特開 2025-3005 光スイッチ及び光スイッチの運用方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025003005

(43)【公開日】2025-01-09

(54)【発明の名称】光スイッチ及び光スイッチの運用方法

(51)【国際特許分類】

   H10F 55/00 20250101AFI20241226BHJP

   H10F 30/00 20250101ALI20241226BHJP

【ＦＩ】

H01L31/12 F

H01L31/08 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023103432

(22)【出願日】2023-06-23

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】川崎 泰介

【テーマコード（参考）】

5F149

5F889

【Ｆターム（参考）】

5F149AA17

5F149AB02

5F149AB07

5F149FA04

5F149FA05

5F149KA20

5F149LA01

5F149LA02

5F149LA03

5F149XB01

5F149XB32

5F889AB20

5F889AC04

5F889AC30

5F889CA21

5F889FA10

(57)【要約】

【課題】光スイッチの閉への切替えを高電圧の印加電圧で実現できると共に、光スイッチから高電圧のスイッチ信号を発生できること。
【解決手段】半導体基板１１と、半導体基板に設置された一対の電極１２Ａ、１２Ｂと、電極間に電圧を印加するパルス電源１３と、トリガー光１を発生するトリガー光源１４とを有し、半導体基板は、半絶縁性半導体から構成されると共に、トリガー光を内部に導入させるトリガー光導入面１６を備え、電極に対応する内部には、トリガー光の通過によりキャリアが生成されて電気抵抗値が低下するキャリア生成領域１７が設けられた光スイッチ１０において、電極に印加された印加電圧を測定する電圧測定手段１５Ｍと、電圧測定手段にて測定された印加電圧のピークを検知し、このピークのタイミングでトリガー光源１４に、トリガー光１を発生させるためのトリガー信号２を出力する電圧ピーク検知手段１５Ｎと、を更に有するものである。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板と、この半導体基板に設置されて対をなす電極と、この電極に接続されて前記電極間に電圧を印加する電源と、トリガー光を発生するトリガー光源と、を有し、
前記半導体基板は、半絶縁性半導体から構成されると共に、一側面に前記トリガー光を内部に導入させるトリガー光導入面を備え、対をなす前記電極に対応する内部には、前記トリガー光の通過によりキャリアが生成されて電気抵抗値が低下するキャリア生成領域が設けられた光スイッチにおいて、
前記電極に印加された印加電圧がピークまたはピーク付近になるタイミングで前記トリガー光源に、前記トリガー光を発生させるためのトリガー信号を出力するトリガー信号出力手段を、更に有して構成されたことを特徴とする光スイッチ。

【請求項2】

前記トリガー信号出力手段は、電源から電極に印加された印加電圧を測定する電圧測定手段と、この電圧測定手段にて測定された前記印加電圧のピークを検知し、このピークのタイミングでトリガー光源にトリガー信号を出力する電圧ピーク検知手段と、を有して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。

【請求項3】

前記電源は、正または負のパルス電圧を発生するパルス電源であることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。

【請求項4】

前記パルス電源により発生するパルス電圧の立上り時間が、１ｍｓ以下に設定されたことを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。

【請求項5】

前記電源は、正弦波電圧を発生する正弦波電源、または修正正弦波電圧を発生する修正正弦波電源あることを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。

【請求項6】

前記正弦波電源が発生する正弦波電圧、または前記修正正弦波電源が発生する修正正弦波電圧のそれぞれの周波数が、２５０Ｈｚ以上に設定されたことを特徴とする請求項５に記載の光スイッチ。

【請求項7】

前記パルス電源は、パルス電圧を発生していない状態で、前記パルス電圧よりも低い一定のバイアス電圧を出力するよう構成された請求項３に記載の光スイッチ。

【請求項8】

前記正弦波電源は、正もしくは負のバイアス電圧を有する正弦波電源を出力し、また、前記修正正弦波電源は、正もしくは負のバイアス電圧を有する修正正弦波電圧を出力するよう構成されたことを特徴とする請求項５に記載の光スイッチ。

【請求項9】

前記トリガー信号出力手段は、電源から電極に印加された印加電圧を測定する電圧測定手段と、この電圧測定手段にて測定された前記印加電圧のピークを検知し、このピークを検知してから所定の遅延時間を経過したタイミングで、トリガー光源にトリガー信号を出力する電圧ピーク検知手段と、を有して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の光スイッチ。

【請求項10】

前記トリガー信号出力手段は、パルス電源から電極に印加された印加電圧を測定する電圧測定手段と、この電圧測定手段にて測定された前記印加電圧を微分して微分信号を生成する微分回路とを有し、
前記パルス電源は、パルス電圧の印加開始時から所定時間経過後に任意の時間幅のゲート信号を前記微分回路に出力し、
前記微分回路は、前記ゲート信号の受信中に、前記微分信号が最初に任意の電圧になったタイミングでトリガー光源にトリガー信号を出力するよう構成されたことを特徴とする請求項３に記載の光スイッチ。

【請求項11】

前記トリガー信号出力手段は、正弦波電源からの正弦波電圧の波形信号または修正正弦波電源からの修正正弦波電圧の波形信号を入力し、これらの正弦波電圧または修正正弦波電圧が任意の立上り電圧もしくは立下り電圧になったタイミングで、トリガー光源にトリガー信号を出力するトリガー回路を有して構成されたことを特徴とする請求項５に記載の光スイッチ。

