(57)【要約】点火回路用ＰＮＰＮ型半導体スイッチング素子であって、Ｎ型導電性の半導体材料の第１の拡散層（２２）及び第３の拡散層（１４）と、Ｐ型導電性の半導体材料の第２の拡散層（２０）及び第４の拡散層（１６）と、第２の拡散層（２０）と第３の拡散層（１４）との間の接合部に隣接して第３の拡散層（１４）の中の、Ｎ型導電性の第１の埋込領域（１８）と、を備えたスイッチング素子。埋込領域は、第３の拡散層（１８）よりも高い不純物濃度を有し、素子のスイッチング電圧を制御する。第１の拡散層から第３の拡散層までは、ＮＰＮトランジスタ（ＴＲ１）を形成し、抵抗（２８）が、素子のスイッチング電流を制御するために、トランジスタ（ＴＲ１）のベース拡散領域（２０）とエミッタ拡散領域（２２）との間のトランジスタベース拡散の一部として形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型の半導体材料の第１の拡散層（２２）及び第３の拡散層（１４）と、
第２の導電型の半導体材料の第２の拡散層（２０）及び第４の拡散層（１６）と、
前記第２の拡散層（２０）と前記第３の拡散層（１４）との間の接合部に隣接して前記第３の拡散層１４の中の、第１の導電型を有する第１の埋込領域と、を備え、前記埋込領域は前記第３の拡散層（１８）よりも高い不純物濃度を有する点火回路用のＰＮＰＮ型半導体スイッチング素子であって、
前記埋込領域（１８）は素子のスイッチング電圧を制御し、
前記複数の拡散層はトランジスタ（ＴＲ１）を形成し、
抵抗（２８）が、素子のスイッチング電流を制御するために、トランジスタ（ＴＲ１）のベース拡散領域（２０）とエミッタ拡散領域（２２）との間に形成されている、
スイッチング素子。
【請求項２】
前記トランジスタ（ＴＲ１）がＮＰＮ型トランジスタである、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記第２の層（２０）が前記トランジスタベース領域を形成し、前記第１の層（２２）が前記エミッタ領域を形成する、請求項１又は２に記載の素子。
【請求項４】
前記抵抗（２８）が、前記トランジスタＴＲ１のベース拡散（２０）の一部として形成されている、請求項１、２、又は３に記載の素子。
【請求項５】
前記第１の層（２２）が高濃度でドープされたＮ+型エミッタ領域であり、前記第２の層（２０）がＰ型ベース領域であり、前記第３の層（１４）がＮ型基板であり、前記第４の層（１６）がＰ型の深い陽極領域であり、前記埋込領域（１８）がＮ型拡散領域である、請求項１乃至４のいずれかに記載の素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のＰＮＰＮ素子と、前記ＰＮＰＮ素子と逆並列に接続されているＰＮダイオード（２９）と、を含む複合ＰＮＰＮ素子。
【請求項７】
前記ＰＮダイオード（２９）及び前記ＰＮＰＮ素子がモノリシック集積回路として製造されている、請求項６に記載の複合素子。
【請求項８】
前記ダイオード（２９）がＮ型拡散領域（２２）の反対側に深い陽極拡散（１６）を有する、請求項６又は７に記載の複合素子。
【請求項９】
前記抵抗（２８）が、ＰＮＰＮ素子のベース領域（２０）を、逆並列のダイオード（２９）の陽極（１６）と接続している、請求項６、７、又は８に記載の複合素子。
【請求項１０】
請求項１乃至５のいずれかに記載され、双方向スイッチング素子を形成するために、互いに逆並列に接続されている、二つのＰＮＰＮ素子を備える複合素子であって、
各抵抗（２８）が、前記ＰＮＰＮ素子の各々のスイッチング電流を制御するために、前記ＰＮＰＮ素子の各々のトランジスタ（ＴＲ１）のベース拡散領域（２０）とエミッタ拡散領域（２２）との間に形成されており、
前記抵抗（２８）の各々は、各一方の前記ＰＮＰＮ素子のベース領域（２０）を、他方の前記ＰＮＰＮ素子の陽極（１６）に接続している、
複合素子。
【請求項１１】
前記複合素子がモノリシック集積回路として製造されている、請求項１０に記載の複合素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、スパーク発生回路用のスイッチング素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
双方向シリコンスイッチング素子は、スパーク発生回路又はパルス発生回路、例えば、ガス器具の点火又はランプ点火において、しばしば用いられている。
【０００３】
