JP3779027B2

JP3779027B2 - 整流装置

Info

Publication number: JP3779027B2
Application number: JP07709497A
Authority: JP
Inventors: 宏平森塚
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-03-28
Also published as: US5930133A; JPH10270722A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流−交流変換回路における整流素子に関わる。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳトランジスタは、ゲート長を微細化して高速化を図ってきた。ところが、近年、ゲート長がサブミクロンレベルまで縮小するに従い、チャネル電界強度が増加し高エネルギーの電子や正孔がゲート酸化膜にトラップされることによる動作不良が問題となっている。
【０００３】
この問題を回避する対策として、電源電圧の低下が行われてきた。従来、ＭＯＳＦＥＴを用いた集積回路は、５Ｖの電源電圧で駆動していたが、現在では、ゲート長が０．３５ミクロンに達し、電源電圧を３．５ＶとするＩＣが出現している。この傾向は、今後も引き続くと見られ、ゲート長が０．２ミクロン以下になると電圧を２Ｖ程度まで下げる必要が生ずる。
ところで、これらの集積回路を使用する機器には、集積回路に応じた直流電源を具備しなければならない。このような直流電源には、通常スイッチングレギュレータが用いられるが、電源電圧の低下にともない整流素子による損失が問題となってきている。
【０００４】
すなわち、通常のシリコンｐｎ接合ダイオードでは導通状態の実現に０．６Ｖ程度の電圧印加が必要とされるが、２Ｖの直流電源ではダイオードによる損失が２３％にも及んでしまうことになる。このため、より低電圧で導通するダイオードが望まれるが、ショットキーダイオードを用いても、０．４Ｖ程度の順方向電位降下は避けられず、ダイオード順方向電位降下によるパワー効率の劣化が深刻になっている。
【０００５】
ダイオードの順方向電位降下は、通常半導体の禁止帯幅にほぼ比例するので狭禁止帯幅の半導体を用いれば低減できる。しかし、禁止帯幅が狭くなると逆方向耐圧が劣化したり温度特性が劣化するので、通常、シリコン（禁止帯幅＝１．１ｅＶ）より狭い禁止帯幅の半導体は使用されない。このため、特に２Ｖ程度の電源電圧を有するＩＣに対する電源回路のパワー効率の劣化は避け難いものとなっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、従来の整流素子では、順方向電位降下によるパワー損失が避けられず、特に２Ｖ程度以下の低電源電圧で効率が著しく劣化するという問題があった。
本発明は低電源電圧でもパワー効率が優れた整流装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前述した問題を解決するため本発明は、順方向の電圧を与えた場合にトンネル電流が流れるトンネルダイオードからなる整流装置であって、前記トンネル電流のピーク値を与える前記電圧の値より大きく、拡散電位より小さい振幅を持つ交流電圧を印加して整流作用を行うことを特徴とする整流装置を提供する。
【０００８】
かかる本発明において、整流作用を行う前記トンネルダイオードが、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、若しくはこれらのうちから選ばれる少なくとも２つの混晶、またはシリコンカーバイドよりなることが望ましい。即ち、本発明はトンネルダイオードを整流素子として使用する。この際、トンネルダイオードのトンネル電流のピーク値に対する印加電圧値よりも大きく拡散電位より小さい電圧値に対しては、電流の流れを抑制するように入力電圧を選択する。
【０００９】
換言すれば、所望の入力電圧の最大値に対して、ダイオードの順方向立ち上がり電圧が大きくなるように禁止帯幅を大きくとる。ダイオードの逆方向への印加電圧に対しては、零バイアス時から大きなトンネル電流が流れるので、立ち上がり電圧が零の整流素子を実現することが可能となり、低電圧の電源回路における整流効率の劣化を防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いつつ詳細に説明する。