【請求項12】

前記トリガー信号出力手段は、正弦波電源からの正弦波電圧の波形信号または修正正弦波電源からの修正正弦波電圧の波形信号を入力し、これらの正弦波電圧または修正正弦波電圧に所定の時間的遅延を与える遅延回路と、この遅延回路からの遅延後の正弦波電圧または遅延後の修正正弦波電圧を入力し、これらの遅延後の正弦波電圧または遅延後の修正正弦波電圧が任意の立上り電圧もしくは立下り電圧になったタイミングで、トリガー光源にトリガー信号を出力するトリガー回路と、有して構成されたことを特徴とする請求項５に記載の光スイッチ。

【請求項13】

半導体基板と、この半導体基板に設置されて対をなす電極と、この電極に接続されて前記電極間に電圧を印加する電源と、トリガー光を発生するトリガー光源と、を有し、
前記半導体基板は、半絶縁性半導体から構成されると共に、一側面に前記トリガー光を内部に導入させるトリガー光導入面を備え、対をなす前記電極に対応する内部には、前記トリガー光の通過によりキャリアが生成されて電気抵抗値が低下するキャリア生成領域が設けられた光スイッチの運用方法において、
前記電極に印加された印加電圧がピークまたはピーク付近になるタイミングで、トリガー信号出力手段が前記トリガー光源に、前記トリガー光を発生させるためのトリガー信号を出力することを特徴とする光スイッチの運用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、光を用いて回路を開閉する光スイッチ、及び光スイッチの運用方法に関する。

【背景技術】

【0002】

電気信号ではなく光によって回路を開閉する光スイッチは、電気制御よりも高速な応答、ノイズ対策、電気的なアイソレーション等、様々な用法に使用されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－２０９２６９号公報

【特許文献2】特開２００５－１９１０７４号公報

【特許文献3】実開昭５８－１６６６２７号公報

【特許文献4】特開平７－２２６０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１には、半絶縁性半導体に、そのバンドギャップ波長よりも短い波長の光を入射すると価電子帯の電子が伝導帯に励起され、キャリアが注入されて電気抵抗値が低下する光伝導効果を使用した光スイッチが開示されている。この光スイッチは、高速なパルスレーザー光等をトリガー光として使用することで、電気信号制御の通常のスイッチング素子よりも高速な閉操作を行うことができ、また、半絶縁性半導体にて構成される基板の耐圧が高いことから高電圧化も可能である。

【0005】

図１４は、従来の典型的な光スイッチの構成である。光スイッチ１００は１対の電極１０１が、半導体基板１０２に設置された構造を有する。半導体基板１０２は半絶縁性半導体にて構成され、一対の電極１０１に挟まれた領域には、光により励起されることで半導体基板１０２の価電子帯の電子が伝導帯に励起されてキャリアが生成され、電気抵抗値が低下するキャリア生成領域１０３が設けられる。更に、半導体基板１０２には、トリガー光１０４がトリガー光導入面１０５を介して入射する。光スイッチ１００は、通常状態では絶縁体であるが、半導体基板１０２のバンドギャップ波長に対応した波長の光がキャリア生成領域１０５に吸収されることでキャリアが生成され、電源１０６からの電流が電極１０１間に流れるようになる。

【0006】

一方、半導体基板１０２の半絶縁性半導体は、理想的には絶縁体としてふるまうものの、実際には高電場に起因して電気抵抗値が低下してしまう。このため、光スイッチ１００では、光スイッチ１００に接続された負荷１０７との分圧により、電極１０１に印加される印加電圧も低下し、光スイッチ１００の切替時の電圧、及び光スイッチ１００で発生されるスイッチ信号の電圧が制限されてしまう。つまり、光伝導を利用し電気信号を制御する光スイッチ１００では、電極１０１への印加電圧が大きくなると、半導体基板１０２の電気抵抗値が低下し、負荷１０７との分圧により電極１０１への印加電圧も低下してしまう課題がある。

【0007】

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、光スイッチの閉への切替えを高電圧の印加電圧で実現できると共に、光スイッチから高電圧のスイッチ信号を発生することができる光スイッチ及び光スイッチの運用方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の実施形態における光スイッチは、半導体基板と、この半導体基板に設置されて対をなす電極と、この電極に接続されて前記電極間に電圧を印加する電源と、トリガー光を発生するトリガー光源と、を有し、前記半導体基板は、半絶縁性半導体から構成されると共に、一側面に前記トリガー光を内部に導入させるトリガー光導入面を備え、対をなす前記電極に対応する内部には、前記トリガー光の通過によりキャリアが生成されて電気抵抗値が低下するキャリア生成領域が設けられた光スイッチにおいて、前記電極に印加された印加電圧がピークまたはピーク付近になるタイミングで前記トリガー光源に、前記トリガー光を発生させるためのトリガー信号を出力するトリガー信号出力手段を、更に有して構成されたことを特徴とするものである。

