JP4213329B2 - 限流装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異常時に一時的な過電流が流れる回路において使用される限流装置、特に、電力制御システムなどの回路における過電流を防ぐ限流装置（電流制限装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般的な抵抗として、金属、ホーロー及びカーボン等の材料により製造され、所定の抵抗値を持つものが用いられてきた。また、種々の理由により一時的に発生する過電流から回路中の素子を保護するために所定値以上の電流が流れると回路を遮断するヒューズが一般的に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、過電流が流れ、ヒューズによって回路が遮断されると、復帰手順が必要となり手順が煩雑になっていた。通常、復帰手順の容易なブレーカが回路中に組み込まれていることもあるが、数ミリ秒よりも短い瞬間的な過電流についてはブレーカでは対応できなかった。また、一般的な抵抗は電圧に対してほぼ一定の抵抗値を示すため、高電圧が印加され大電流が流れる電力制御システムにおいては該抵抗だけでは過電流を抑制することができず、ヒューズ等と組み合わせて用いなければならなかった。さらに、上記のような抵抗は、大電流が流れると発熱して抵抗特性が変化してしまうことから、一定の抵抗特性を維持するために抵抗を冷却する必要があるが、一般的な抵抗体では十分な冷却を行なうことが困難であった。
【０００４】
また、過電流が回路中に流れると瞬間的ではあっても抵抗に大電流が流れると抵抗の温度は上昇する。ヒューズはこのような温度上昇による材料の溶融を利用しているが、回路を遮断することなく過電流を抑制するためには温度上昇による高温下でも過電流を抑制することが必要とされる。電力制御システムにおいては、通常時の使用においても流れる電流の大きさから、抵抗は１２０℃程度までは温度上昇することが想定されており、その動作保証は２００℃程度まで必要とされている。さらに、過電流が流れる異常時には抵抗はさらに２３０℃（５００Ｋ）前後まで温度上昇することが予想されている。
【０００５】
そこで、本発明は、通常時には一定の抵抗値を有する抵抗として利用でき、一時的な過電流が流れるような異常時には、ヒューズを用いることなく５００Ｋ程度の高温下においても過電流を防止することができる限流装置を提供することを目的とする。また、通常時において温度変化による抵抗特性の変化を抑制するために冷却が容易な限流装置を提供することを目的とする。
【０００６】
なお、回路中に半導体を抵抗として用いる例としては、特開平１０−７０２８９号公報に記載の非対称スナバ抵抗体と特開平６−２１３４９号公報に開示のアモルファス半導体素子がある。
【０００７】
特開平１０−７０２８９号公報には、スナバ抵抗領域とスナバダイオード領域とからなる非対称スナバ抵抗体について開示されている。該スナバ抵抗領域は、非対称であるため方向性を有するとともにスナバコンデンサに貯蔵された電荷をディスチャージするものである。したがって、特開平１０−７０２８９号公報で開示された非対称スナバ抵抗体は、過電流を抑制するいわゆる限流作用を目的としたものではない。
【０００８】
一方、特開平６−２１３４９号公報には、厚みを順次変化させたカルゴゲン化合物を一対の第１電極および第２電極で挟持して両電極間の距離を連続的に順次変化させるとともに、電界強度を順次変化させてカルコゲン化合物の結晶状態とアモルファス状態の状態間転移を制御して所望の抵抗値とすることが開示されている。したがって、特開平６−２１３４９号公報で開示されたアモルファス半導体素子は、所定電圧以上の電圧を印加することによって、高抵抗のアモルファス状態から低抵抗の結晶状態へと状態間遷移させるものであって、過電流を抑制する限流作用を持たないものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る限流装置は、Ｎ型シリコン基板と、
前記シリコン基板に電圧を印加するための電極とからなり、前記電極間を流れる電流に関して、所定電圧を超えると電圧変化によらず実質的に一定の電流値の電流を流す限流作用を有する限流装置であって、
前記シリコン基板の相対する面にＮ＋層がそれぞれ形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
また、前記限流装置であって、前記シリコン基板は、Ｎ−層の相対する面にＮ＋層がそれぞれ形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記限流装置であって、前記各面に形成された前記Ｎ＋層にＰ層が部分的に形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
またさらに、前記限流装置であって、前記電極と前記Ｎ＋層との間にＰ層が形成されてなることを特徴とする。
【００１３】