典型的な回路では、コンデンサを充電するために、本線電圧が用いられている。シリコンスイッチング素子のブレークオーバ電圧を越すと、素子は、導通状態になり、コンデンサはステップアップ変圧器の一次側を介して放電される。変圧器は、さらに高い電圧を二次巻線内に発生させ、スパークガス中にスパークを発生させる。このスパークは、次にガス器具を点火させるために用いることができる。
【０００４】
このような回路は、ガス放電管ランプを点火させるために必要とされる高電圧を発生するためにも使用される。ＨＩＤランプの場合には、回路は、複数の、たとえば、各本線半周期に対し少なくとも３つの点火パルスを与えることを要求される。スイッチング素子には、すべての安定器が回路の製造中にこの必要条件を充たすために、非常に狭い窓を必要とする。
【０００５】
使用されているスイッチング素子は、一般的には、４層のＰＮＰＮ素子であり、ＰＮＰＮ素子のスイッチング電圧特性は、本線電圧のバラツキを伴う信頼できる動作を確保できるように、念入りに操作されなければならない。素子のブレークダウン電圧があまりにも低い場合には、適切なスパークを生じさせるのに十分なエネルギーがコンデンサに蓄積されない。ブレークダウン電圧があまりにも高い場合には、素子はトリガすることが妨げられる。さらに、トリガ電流は、半導体素子をトリガするために十分な電流があるように制御されなければならないが、コンデンサの放電後に素子を作動させたままにしておくため、電流はあまり低くてはいけない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
スイッチング素子としては、単一のガラスで不動態化されたＰＮＰＮ素子が、一般に用いられる。しかし、このような素子を、要求される電気的許容度で製造することは、難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
したがって、本発明は、第１の導電型の半導体材料の第１の拡散層及び第３の拡散層と、第２の導電型の半導体材料の第２の拡散層及び第４の拡散層と、前記第２の拡散層と前記第３の拡散層との間の接合部に隣接して前記第３の拡散層の中の、第１の導電型を有する第１の埋込領域と、を備え、前記埋込領域は第３の拡散層よりも高い不純物濃度を有する点火回路用のＰＮＰＮ型半導体スイッチング素子であって、前記埋込領域は素子のスイッチング電圧を制御し、前記複数の拡散層はトランジスタを形成し、抵抗が、素子のスイッチング電流を制御するために、トランジスタのベース拡散領域とエミッタ拡散領域との間に形成されている。
【０００８】
前記トランジスタがＮＰＮ型トランジスタであり、前記第２の層が前記トランジスタベース領域を形成し、前記第１の層が前記エミッタ領域を形成し、前記抵抗が前記トランジスタのベース拡散の一部として形成されていることが望ましい。
【０００９】
本発明のより望ましい形態は、前記第１の層が高濃度でドープされたＮ+型エミッタ領域であり、前記第２の層がＰ型ベース領域であり、前記第３の層がＮ型基板であり、前記第４の層がＰ型の深い陽極領域であり、前記埋込領域がＮ型拡散領域である、ことである。
【００１０】
本発明の更なる形態は、ＰＮダイオードが前記ＰＮＰＮ素子と逆並列に（ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅｌ）接続されている、ことである。
【００１１】
前記ＰＮダイオード及びＰＮＰＮ素子がモノリシック集積回路として製造され、前記ダイオードが、Ｎ型拡散領域の反対側に深い陽極拡散を有している、ことが望ましい。
【００１２】
前記抵抗が、ＰＮＰＮ素子のベース領域を逆並列のダイオードの陽極と接続している、ことが望ましい。
【００１３】
本発明のさらに望ましい形態は、二つのこのようなＰＮＰＮ素子が、双方向スイッチング素子を形成するために、互いに逆並列に接続されている、ということである。各抵抗が、前記ＰＮＰＮ素子の各々のスイッチング電流を制御するために、前記ＰＮＰＮ素子の各々のトランジスタのベース拡散領域とエミッタ拡散領域との間に形成されており、前記抵抗の各々は、各一方の前記ＰＮＰＮ素子のベース領域を、他方の前記ＰＮＰＮ素子の陽極に接続している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下では、添付した図面を参照して、本発明の好適な実施の形態を単に例示的として説明することにする。
【００１５】