【0009】

本発明の実施形態における光スイッチの運用方法は、半導体基板と、この半導体基板に設置されて対をなす電極と、この電極に接続されて前記電極間に電圧を印加する電源と、トリガー光を発生するトリガー光源と、を有し、前記半導体基板は、半絶縁性半導体から構成されると共に、一側面に前記トリガー光を内部に導入させるトリガー光導入面を備え、対をなす前記電極に対応する内部には、前記トリガー光の通過によりキャリアが生成されて電気抵抗値が低下するキャリア生成領域が設けられた光スイッチの運用方法において、前記電極に印加された印加電圧がピークまたはピーク付近になるタイミングで、トリガー信号出力手段が前記トリガー光源に、前記トリガー光を発生させるためのトリガー信号を出力することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態によれば、光スイッチの閉への切替えを高電圧の印加電圧で実現できると共に、光スイッチから高電圧のスイッチ信号を発生することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態に係る光スイッチを示す平面図。

【図2】図１のII－II線に沿う断面図を含むブロック図。

【図3】図１及び図２の電極への印加電圧等を示すグラフ。

【図4】図１及び図２に示す光スイッチにおけるタイミングチャート。

【図5】第２実施形態に係る光スイッチを示すブロック図。

【図6】図５に示す光スイッチにおけるタイミングチャート。

【図7】第４実施形態に係る光スイッチにおけるタイミングチャート。

【図8】第５実施形態に係る光スイッチを示すブロック図。

【図9】図８に示す光スイッチにおけるタイミングチャート。

【図10】第６実施形態に係る光スイッチを示すブロック図。

【図11】図１０に示す光スイッチにおけるタイミングチャート。

【図12】第７実施形態に係る光スイッチを示すブロック図。

【図13】図１２に示す光スイッチにおけるタイミングチャート。

【図14】従来の光スイッチを示し、（Ａ）がその平面図、（Ｂ）が図１４（Ａ）のXIVＢ－XIVＢ線に沿う断面図を含むブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
［Ａ］第１実施形態（図１～図４）
図１は、第１実施形態に係る光スイッチを示す平面図である。また、図２は、図１のII－II線に沿う断面図を含むブロック図である。

【0013】

これらの図１及び図２に示す光スイッチ１０は、光（トリガー光１）を用いて回路を開閉させるスイッチであり、半導体基板１１と、この半導体基板１１の表面、裏面にそれぞれ設置されて対をなす一対または複数対(例えば一対)の電極１２Ａ、１２Ｂと、これらの電極１２Ａ、１２Ｂに接続されてこれらの電極１２Ａ、１２Ｂ間にパルス電圧を印加電圧として印加させるパルス電源１３と、トリガー光１を発生するトリガー光源１４と、このトリガー光源１４にトリガー光１を発生させるためのトリガー信号２を出力するトリガー信号出力手段１５と、を有して構成される。

【0014】

電極１２Ａ、１２Ｂは、Ａｕ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗ、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、またはＩＴＯ（Indium-Tin Oxide）等の電気的な導体にて構成される。また、電極１２Ａ及び１２Ｂは、上記各導体が積層されて構成されてもよい。更に、電極１２Ａ、１２Ｂの寸法は、直径がΦ０．５ｍｍ～Φ２０ｍｍ、または一辺が０．５ｍｍ～２０ｍｍの角型が好ましい。電極１２Ａ、１２Ｂの厚さは、１０ｎｍ～１μｍが好ましい。

【0015】

半導体基板１１は、Ｓｉ、ＧａＡｓ、４Ｈ－ＳｉＣ、６Ｈ－ＳｉＣ、ＧａＮまたはダイヤモンドなどの半絶縁性半導体にて構成される。半導体基板１１の寸法は、一辺が１ｍｍ～５０ｍｍ、厚さが０．１ｍｍ～１０ｍｍが好ましい。この半導体基板１１は、トリガー光導入面１６及びキャリア生成領域１７を有する。なお、キャリア生成領域１７は、半導体基板１１の表面に露出して形成されてもよい。

【0016】

トリガー光導入面１６は、半導体基板１１の一側面に形成されて、トリガー光１を半導体基板１１の内部に導入させる。また、キャリア生成領域１７は、半導体基板１１における一対の電極１２Ａ、１２Ｂに対応する内部、即ち、半導体基板１１の内部において電極１２Ａと１２Ｂに挟まれた領域に設けられる。このキャリア生成領域１７は、トリガー光１の通過により価電子帯の電子が伝導帯に励起されてキャリアが生成され、電気抵抗値が低下する。キャリア生成領域１７が半導体基板１１の表面に露出して形成されている場合には、トリガー光１はトリガー光導入面１６を介さずに、直にキャリア生成領域１７に照射されてもよい。

【0017】

光スイッチ１０は通常状態では電気的に絶縁状態である。ところが、半導体基板１１のバンドギャップ波長に対応した波長のトリガー光１がキャリア生成領域１７に吸収されることでキャリアが生成され、光スイッチ１０が閉動作して、電極１２Ａ、１２Ｂ間に電流が流れる。

【0018】

パルス電源１３は、光スイッチ１０の電極１２Ａ、１２Ｂに、負荷１８を介して接続される。パルス電源１３が発生するパルス電圧は、正でも負でもよく、その波形形状はガウシアンライクでも矩形でも自由波形でもよい。また、パルス電圧の立上り時間は例えば１ｍｓに設定される。パルス電源１３により一対の電極１２Ａ、１２Ｂ間に印加された印加電圧により、光スイッチ１０が閉動作された際には半導体基板１１を経由して電極１２Ａ、１２Ｂ間に電流が流れる。