また、前記限流装置であって、前記Ｐ層は、局所ライフタイムコントロールされてなることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記限流装置であって、前記限流装置の前記電極間を流れる電流に関して、限流作用を示す動作温度範囲が０Ｋ以上で且つ５００Ｋ以下であることを特徴とする。
【００１５】
またさらに、前記限流装置であって、前記電極は、前記シリコン基板の面上に形成されてなることを特徴とする。
【００１６】
また、前記限流装置であって、前記電極が形成されたシリコン基板を圧接して挟持する金属電極をさらに設けてなることを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記限流装置であって、前記シリコン基板を圧接して挟持する金属電極をさらに設けてなることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の理解をより深めるために、本発明に係る実施の形態を添付図面により説明する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明による実施の形態１に係る限流装置１の側断面図である。実施の形態１に係る限流装置１において、シリコン基板２は低不純物濃度のＮ−層４の相対する面に高不純物濃度のＮ＋層５がそれぞれ形成されており、シリコン基板２の相対する面にアルミニウム電極３がそれぞれ形成されている。ウエハ全体の厚さは１．６ｍｍであり、Ｎ−層４の相対する面に形成されたＮ＋層５の厚さは、３０μｍである。したがって、シリコン基板内部のＮ−層４は約１５４０μｍの厚さを占めている。
【００２０】
本実施の形態１の限流装置１は、次のようにして作成される。まず、通常の方法により厚さ１．６ｍｍのＮ型シリコン基板２（全体はＮ−層からなる。）を作成し、次いで、加熱炉中で加熱しながらリンＰをシリコン基板２の相対する面から内部へ拡散させて高不純物濃度のＮ＋層５を形成する。その後、シリコン基板２の相対する面に蒸着によりアルミニウム電極３をそれぞれ形成して、本実施の形態１に係る限流装置１を作成する。
なお、Ｎ型シリコン基板２としては、Ｎ−層からなる場合だけでなく、Ｎ層からなるものであってもよい。これらはドーパント濃度の調整によって種々選択できる。
【００２１】
本実施の形態１に係る限流装置の各電極間に電流を流した場合の電極間の電圧と電流との関係をシミュレーションにより求めたところ、図２のような関係が得られた。ここで、印加電圧が所定電圧以下では、電流値は電圧にほぼ比例し、実質的に一定の抵抗値を示す「抵抗領域」と、印加電圧が所定電圧を超える場合、実質的に一定の電流値を示すように電流値が制限されるいわゆる「限流作用」が働く「限流領域」とを有している。通常、回路中に発生する過電流の原因となる電圧は、約３０００Ｖ程度なので、過電流防止のために約３０００Ｖ付近で限流領域を有することが必要とされる。一方、通常の場合には約１０００Ｖ付近まで印加電圧に対して流れる電流値が比例する抵抗領域を有していることが必要とされる。なお、さらに印加電圧が大きくなると再び電流値が増加を示すようになる場合がある。したがって、限流領域ができるだけ広いことが望ましい。
【００２２】
一般に半導体に流れる電流値Ｉは、下記数１（「半導体デバイスの基礎」（グローブ著、オーム社）第１２１頁、式（４．２１））により与えられる。
【数１】
ここで、ｑは電子の電荷量（１．６×１０-19Ｃ（クーロン））、ｎは電子濃度、ｖdriftは電子の平均ドリフト速度、Ａは試料の断面積、Ｖは試料にかかる印加電圧、Ｌは試料の長さである。
【００２３】
本実施の形態１に係る抵抗体の構成によれば、印加電圧が所定電圧以下の場合には電子のドリフト速度は印加電圧にほぼ比例して大きくなるため電流値は印加電圧に比例して大きくなる。しかし、所定電圧を超えると電子のドリフト速度がもはや印加電圧に比例しなくなり限流作用が働くと考えられる。
【００２４】
図３に、本実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流との関係について、Ｎ−層のドーパント元素濃度との関係のシミュレーション結果を示す。図３中、各曲線ａからｆはそれぞれ、曲線ａは、ドーパント元素濃度（１ｃｍ3当りのドーパント元素数をいう。以下同じ）が７．９×１０13／ｃｍ3、曲線ｂは５．０×１０13／ｃｍ3、曲線ｃは４．０×１０13／ｃｍ3、曲線ｄは３．０×１０13／ｃｍ3、曲線ｅは２．０×１０13／ｃｍ3、曲線ｆは７．９×１０12／ｃｍ3を示している。図３からドーパント元素濃度が高くなるにつれて抵抗値が減少して通常時に流れる電流値が高くなることがわかる。そこで、Ｎ−層のドーパント元素濃度は、好ましくは１０12〜１０15／ｃｍ3の範囲、さらに好ましくは１０13〜１０15／ｃｍ3の範囲が望ましい。
【００２５】
