力による出力用
MOSFETのゲート・基板間容量の充電時に拡散
領域と不純物半導体領域の間に生じる空乏層がつ
ながるような間隔に設定し、且つアルミニウム膜
が拡散領域を覆うようにしたから、単にインピー
ダンス要素の構成を工夫するだけで、入力信号の
発生した過渡時には蛇行する拡散領域をバイパス
して大きな電流が流れることにより出力用
MOSFETのゲート・ソース間容量を急速に充電
することができ、また、入力信号が安定した定常
時には、蛇行する拡散領域により高抵抗が得られ
るので、小さな入力信号でノーマリ・オン型の駆
動用トランジスタをバイアスすることができるも
のであり、したがつて、高感度で且つ高速応答性
を有する固体リレーを実現できるという効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に用いるインピーダ
ンス要素の斜視図、第２図は同上のＡ−A′線に
ついての断面図、第３図ａ，ｂは同上の動作説明
図、第４図は同上の電圧−電流特性を示す図、第
５図は同上の動作波形図、第６図は従来例の回路
図である。 １は発光ダイオード、２は光起電力ダイオード
アレイ、３は出力用MOSFET、４はインピーダ
ンス要素、５は駆動用トランジスタ、４０は拡散
領域、４１，４２はアルミニウム電極、４４は不
純物半導体領域、４９はアルミニウム膜である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 入力信号に応答して光信号を発生する発光素
   子と、前記光信号を受光して光起電力を発生する
   光起電力ダイオードアレイと、光起電力ダイオー
   ドアレイと直列的に接続されたインピーダンス要
   素と、前記光起電力を前記インピーダンス要素を
   介してゲート・基板間に印加されて、第１のイン
   ピーダンス状態から第２のインピーダンス状態に
   変化する出力用MOSFETと、出力用MOSFET
   のゲート・基板間に一対の通電電極を接続され、
   前記インピーダンス要素と光起電力ダイオードア
   レイとの接続点に制御電極を接続されて、光起電
   力ダイオードアレイによる光起電力の発生時に前
   記インピーダンス要素の両端に生じる電圧にて高
   インピーダンス状態にバイアスされるノーマリ・
   オン型の駆動用トランジスタとを有して成る固体
   リレーにおいて、前記インピーダンス要素は低濃
   度の不純物半導体領域に導電型の異なる不純物を
   拡散させた拡散領域の抵抗よりなり、不純物半導
   体領域と拡散領域の間に生じるPN接合が光起電
   力の発生時には逆バイアスされるように不純物半
   導体領域を拡散領域の一端に接続し、拡散領域は
   所定の間隔で蛇行するように形成され、拡散領域
   の蛇行する間隔は、光起電力による出力用
   MOSFETのゲート・基板間容量の充電時に拡散
   領域と不純物半導体領域の間に生じる空乏層がつ
   ながるような間隔に設定され、且つアルミニウム
   膜が拡散領域を覆うように被着されていることを
   特徴とする固体リレー。