図１を参照すると、単純なスパーク発生回路１０を示しており、ここで、コンデンサＣは、抵抗Ｒを介して本線電圧によって充電される。本回路はＰＮＰＮ双方向半導体スイッチング素子１２を有し、コンデンサＣ両端の電圧が素子１２のブレークオーバ電圧を越えると、導通される。これにより、ステップアップ変圧器の一次巻線１４を介してコンデンサを放電させる。この変圧器は、二次巻線１６内により高い電圧を発生させ、スパークギャップ１８内にスパークを発生させる。
【００１６】
図２を参照すると、図１の回路内で使用される、本発明の半導体スイッチング素子１２の好適な実施の形態の断面図が示されている。
【００１７】
図２の素子は、Ｎ型基板１４を有する双方向型ＰＮＰＮ素子である。Ｐ型の深い陽極領域１６が、拡散によって、Ｎ型基板の反対側に形成される。次に、さらに高濃度でドープされたＮ型拡散１８が、深い陽極領域１６の各々と直接対向する側で基板１４内に導入される。次に、Ｐ型ベース領域２０及び高濃度でドープされたＮ+型エミッタ領域２２が、基板内に拡散される。最後に、金属層２４及び酸化物層２６が被着され、金属層は素子の接触を形成する。
【００１８】
図２からわかるように、本素子は、逆並列の二つのＰＮＰＮ構造から成る。各構造のベース拡散２０の下方のＮ拡散１８により、本素子のスイッチング電圧を製造中に正確に設定することができる。略２００Ｖのスイッチング電圧が、ほとんどの点火回路に最適である。
【００１９】
領域２２及び２０は、ＮＰＮトランジスタのベース領域を形成し、領域１８及び１４は、コレクタ領域を形成する。
【００２０】
さらに、拡散抵抗２８が、ベース２０の拡散中に形成され、この抵抗２８は、一方のＰＮＰＮ構造の陽極１６及び隣接するＰＮＰＮ構造のＮＰＮトランジスタのエミッタ２２を、隣接するＰＮＰＮ構造のベース２０に結合する。抵抗２８は、素子のスイッチング電流を制御する。実際には、抵抗２８は、数千オームの値であり、数百マイクロアンペアのスイッチング電流を良好に制御する。
【００２１】
図１の回路のコンデンサは、本線電圧サイクルの負及び正の両方向に充電されることができ、図２で示される素子が、両極性に切り替えることができるので、回路は各本線サイクルに対し複数のパルスを発生するのに最適である。
【００２２】
Ｎ型拡散１８は、ブレークオーバ電圧ＶBOを設定する。
【００２３】
ＰＮＰＮ素子内に制御された電圧ブレークダウン領域及び良好に規定された抵抗２８を含ませることにより、双方向スイッチは、点火装置回路に対し要求される耐性を有するように作ることができる。
【００２４】
図３は、図２の一方のＰＮＰＮ構造の等価回路である。トランジスタＴＲ１は、図２の構造のエミッタ領域２２と、ベース領域２０と、コレクタ領域１４及び１８とによって形成されている。トランジスタＴＲ２は、図２の構造のエミッタ領域１６と、ベース領域１４と、コレクタ領域２０とによって形成されている。素子全体に渡る電圧は、ブレークダウンダイオード１００及び抵抗２８に渡って印加される。ブレークダウンダイオード１００は、ベース拡散２０とＮ型拡散１８とによって形成されている。ダイオード１００両端の電圧がブレークオーバ電圧を越えると、ダイオードは導通し始めるが、抵抗２８は、ダイオード１００内のスイッチング電流を制御する。抵抗２８内の電流が増えると、第１のトランジスタＴＲ１を作動させ、次に、第２のトランジスタＴＲ２を作動させる。
【００２５】
図４を参照すると、図２に類似している図であるが、単方向性のスイッチング素子が示されている。見てわかるように、構造は図２の左側と基本的に同一である。素子１２の部品と同様の素子４０の部品には、同一の参照番号が付されている。図４の構造の等価回路は、図３で示されたものと同一である。
【００２６】
図４の構造では、拡散抵抗２８が、ベース拡散２０の一部として形成されており、上側の金属層２４の伸張部３０によって、素子のエミッタに接続されている。
【００２７】
図４の素子は、たとえば、図５で示すような回路で使われる。これは、図１の回路に似ており、同様の部品には、同様の参照番号が付されている。しかしながら、コンデンサＣの充電は、ブリッジ整流器１９によって行われる。その結果、素子１２は、一方向のみに切り替えることが求められる。ブリッジ整流器１９が帰還電流路を提供するので、図４の構造では、逆並列ダイオードは必要ない。
【００２８】
図６は、図２に似た図であり、非対称構造を有するスイッチング素子５０を示している。さらに、図２の部品と同様の部品には、同一の番号が付されている。
【００２９】
