JP2008263164A - 半導体装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】シリコン半導101に流れる電流を用いてシリコン半導体101を冷却するN型材料102を備える。N型材料102では熱がシリコン半導体101側から外側に輸送されるため、シリコン半導体101が冷却される。
【選択図】図1
Description
それぞれのプロセスを数式に表すと下記のようになる。
ジュール熱: η・I2 (2)
ペルチェ熱: α・T・I (3)
ここで、κ, η, αはそれぞれ熱伝導率、電気抵抗率、ゼーベック係数である。
κが小、
ηが低、
αが大
の材料が好適材料になる。例えばビスマス・テルル系の材料が多用され、半導体と言うより不純物を多く入れて金属的な性質にして利用している。条件を定量的に評価するために性能指数Zが導入される。性能指数Zは式(4)で与えられる。
Zが大きいとその材料の性能は高いことを意味する。Zの単位は[T-1]となるので、通常は絶対温度を乗じてZ・Tとして無次元にして評価する。熱流束などの計算ではZTとして入ってきて、Z単独では現れない。
冷却を行うペルチェ素子に接続される電源と、CPUやパワーデバイスの電源とは別電源系統で設けることが多い。これは、動作が全く異なるからである。例えば超伝導システムで利用されるペルチェ電流リード(PCL)(S. Yamaguchi et al, “Peltier current lead experiment and their applications for superconducting magnets”, Rev. Sci. Instrum., vol.75, pp. 207-212, 2004.)では、超伝導マグネットを励磁する電源と電流リードをペルチェ冷却する電源は同じである。同じ電源で冷却にも利用できれば電源システムの節約になる。
本発明は別の側面において、PN接合を形成するP型素子とN型素子の少なくとも1方の素子に金属層を介して、前記1方の素子とは逆極性の熱電半導体素子を備えている。
本発明において、PN接合を形成するP型素子とN型素子について、前記P型素子の前記PN接合部に流れる電流の上流側に金属を介してN型熱電半導体素子を備えている。
本発明において、PN接合を形成するP型素子とN型素子について、前記N型素子の前記PN接合部に流れる電流の下流側に金属を介してP型熱電半導体素子を備えている。
本発明において、PN接合を通して電流が流れるとき、前記熱電半導体素子はペルチェ冷却素子として作用する。
本発明において、ダイオード、LED(Light Emitting Diode)、半導体レーザのうち少なくとも1つの素子におけるPN接合を形成するP型素子とN型素子の少なくとも1方の素子に金属層を介して、前記1方の素子とは逆極性の熱電半導体素子を備える。本発明において、前記P型素子の前記PN接合部に流れる電流の上流側に金属を介してN型熱電半導体素子を備えた構成としてもよい。本発明において、前記N型素子の前記PN接合部に流れる電流の下流側に金属を介してP型熱電半導体素子を備えた構成としてもよい。
Y. Okamoto et al, “Infrared-reflection characterization of sintered SiC thermoelectric semiconductors with the use of a four-component effective medium model”, J. Applied Physics, vol. 85, pp. 6728-6737, 1999.
岡本庸一ほか、「ニッケルとシリコンを二重に添加したシリコンカーバイド焼結半導体の熱電特性」日本金属学会誌 第63巻第11号(1999)1443-1447.)。
本発明の自己冷却方式は、上記ダイオードのPN接合部以外にも、LED(Light Emitting Diode)、半導体レーザ等の素子のPN接合部にも適用できる。該素子を形成するP型素子とN型素子の少なくとも1方の素子に金属層を介して、前記1方の素子とは逆極性の熱電半導体素子を備える。前記P型素子のPN接合部に流れる電流の上流側に金属を介してN型熱電半導体素子を備えた構成としてもよい。あるいは、前記N型素子の前記PN接合部に流れる電流の下流側に金属を介してP型熱電半導体素子を備えた構成としてもよい。
また、上記実施例では、冷却手段(ペルチェ材料)として炭化ケイ素(SiC)を例に説明したが、窒化アルミニウムであってもよい。また、半導体素子がIGBTの場合、IGBTとN型材料(例えば図1の102)との間に金属層を備える。
102 N型材料
Claims (24)
- 半導体素子に流れる電流を用いて前記半導体素子を冷却する手段を備えた半導体装置。
- 前記冷却する手段は、シリコン半導体と当接するN型材料よりなる、請求項1記載の半導体装置。
- 前記冷却する手段は、熱伝導率が相対的に大、電気抵抗率が相対的に小、ゼーベック係数が相対的に大の材料を含む、請求項1記載の半導体装置。
- 前記冷却する手段は、金属系材料よりなる、請求項1記載の半導体装置。
- 前記冷却する手段は、銅合金よりなる、請求項1記載の半導体装置。
- 前記冷却する手段は、炭化珪素よりなる請求項1記載の半導体装置。
- 前記冷却する手段は、窒化アルミニウムよりなる請求項1記載の半導体装置。
- 前記半導体素子がパワーMOSFETよりなる請求項1記載の半導体装置。
- 前記パワーMOSFETの半導体基板がN型材料を介して前記パワーMOSFETのドレイン端子に接続する請求項8記載の半導体装置。
- 前記パワーMOSFETのドレイン電極にN型材料を備えた請求項8記載の半導体装置。
- 前記半導体素子がIGBT(insulated gate bipolar transistor)よりなる請求項1記載の半導体装置。
- 前記半導体素子がIGBT(insulated gate bipolar transistor)よりなり、前記冷却する手段がN型材料よりなり、前記IGBTと前記N型材料との間に金属層が配設されてなる請求項1記載の半導体装置。
- 前記IGBTの半導体基板がN型材料を介して前記IGBTのコレクタ端子に接続する請求項11又は12記載の半導体装置。
- 前記IGBTのコレクタ電極にN型材料を備えた請求項11又は12記載の半導体装置。
- 放熱板にN型材料を備えた請求項1記載の半導体装置。
- PN接合を形成するP型素子とN型素子の少なくとも1方の素子に金属層を介して、前記1方の素子とは逆極性の熱電半導体素子を備えた半導体装置。
- PN接合を形成するP型素子とN型素子について、前記P型素子の前記PN接合部に流れる電流の上流側に金属を介してN型熱電半導体素子を備えている請求項16記載の半導体装置。
- PN接合を形成するP型素子とN型素子について、前記N型素子の前記PN接合部に流れる電流の下流側に金属を介してP型熱電半導体素子を備えている請求項16又は17記載の半導体装置。
- PN接合を通して電流が流れるとき、前記熱電半導体素子はペルチェ冷却素子として作用する請求項16乃至18のいずれか一に記載の半導体装置。
- 前記冷却する手段がN型材料よりなり、前記N型材料は接合する前記半導体素子よりも、電流方向に関する断面積が大とされる、請求項1記載の半導体装置。
- ダイオード、LED(Light Emitting Diode)、半導体レーザのうちの少なくとも1つの半導体素子におけるPN接合を形成するP型素子とN型素子の少なくとも1方の素子に金属層を介して、前記1方の素子とは逆極性の熱電半導体素子を備えた半導体装置。
- 前記P型素子の前記PN接合部に流れる電流の上流側に金属を介してN型熱電半導体素子を備えている請求項21記載の半導体装置。
- 前記N型素子の前記PN接合部に流れる電流の下流側に金属を介してP型熱電半導体素子を備えている請求項21又は22記載の半導体装置。
- 前記PN接合を通して電流が流れるとき、前記熱電半導体素子はペルチェ冷却素子として作用する請求項21乃至23のいずれか一に記載の半導体装置。
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