【0019】

トリガー光源１４で発生したトリガー光１は、前述の如く、半導体基板１１のトリガー光導入面１６から入射し、キャリア生成領域１７を通過する。このトリガー光１は、パルスレーザー光を含むレーザー光が好ましい。更に、このトリガー光１は、半導体基板１１を構成する半絶縁性半導体のバンドギャップ波長の１倍よりも長く且つ２倍以下の波長に設定される。

【0020】

例えば、半導体基板１１を構成するＳｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドのバンドギャップ波長は、それぞれ１１１７ｎｍ、８６７ｎｍ、３８４ｎｍ、３６４ｎｍ、２２６ｎｍである。従って、トリガー光１としてのレーザー光は、半導体基板１１がＳｉにて構成される場合にはＥｒ：ＹＡＧレーザーが好ましく、半導体基板１１がＧａＡｓにて構成される場合には、Ｅｒ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーが好ましく、半導体基板１１がＳｉＣ、ＧａＮにて構成される場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーのそれぞれの第二高調波が好ましく、半導体基板１１がダイヤモンドにて構成される場合にはＮｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーのそれぞれの第三高調波等が好ましい。また、トリガー光１はフラッシュランプによる光、それぞれの波長に対応した半導体レーザー、または発光ダイオード等による光であってもよい。

【0021】

更に、トリガー光１は、半導体基板１１を構成する半絶縁性半導体のバンドギャップ以下の波長に設定されていてもよい。この場合、トリガー光１としてのレーザー光は、半導体基板１１がＳｉにて構成される場合にはＮｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーが好ましく、半導体基板１１がＧａＡｓにて構成される場合には、Ｅｒ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーのそれぞれの第二高調波が好ましく、半導体基板１１がＳｉＣ、ＧａＮにて構成される場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーのそれぞれの第三高調波が好ましく、半導体基板１１がダイヤモンドにて構成される場合にはＡｒＦエキシマレーザが好ましい。また、トリガー光１はフラッシュランプによる光、それぞれの波長に対応した半導体レーザー、または発光ダイオード等による光であってもよい。

【0022】

また、トリガー光１は、半導体基板１１を構成する半絶縁性半導体のバンドギャップ波長の２倍よりも長く且つ３倍以下の波長に設定されてもよい。例えば、トリガー光１としてのレーザー光は、半導体基板１１がＳｉＣ、ＧａＮにて構成される場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーが好ましく、半導体基板１１がダイヤモンドにて構成される場合には、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー、Ｙｂ：ＹＡＧレーザーまたはＹｂファイバーレーザーのそれぞれの第二高調波等が好ましい。この場合も、トリガー光１はフラッシュランプによる光、それぞれの波長に対応した半導体レーザー、または発光ダイオード等による光であってもよい。

【0023】

トリガー信号出力手段１５は、電極１２Ａ、１２Ｂに印加された印加電圧がピークになるタイミングでトリガー光源１４に、トリガー光１を発生させるためのトリガー信号２を出力するものであり、電圧測定手段１５Ｍ及び電圧ピーク検知手段１５Ｎを有して構成される。電圧測定手段１５Ｍは、パルス電源１３から電極１２Ａ、１２Ｂに印加された印加電圧を測定するものであり、電圧プローブ、高圧プローブ、絶縁プローブ等が好ましい。また、電圧ピーク検知手段１５Ｎは、電圧測定手段１５Ｍに接続され、この電圧測定手段１５Ｍにて測定された印加電圧のピークを検知し、このピークを検知したタイミングでトリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。この電圧ピーク検知手段１５Ｎは、例えば微分回路等が用いられる。

【0024】

ここで、パルス電源１３によるパルス電圧(パルス電源設定電圧)が十分に高く、且つその立上り速度が十分速い(例えば立上り時間が１ｍｓ以下)場合に、電極１２Ａ、１２Ｂに印加される印加電圧の例を図３に示す。この図３においては、パルス電源１３によるパルス電圧は矩形波であるのに対し、実際に電極１２Ａ、１２Ｂに印加される印加電圧は、パルス電源１３によるパルス電圧と異なり、ピークが生じる。

【0025】

これは、半導体基板１１の電気抵抗値低下の応答時間が例えば５０μｓ～１ｍｓ程度と遅いことに起因する。このため、パルス電源１３から供給されるパルス電圧の立上り時間が、半導体基板１１の電気抵抗値低下の応答時間と同程度かより短時間（例えば１ｍｓ以下）である場合、電極１２Ａ、１２Ｂに電圧印加が開始された直後では、半導体基板１１の電気抵抗値の低下が有意にはならず、その短時間の間に、半導体基板１１と負荷１８の分圧が抑えられて電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧が上昇する。そして、更に時間が経過すると、半導体基板１１の電気抵抗値の低下が有意になり、電極１２Ａ、１２Ｂに印加された印加電圧にピークが生じ、その後、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧は一定の電圧値まで低下する。

【0026】

パルス電源１３によるパルス電圧の立上り時間が１ｍｓ以下と十分に短時間で且つパルス電圧が十分高い場合に、パルス電圧の印加からスイッチ信号３の発生までのタイミングチャートを図４に示す。この場合、前述のとおり、実際に電極１２Ａ、１２Ｂに印加される印加電圧は、パルス電源１３のパルス電源設定電圧に近い値でピークになった後、半導体基板１１の電気抵抗値低下の応答時間（５０μｓ～１ｍｓ）をかけて一定値まで低下する。電圧測定手段１５Ｍは、この電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧を測定し、その測定電圧を電圧ピーク検知手段１５Ｎに送信する。電圧ピーク検知手段１５Ｎは、印加電圧がピークになったタイミングでトリガー信号２をトリガー光源１４に出力し、このトリガー光源１４がトリガー光１を発生する。