図６の素子では、左側の部分の構造は、図２の左側の部分と同一である。しかしながら、右側の構造は、逆並列ダイオード２９を形成し、高濃度にドープされたＮ+型拡散領域２２の反対側に、深い陽極拡散１６を有する。拡散抵抗２８は、左側のＰＮＰＮ構造のベース２０を、エミッタ領域２２及び右側の構造の深い陽極１６に接続させる。
【００３０】
図６の素子の等価回路は、図８に示されている。
【００３１】
図６の素子は、たとえば、図７で示されるような回路で使用される。この回路は、図１の回路と似ており、同様の部品には、同様の参照番号が付されている。
【００３２】
図７では、コンデンサＣは、一方向（一極性）のみに充電されるので、図５の素子１２は、一方向のみに切り替えれば良い。逆並列ダイオード２９は、コンデンサを再充電するのを助ける電流のために振動帰還路を提供する。この回路は、ガス点火装置で使用されているような、より低いスイッチング速度に最適である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】典型的なスパーク発生回路の回路図である。
【図２】本発明による半導体スイッチング素子の最良の形態の断面図である。
【図３】図２の素子の片側半分の等価回路である。
【図４】本発明のスイッチング素子の第二の形態の、図１と類似した図である。
【図５】図４の素子を使用した、図１の回路図と類似した回路図である。
【図６】本発明によるスイッチング素子の第三の形態の、図２に類似した図である。
【図７】図６の素子を使用している回路を示す、図１と類似した回路図である。
【図８】図６の素子の片側半分の等価回路である。
【国際公開パンフレット】
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2005505137.tif 000004
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【手続補正書】
【提出日】平成15年10月25日(2003.10.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型の半導体材料の第１の拡散層（２２）及び第３の拡散層（１４）と、
第２の導電型の半導体材料の第２の拡散層（２０）及び第４の拡散層（１６）と、
素子のスイッチング電圧を制御する、第１の埋込領域（１８）と、を備えた、点火回路用のＰＮＰＮ型半導体スイッチング素子であって、
前記第１の埋込領域（１８）は、第１の導電型であり、前記第２の拡散層（２０）と前記第３の拡散層（１４）との間の接合部に隣接して前記第３の拡散層（１４）の中に形成されており、前記埋込領域は前記第３の拡散層（１８）よりも高い不純物濃度を有し、
前記複数の拡散層はトランジスタ（ＴＲ１）を形成し、
前記第２の拡散層（２０）は前記トランジスタベース領域を形成し、前記第１の拡散層（２２）は前記エミッタ領域を形成し、
抵抗（２８）が、素子のスイッチング電流を制御するために、トランジスタ（ＴＲ１）のベース拡散領域（２０）とエミッタ拡散領域（２２）との間に形成されている、
スイッチング素子。
【請求項２】
前記トランジスタ（ＴＲ１）がＮＰＮ型トランジスタである、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
前記第１の層（２２）が高濃度でドープされたＮ+型エミッタ領域であり、前記第２の層（２０）がＰ型ベース領域であり、前記第３の層（１４）がＮ型基板であり、前記第４の層（１６）がＰ型の深い陽極領域であり、前記埋込領域（１８）がＮ型拡散領域である、請求項１又は２に記載の素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のＰＮＰＮ素子と、前記ＰＮＰＮ素子と逆並列に接続されているＰＮダイオード（２９）と、を含む複合ＰＮＰＮ素子。
【請求項５】
前記ＰＮダイオード（２９）及び前記ＰＮＰＮ素子がモノリシック集積回路として製造されている、請求項４に記載の複合素子。
【請求項６】
前記ダイオード（２９）がＮ型拡散領域（２２）の反対側に深い陽極拡散（１６）を有する、請求項４又は５に記載の複合素子。
【請求項７】
前記抵抗（２８）が、ＰＮＰＮ素子のベース領域（２０）を、逆並列のダイオード（２９）の陽極（１６）と接続している、請求項４、５、又は６に記載の複合素子。
【請求項８】
請求項１乃至３のいずれかに記載され、二つのＰＮＰＮ素子が、双方向スイッチング素子を形成するために、互いに逆並列に接続されている、二つのＰＮＰＮ素子を備える複合素子であって、