α−ＳｉＣ（六方晶）を半導体として用いたトンネルダイオードについて本発明の一実施形態を説明する。図３はこのトンネルダイオードの構造を示す断面図である。
【００１１】
１はα−ＳｉＣのｐ型領域、２はｎ型領域であり、これらのｐ型領域１、ｎ型領域２に対してそれぞれコンタクト電極３、４が形成され、これらコンタクト電極３、４に対して電圧印加端子５、６が接続される。ｐ型領域１、ｎ型領域１２は、各々１０²⁰ｃｍ^-3以上のキャリア濃度を有し、それぞれＡｌ、Ｐ（またはＮ）がドーピングされている。かかる構成によりｐｎ接合ダイオードを形成する。
【００１２】
ここで、ｐ型とｎ型領域の遷移を急峻にすると、遷移領域の電界強度はバンド間トンネルを起こすほど大きくなり、トンネル電流が流れるようになる。このＳｉＣトンネルダイオードの電流電圧特性を図１に示す。α−ＳｉＣの禁止帯幅は、３００Ｋで２．８６ｅＶであるので、拡散電流によるダイオードの電流の立ち上がりは、順方向電圧が２．５Ｖを越えないと顕著にはならない。なお、本発明では、ダイオードの順方向とは、拡散電流が流れる方向を指す。
【００１３】
一方、トンネル電流は、ｐ型とｎ型の縮退したバンドの重なりが存在するバイアスまで流れる。ＳｉＣの有効状態密度は詳しく知られていないので、この電圧を理論的に導くことはできないが、実験的には、０．２Ｖ程度であった。従って、順方向に０．２Ｖ以上でかつ２．５Ｖ以下の電圧を印加すると電流は流れない。
【００１４】
一方、逆方向には、零Ｖからトンネル電流が流れる。従って、例えば振幅が２Ｖの交流電圧をこのダイオードに印加すると出力電流は図２のようになる。
このダイオードでは、順方向に電圧が印加されたとき、トンネル電流が流れる領域が存在するが、その時間幅の割合は、一周期当たり
Ｓｉｎ^-1（Ｖ_T ／Ｖ_P ）／π
（ただし、Ｖ_T はトンネル電流の流れる電圧、Ｖ_P は印加交流電圧のピーク値)
であり、図２の例ではわずか３％である。パワー損失は電圧のおよそ２乗に比例するので、０．１％程度であり、順方向トンネル電流による損失は無視し得る。結果として、従来技術ではなし得ない高効率の整流素子を実現できることがわかる。
【００１５】
このような、高効率の整流が実現されるためには、トンネル電流の流れる電圧に対して、拡散電位が十分に大きいことが必要である。
このためには、禁止帯幅の大きな半導体を用いて、拡散電位を上昇させることが望ましく、上記した実施形態のα−ＳｉＣの他に、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化インジウム（ＩｎＮ）、若しくはこれらのうちから選ばれる少なくとも２つの混晶（例えばＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ等）などの窒化物半導体や、ダイヤモンドなどをｐ型領域及びｎ型領域に用いることが望ましい。窒化物半導体の場合はＳｉ等の不純物をｎ型ドーパント、Ｍｇ等の不純物をｐ型ドーパントとして用いることができ、ダイヤモンドの場合はＮ等の不純物をｎ型ドーパント、Ｂ等の不純物をｐ型ドーパントとして用いることができる。また、これらのドーパントの濃度は適宜設定することが可能であるが、典型的には上記実施形態のドーパント濃度と同様の値である。
その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することが可能である。
【００１６】
【発明の効果】
本発明によれば、低電圧電源でも高効率の整流が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る整流装置の電流電圧特性を示す特性図。
【図２】本発明の整流波形を示す特性図。
【図３】本発明の実施形態に係る整流装置の構造を示す断面図。
【符号の説明】
１…ｐ型領域
２…ｎ型領域
３、４…コンタクト電極
５、６…電圧印加端子

Claims

順方向の電圧を与えた場合にトンネル電流が流れるトンネルダイオードからなる整流装置であって、前記トンネル電流のピーク値を与える前記電圧の値より大きく、拡散電位より小さい振幅を持つ交流電圧を印加して整流作用を行うことを特徴とする整流装置。
整流作用を行う前記トンネルダイオードが、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化インジウム、若しくはこれらのうちから選ばれる少なくとも２つの混晶、またはシリコンカーバイドよりなることを特徴とする請求項１記載の整流装置。