【0027】

次に、上述のように構成された光スイッチ１０の動作を、図２及び図４を用いて説明する。
通常状態では、光スイッチ１０は開状態である。パルス電源１３により一対の電極１２Ａ、１２Ｂ間にパルス電圧が印加されると、この印加電圧が電圧測定手段１５Ｍにより測定されて電圧ピーク検知手段１５Ｎに送信される。電圧ピーク検知手段１５Ｎは、電圧測定手段１５Ｍにて測定された印加電圧のピークを検知し、このピークのタイミングでトリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。これにより、トリガー光源１４からトリガー光１が発生して半導体基板１１へ照射される。

【0028】

このトリガー光１は、半導体基板１１のトリガー光導入面１６を経由して半導体基板１１のキャリア生成領域１７で吸収され、このキャリア生成領域１７にキャリアが生成される。これにより、キャリア生成領域１７の電気抵抗値が低下して、光スイッチ１０が閉動作する。即ち、光スイッチ１０は、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧がピークの値で閉動作し、そのピーク電圧をスイッチ信号３として負荷１８に出力する。

【0029】

以上のように構成されたことから、本第１実施形態によれば、次の効果（１）を奏する。
（１）電圧測定手段１５Ｍにより電極１２Ａ、１２Ｂに印加された印加電圧が測定され、電圧ピーク検知手段１５Ｎが、この測定された印加電圧がピークになるタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。これにより、トリガー光源１４から半導体基板１１にトリガー光１が導入され、半導体基板１１のキャリア生成領域１７の電気抵抗値が低下して、光スイッチ１０が閉に切り替わり、光スイッチ１０がスイッチ信号３を発生する。この結果、光スイッチ１０の閉への切替を印加電圧のピークの高電圧で実現できると共に、光スイッチ１０から高電圧のスイッチ信号３を発生することができる。

【0030】

［Ｂ］第２実施形態（図５、図６）
図５は、第２実施形態に係る光スイッチを示すブロック図である。この第２実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0031】

本第２実施形態の光スイッチ２０が第１実施形態と異なる点は、第１実施形態のパルス電源１３に代えて、正弦波電圧（図６の正弦波電源設定電圧）を発生する正弦波電源２１が設置された点である。この正弦波電源２１は、純粋な正弦波電圧を発生させる電源であるが、例えば階段形状の修正正弦波電圧を発生させる修正正弦波電源であってもよい。

【0032】

正弦波電源２１により、正弦波電圧が電極１２Ａ、１２Ｂに印加される。ここで、第１実施形態と同様に、半導体基板１１の電気抵抗値は正弦波電圧に応じて低下し、負荷１８との分圧で、電極１２Ａ、１２Ｂに印加される印加電圧も低下する。一方、正弦波電圧の出力周波数が十分に高い場合、半導体基板１１の電気抵抗値の低下が有意になる前に印加電圧が電極１２Ａ、１２Ｂに印加されるため、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧は、第１実施形態と同様に、図６に示すように、正弦波電源２１のピークとは異なる位置にピークが生じることになる。この際、正弦波電圧の周波数は、その立上り時間が半導体基板１１の電気抵抗値低下の応答時間（５０μｓ～１ｍｓ）と同等かより短時間である必要があり、例えば２５０Ｈｚ以上である。

【0033】

第１実施形態と同様に、電圧測定手段１５Ｍは、電極１２Ａ、１２Ｂに印加された印加電圧を測定し、その測定電圧を電圧ピーク検知手段１５Ｎへ送信する。電圧ピーク検知手段１５Ｎは、図６に示すように、印加電圧がピークとなったタイミングでトリガー信号２をトリガー光源１４に出力し、トリガー信号２を受信したトリガー光源１４がトリガー光１を発生させる。トリガー光１は、半導体基板１１のトリガー光導入面１６を経由してキャリア生成領域１７で吸収され、このキャリア生成領域１７にキャリアが生成される。これにより、キャリア生成領域１７の電気抵抗値が低下して、光スイッチ２０が閉動作する。

【0034】

以上のように構成されたことから、本第２実施形態においても、電極１２Ａ、１２Ｂに印加された印加電圧がピークになるタイミングで光スイッチ２０が閉動作されるので、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏する。

【0035】

［Ｃ］第３実施形態（図２、図３、図５）
この第３実施形態において第１及ぶ図２実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を用いることにより説明を簡略化し、または省略する。

【0036】

本第３実施形態の光スイッチ３０（図２）が第１実施形態と異なる点は、第１実施形態のパルス電源１３に代えて、パルス電源３１が設置された点である。このパルス電源３１は、パルス電圧を発生していない状態で、パルス電圧と同一の極性で且つパルス電圧よりも低い０Ｖでない一定電圧のバイアス電圧（図３）を常に出力する。

【0037】

また、本第３実施形態の光スイッチ３０は、第２実施形態の正弦波電源２１（図５）に代えて、正もしくは負のバイアス電圧を有する正弦波電圧を出力する正弦波電源３２が設置されてもよい。なお、この正弦波電源３２は、正もしくは負のバイアス電圧を有する修正正弦波電圧を出力する修正正弦波電源であってもよい。但し、本第３実施形態の以下の説明では、パルス電源３１（図２）について説明する。