各抵抗（２８）が、前記ＰＮＰＮ素子の各々のスイッチング電流を制御するために、前記ＰＮＰＮ素子の各々のトランジスタ（ＴＲ１）のベース拡散領域（２０）とエミッタ拡散領域（２２）との間に形成されており、
前記抵抗（２８）の各々は、各一方の前記ＰＮＰＮ素子のベース領域（２０）を、他方の前記ＰＮＰＮ素子の陽極（１６）に接続している、
複合素子。
【請求項９】
前記複合素子がモノリシック集積回路として製造されている、請求項８に記載の複合素子。
【請求項１０】
第１の導電型の半導体材料の半導体基板を提供するステップであって、前記基板が上部面及び下部面を有する、ステップと、
前記基板中に前記第１の導電型の半導体材料の第１の拡散層（２２）を形成するステップであって、前記基板が前記第１の導電型の半導体材料の第３の拡散層（１４）を形成する、ステップと、
前記基板内に第２の導電型の半導体材料の第２の拡散層（２０）及び第４の拡散層（１６）を形成するステップと、
素子のスイッチング電圧を制御する第１の埋込領域（１８）を形成するステップであって、前記第１の埋込領域（１８）は第１の導電型を有し、前記第２の拡散層（２０）と前記第３の拡散層（１４）との間の接合部に隣接して前記第３の拡散層（１４）の中にあり、埋込領域は第３の拡散層（１８）よりも高い不純物濃度を有する、ステップと、
を備えた、点火回路用ＰＮＰＮ半導体スイッチング素子を製造する方法であって、
前記第２の拡散層（２０）は前記トランジスタベース領域を形成し、前記第１の拡散層（２２）は前記エミッタ領域を形成し、
前記複数の拡散層はトランジスタ（ＴＲ１）を形成し、
抵抗（２８）が、素子のスイッチング電流を制御するために、前記トランジスタ（ＴＲ1）のベース拡散領域（２０）とエミッタ拡散領域（２２）との間に形成され、前記抵抗（２８）は前記トランジスタ（ＴＲ１）のベース拡散（２０）の一部として形成されている、方法。
【請求項１１】
前記トランジスタ（ＴＲ１）がＮＰＮトランジスタである、請求項１１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の層（２２）が高濃度でドープされたＮ+型エミッタ領域であり、前記第２の層（２０）がＰ型ベース領域であり、前記第３の層（１４）がＮ型基板であり、前記第４の層（１６）がＰ型の深い陽極領域であり、前記埋込領域（１８）がＮ型拡散領域である、請求項１０又は１１に記載の方法。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれかに記載のＰＮＰＮ素子を形成するステップと、前記ＰＮＰＮ素子と逆並列に接続されているＰＮダイオード（２９）を形成するステップと、を含む、複合ＰＮＰＮ素子の形成方法。
【請求項１４】
前記ＰＮダイオード（２９）及び前記ＰＮＰＮ素子がモノリシック集積回路として製造されている、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ダイオード（２９）がＮ型拡散領域（２２）の反対側に深い陽極拡散（１６）を有する、請求項１３又は１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記抵抗（２８）が、ＰＮＰＮ素子のベース領域（２０）を、逆並列のダイオード（２９）の陽極（１６）と接続している、請求項１３、１４、又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
請求項１０乃至１３のいずれかに記載され、双方向スイッチング素子を形成するために、互いに逆並列に接続されている、二つのＰＮＰＮ素子を形成することを含む、複合素子の形成方法であって、
各抵抗（２８）が、前記ＰＮＰＮ素子の各々のスイッチング電流を制御するために、前記ＰＮＰＮ素子の各々のトランジスタ（ＴＲ１）のベース拡散領域（２０）とエミッタ拡散領域（２２）との間に形成されており、
前記抵抗（２８）の各々は、前記ＰＮＰＮ素子の各一方のベース領域（２０）を、前記ＰＮＰＮ素子の他方の陽極（１６）に接続している、方法。
【請求項１８】
前記複合素子がモノリシック集積回路として製造されている、請求項１７に記載の複合素子の形成方法。
【請求項１９】
請求項１０乃至１８のいずれかに記載の方法によって形成された、ＰＮＰＮ半導体素子。
【国際調査報告】
2005505137.tif 000018
2005505137.tif 000019