【0038】

上述のように、パルス電源３１は常に、正又は負のバイアス電圧を出力している。このバイアス電圧は、光スイッチ３０の電極１２Ａ、１２Ｂに実際に印加される印加電圧よりも低く、トリガー光１が照射されていない状態で生じる半導体基板１１の電気抵抗値の低下が有意に発生しない電圧、例えば電極１２Ａ、１２Ｂ間の平均電場が５ＭＶ/ｍ以下になる印加電圧である。

【0039】

通常状態では、光スイッチ３０が開状態であり、また、電極１２Ａ、１２Ｂに印加された印加電圧がバイアス電圧であるため、半導体基板１１の電気抵抗値は十分高く、半導体基板１１と負荷１８との分圧による電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧の低下は有意には発生しない。

【0040】

パルス電源３１がパルス電圧を出力したとき、このパルス電圧は、予め出力していたバイアス電圧と同一極性で、且つ半導体基板１１の電気抵抗値低下の応答時間と同等かより短時間（例えば１ｍｓ以下）の立上り時間である。従って、このパルス電圧によって、電極１２Ａ、１２Ｂに印加される印加電圧は、半導体基板１１に電気抵抗値低下を引き起こす電圧よりも大きくなるが、最初は、電気抵抗値低下の応答時間よりも印加電圧の立上り時間が短時間であるため、半導体基板１１に電気抵抗値の低下は有意に生じない。徐々に時間が経過すると、半導体基板１１に電気抵抗値低下の影響が有意に生じ、電極１２Ａ、１２Ｂに印加された印加電圧にピークが生じて、最終的には特定の一定電圧値まで低下する。

【0041】

本第３実施形態においても、電圧測定手段１５Ｍは電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧を測定し、この測定電圧を電圧ピーク検知手段１５Ｎへ送信する。電圧ピーク検知手段１５Ｎは、印加電圧がピークになったタイミングで、トリガー信号２をトリガー光源１４に出力し、このトリガー光源１４がトリガー光１を発生する。トリガー光１は、半導体基板１１のトリガー光導入面１６を経由して半導体基板１１のキャリア生成領域１７で吸収され、このキャリア生成領域１７にキャリアが生成される。これにより、キャリア生成領域１７の電気抵抗値が低下して、光スイッチ３０が閉動作する。

【0042】

以上のように構成されたことから、本第３実施形態においても、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（２）を奏する。
（２）パルス電源３１は、パルス電圧を発生していない状態では、パルス電圧と同一極性で且つパルス電圧よりも低いバイアス電圧を常に出力していることから、パルス電圧の発生時に、そのパルス電圧の立上り動作を迅速に実施することができる。

【0043】

［Ｄ］第４実施形態（図２、図７）
図７は、第４実施形態に係る光スイッチにおけるタイミングチャートである。この第４実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0044】

本第４実施形態の光スイッチ４０(図２)が第１実施形態と異なる点は、電圧ピーク検知手段４１を有す点である。この電圧ピーク検知手段４１は、電圧測定手段１５Ｍにて測定された電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧のピークを検知し、このピーク付近のタイミング（つまり、図７に示すように、上記ピークを検知してから所定の遅延時間を経過したタイミング）で、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。ここで、上述の電圧測定手段１５Ｍ及び電圧ピーク検知手段４１がトリガー信号出力手段４２を構成する。

【0045】

上述のように電圧ピーク検知手段４１が、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧のピークを検知してから所定の遅延時間を経過したタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力し、トリガー光源１４が光スイッチ４０の半導体基板１１にトリガー光１を照射し、光スイッチ４０が閉動作してスイッチ信号３を発生する。このため、光スイッチ４０の閉への切替動作を、印加電圧のピークに対し所定時間遅延させたタイミングに調整することが可能になる。

【0046】

以上のように構成されたことから、本第４実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）の効果と同様な効果を奏するほかに、次の効果（３）を奏する。

【0047】

（３）電圧ピーク検知手段４１は、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧のピークを検知してから所定の遅延時間を経過したタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力するよう構成されている。このため、光スイッチ４０を閉に切り替える際の電圧（電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧）の値を所望の電圧値に調整できると共に、光スイッチ４０の閉動作時に出力されるスイッチ信号３を所望の電圧値に調整することができる。

【0048】

なお、電源は、パルス電源１３の場合を述べたが、第２実施形態の正弦波電源２１（修正正弦波電源を含む）であってもよく、更に、バイアス電圧を発生する第３実施形態のパルス電源３１もしくは正弦波電源３２（修正正弦波電源を含む）であってもよい。

【0049】

［Ｅ］第５実施形態（図８、図９）
図８は、第５実施形態に係る光スイッチを示すブロック図である。この第５実施形態において第１実施形態と同様な部分については、第１実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0050】

本第５実施形態の光スイッチ５０が第１実施形態と異なる点は、微分回路５１を有す点である。この微分回路５１は、パルス電源１３から電極１２Ａ、１２Ｂに印加された印加電圧が電圧測定手段１５Ｍにて測定された後に、この測定された印加電圧を微分して微分信号を生成する。ここで、上述の電圧測定手段１５Ｍ及び微分回路５１がトリガー信号出力手段５２を構成する。

【0051】

更に、パルス電源１３は、図９に示すように、パルス電圧の印加開示から所定時間経過後に、任意の時間幅のゲート信号５を微分回路５１に出力する。そして、微分回路５１は、ゲート信号５の受信中に、微分信号が最初にトリガー閾値と交差する任意の電圧（微分信号の立上り電圧もしくは立下り電圧、例えば立下り電圧）になったタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。ここで、パルス電源１３がゲート信号５を出力する際の上記所定時間とゲート信号５の時間幅は、最大でも半導体基板１１における電気抵抗値低下の応答時間である１ｍｓ程度でよく、０ｍｓ～１ｍｓの範囲で調整可能である。

【0052】

本第５実施形態の光スイッチ５０では、第１実施形態と同様に、パルス電源１３が電極１２Ａ、１２Ｂに電圧を印加する。更に、パルス電源１３は、パルス電圧の印加開始から任意の時間経過後に任意の時間幅のゲート信号５を微分回路５１に出力する。

【0053】

微分回路５１は、電圧測定手段１５Ｍからの印加電圧を微分し、その微分信号が、トリガー閾値と交差する任意の立上り電圧または立下り電圧(例えば立下り電圧)になった際に、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。トリガー光源１４からトリガー光１が半導体基板１１に照射されることで、光スイッチ５０が閉動作してスイッチ信号３が発生する。

【0054】

上述のように、微分回路５１によるトリガー信号２の出力は、ゲート信号５で制限されている。ゲート信号５の開始が、パルス電圧の印加開始からの所定の経過時間後に設定されていることから、パルス電圧の開始０秒やパルス電圧の印加終了時にトリガー信号２は出力されない。光スイッチ５０の電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧がピークになる位置では微分信号が立ち下がって０Ｖにあり、微分回路５１は、トリガー信号２の出力のための設定電圧を、＋側にずらせば印加電圧のピーク手前で、―側にずらせば印加電圧のピーク後に、それぞれトリガー信号２を出力させることが可能になる。

【0055】

以上のように構成されたことから、本第５実施形態によれば、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（４）を奏する。

【0056】

（４）微分回路５１が電圧測定手段１５Ｍにて測定された印加電圧を微分して微分信号を生成し、パルス電源１３がパルス電圧の印加開始から所定時間経過後に任意の時間幅のゲート信号５を微分回路５１に出力し、この微分回路５１が、ゲート信号５の受信中に、微分信号が最初にトリガー閾値と交差する任意の電圧なったタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力するよう構成されている。このため、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧がピークになる時間に対し、その前後の任意のタイミングで光スイッチ５０を閉に切り替え、光スイッチ５０からスイッチ信号３を発生させることができる。この結果、光スイッチ５０を閉に切り替える際の電圧（電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧）の値を所望の電圧値に調整できると共に、光スイッチ５０の閉動作時に出力されるスイッチ信号３を所望の電圧値に調整することができる。

【0057】

なお、電源がパルス電源１３の場合を述べたが、バイアス電圧を発生する第３実施形態のパルス電源３１(図２)であってもよい。

【0058】

［Ｆ］第６実施形態（図１０、図１１）
図１０は、第６実施形態に係る光スイッチを示すブロック図である。この第６実施形態において第１及び第２実施形態と同様な部分については、第１及び第２実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0059】

本第６実施形態の光スイッチ６０が第２実施形態と異なる点は、電圧測定手段１５Ｍを省略し、電圧ピーク検知手段１５Ｎに代えてトリガー回路６１を設けた点である。このトリガー回路６１は、正弦波電源２１からの正弦波電圧（正弦波電源設定電圧）の波形信号６または修正正弦波電源からの修正正弦波電圧の波形信号を入力し、これらの正弦波電圧または修正正弦波電圧が任意の立上り電圧もしくは立下り電圧なったタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。ここで、上述のトリガー回路６１がトリガー信号出力手段６２を構成する。

【0060】

以下、正弦波電源２１が純粋な正弦波電圧を発生する場合について説明する。正弦波電源２１から正弦波電圧が電極１２Ａ、１２Ｂに印加される。第２実施形態と同様に、半導体基板１１の電気抵抗値は正弦波の印加電圧に応じて低下し、負荷１８との分圧により、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧も低下する。一方、正弦波電圧の出力周波数が十分に高い場合、半導体基板１１の電気抵抗値の低下が有意になる前に電圧が印加されるため、印加電圧は、第２実施形態と同様に、図１１に示すように、正弦波電圧のピークとは異なる位置にピークが生じることになる。この際、正弦波電圧の周波数は、その立上り時間が半導体基板１１の電気抵抗値低下の応答時間（５０μｓ～１ｍｓ）と同等かより短時間である必要があり、例えば２５０Ｈｚ以下である。

【0061】

正弦波電源２１からの正弦波電圧には周期性があるため、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧にも周期性があり、その印加電圧の周期は正弦波電圧と同一である。そこで、トリガー回路６１は、正弦波電圧がトリガー閾値と交差する任意の立上り電圧または立下り電圧(例えば立上り電圧)を指定し、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧が任意の波高(例えばピーク)になるタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。

【0062】

以上のように構成されたことから、本第６実施形態においても、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（５）を奏する。

【0063】

（５）トリガー回路６１は、正弦波電源２１からの正弦波電圧の波形信号６を入力し、この正弦波電圧が任意の立上り電圧もしくは立下り電圧になったタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力するよう構成されている。従って、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧がピークになる時刻に対し、その前後の任意のタイミングで光スイッチ６０を閉に切り替え、この光スイッチ６０からスイッチ信号３を発生させることができる。この結果、光スイッチ６０を閉に切り替える際の電圧（電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧）の値を所望の電圧値に調整できると共に、光スイッチ６０の閉動作時に出力されるスイッチ信号３を所望の電圧値に調整することができる。

【0064】

なお、電源は、正弦波電源２１の場合を述べたが、バイアス電圧を有する正弦波電圧もしくは修正正弦波電圧を出力する第３実施形態の正弦波電源３２(図５)であってもよい。

【0065】

［Ｇ］第７実施形態（図１２、図１３）
図１２は、第７実施形態に係る光スイッチを示すブロック図である。この第７実施形態において第１及び第２実施形態と同様な部分については、第１及び第２実施形態と同一の符号を付すことにより説明を簡略化し、または省略する。

【0066】

本第７実施形態の光スイッチ７０が第２実施形態と異なる点は、電圧測定手段１５Ｍを省略し、電圧ピーク検知手段１５Ｎに代えて、遅延回路７１及びトリガー回路７２を設けた点である。遅延回路７１は、正弦波電源２１からの正弦波電圧の波形信号６または修正正弦波電源からの修正正弦波電圧の波形信号を入力し、これらの正弦波電圧または修正正弦波電圧に所定の時間的遅延を与える。また、トリガー回路７２は、遅延回路７１からの遅延後の正弦波電圧または遅延後の修正正弦波電圧が任意の立上り電圧もしくは立下り電圧なったタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。ここで、上述の遅延回路７１及びトリガー回路７２がトリガー信号出力手段７３を構成する。

【0067】

以下、正弦波電源２１が純粋な正弦波電圧を発生する場合について説明する。正弦波電源２１から正弦波電圧が電極１２Ａ、１２Ｂに印加される。第２実施形態と同様に、半導体基板１１の電気抵抗値は正弦波の印加電圧に応じて低下し、負荷１８との分圧により、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧も低下する。一方、正弦波電圧の出力周波数が十分に高い場合、半導体基板１１の電気抵抗値の低下が有意になる前に電圧が印加されるため、印加電圧は、第２実施形態と同様に、図１３に示すように、正弦波電圧のピークとは異なる位置にピークが生じることになる。

【0068】

正弦波電源２１からの正弦波電圧には周期性があるため、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧にも周期性があり、その印加電圧の周期は正弦波電圧と同一である。そこで、遅延回路７１が任意の遅延時間を設定し、トリガー回路７２は、この遅延後の正弦波電圧がトリガー閾値と交差する任意の立上り電圧または立下り電圧(例えば立上り電圧)を指定し、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧が任意の波高(例えばピーク)になるタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力する。

【0069】

以上のように構成されたことから、本第７実施形態においても、第１実施形態の効果（１）と同様な効果を奏するほか、次の効果（６）を奏する。

【0070】

（６）遅延回路７１は、正弦波電源２１からの正弦波電圧の波形信号６を入力して、この正弦波電圧に所定の時間的遅延を与え、トリガー回路７２は、この遅延後の正弦波電圧が任意の立上り電圧もしくは立下り電圧なったタイミングで、トリガー光源１４にトリガー信号２を出力するよう構成されている。従って、電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧がピークになる時刻に対し、その前後の任意のタイミングで光スイッチ７０を閉に切り替え、この光スイッチ７０からスイッチ信号３を発生させることができる。この結果、光スイッチ７０を閉に切り替える際の電圧（電極１２Ａ、１２Ｂへの印加電圧）の値を所望の電圧値に調整できると共に、光スイッチ７０の閉動作時に出力されるスイッチ信号３を所望の電圧値に調整することができる。

【0071】

なお、電源は、正弦波電源２１の場合を述べたが、バイアス電圧を有する正弦波電圧もしくは修正正弦波電圧を出力する第３実施形態の正弦波電源３２(図５)であってもよい。また、電源は、一定周期でパルス電圧を印可するパルス電源１３でもよく、バイアス電圧を発生し、一定周期でパルス電圧を印可する第３実施形態のパルス電源３１(図２)であってもよい。

【0072】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができ、また、それらの置き換えや変更、組み合わせは、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0073】

１…トリガー光、２…トリガー信号、３…スイッチ信号、５…ゲート信号、６…波形信号、１０…光スイッチ、１１…半導体基板、１２Ａ、１２Ｂ…電極、１３…パルス電源、１４…トリガー光源、１５…トリガー信号出力手段、１５Ｍ…電圧測定手段、１５Ｎ…電圧ピーク検知手段、１６…トリガー光導入面、１７…キャリア生成領域、２０…光スイッチ、２１…正弦波電源、３０…光スイッチ、３１…パルス電源、３２…正弦波電源、４０…光スイッチ、４１…電圧ピーク検知手段、４２…トリガー信号出力手段、５０…光スイッチ、５１…微分回路、５２…トリガー信号出力手段、６０…光スイッチ、６１…トリガー回路、６２…トリガー信号出力手段、７０…光スイッチ、７１…遅延回路、７２…トリガー回路、７３…トリガー信号出力手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】