図４に、本実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流との関係について、ウエハ全体の厚さとの関係のシミュレーション結果を示す。図４中、各曲線ａからｆはそれぞれ、曲線ａは厚さ２００μｍ、曲線ｂは厚さ４００μｍ、曲線ｃは厚さ６００μｍ、曲線ｄは厚さ８００μｍ、曲線ｅは厚さ１０００μｍ、曲線ｆは厚さ１６００μｍを示している。図４から、ウエハ全体の厚さを増すことによって限流領域の平坦部を広げることができることがわかる。そこで、ウエハ全体の厚さとしては、好ましくは６００μｍ以上、より好ましくは８００μｍ以上、さらに好ましくは１０００μｍ以上が望ましい。また、あまりに厚くなると抵抗値が増大するため、好ましくは１ｃｍ以下、さらに好ましくは５ｍｍ以下が望ましい。
【００２６】
また、電流密度は、好ましくは１００Ａ／ｃｍ2以下が望ましい。そのため、例えば、２０００Ａの電流を流すためには、ウエハ面積として２０ｃｍ2以上を必要とする。そこで、所望の電流値Ｉに対応する限流装置として、好ましくはＩ／１００ｃｍ2以上のウエハ面積を持つことが望ましい。
【００２７】
Ｎ＋層におけるドーパント元素濃度は、好ましくは１０14／ｃｍ3以上、さらに好ましくは１０15／ｃｍ3以上が望ましく、好ましくは１０18／ｃｍ3以下、さらに好ましくは１０17／ｃｍ3以下が望ましい。
【００２８】
Ｎ＋層の厚さは、好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上が望ましく、好ましくは１００μｍ以下、さらに好ましくは６０μｍ以下が望ましい。
【００２９】
図５（ａ）にＮ−層のシリコン基板単体の各面にアルミニウム電極を形成して電流を流した場合の温度と電圧・電流との関係のシミュレーション結果を示す。また、図５（ｂ）に本実施の形態１に係る限流装置に流す電流について、温度と電圧・電流との関係のシミュレーション結果を示す。図５（ａ）に示すように、Ｎ−層のシリコン基板単体は、４００Ｋでは限流作用を示す限流領域が存在するが、５００Ｋでは事実上消失してしまうため、過電流が発生する異常時の温度上昇下では実用的なものではなく、発生した過電流を抑制することができず回路中に大きな過電流がそのまま流れてしまう。
【００３０】
図５（ｂ）に示すように、本実施の形態１に係る限流装置は、各面にＮ＋層を設けることによって、５００Ｋにおいても限流作用を示す限流領域の平坦部を有するものであり、安定した使用が可能となる。従って、０Ｋ以上で、且つ、真性半導体となる６５０Ｋまでの安定使用が可能である。さらに安定した使用には、０Ｋ以上で且つ５００Ｋ以下での使用が好ましい。
【００３１】
なお、シリコン基板の相対する各面にＮ＋層を相対する電極間に実質的に対称に設ける場合には、対称性を有することから、交流電流についても双方向に同一特性を示し、限流作用を生じるものであり、直流電流及び交流電流のいずれにも用いることができる。
【００３２】
実施の形態２．
図６は、本発明による実施の形態２に係る限流装置１ａの側断面図である。実施の形態２に係る限流装置１ａは、実施の形態１に係る限流装置１と比較して、形成されたＮ＋層中にさらに部分的にＰ層が形成されている点で相違する。より具体的には、実施の形態２に係る限流装置１ａにおいて、シリコン基板２は低不純物濃度のＮ−層４の相対する面に高不純物濃度のＮ＋層５がそれぞれ形成されており、シリコン基板２の相対する面上にアルミニウム電極３がそれぞれ形成されている。さらに、Ｎ＋層５に電極３面から内部に向って半球状にＰ層６が一定間隔をおいて形成されている。ウエハ全体の厚さは１．６ｍｍであり、形成されたＮ＋層５の厚さは、４０μｍである。また、Ｐ層６の深さは３０μｍである。したがって、シリコン基板内部のＮ−層４は約１５２０μｍの厚さを占めており、シリコン基板の大半はＮ−層のままである。
【００３３】
本実施の形態２の限流装置１ａは、次のようにして作成する。最初に通常の方法により厚さ１．６ｍｍのＮ型シリコン基板２を作成し、加熱炉中で加熱してドナー元素としてリンＰを各面から内部へ拡散させて高不純物濃度のＮ＋層５を形成する。次いで、ドーパント元素としてホウ素Ｂをシリコン基板２の相対する面から内部へ部分的に拡散させて半球状に拡散したＰ層６を形成する。その後、シリコン基板２の相対する面上に蒸着によりアルミニウム電極３を形成する。
【００３４】
Ｐ層は、ドーパント元素として、ホウ素Ｂ、ガリウムＧａ等の元素を導入することにより形成することができる。Ｐ層の面積は電極面の全体の５０％以下が好ましく、その深さは５０μｍ以下が好ましい。また、ドーパント元素濃度は、好ましくは１０16〜１０19／ｃｍ3の範囲が望ましい。
【００３５】
また、シリコン基板２の相対する面上に形成する電極３としては、種々のものを用いることができるが、形成が容易なアルミニウム電極が好ましい。アルミニウム電極を用いる場合には、蒸着又はスパッタ法等により形成することができる。
【００３６】
図７のシミュレーション結果に示すように、本実施の形態２の限流装置１ａは、実施の形態１と同様に、印加電圧が所定電圧以下では、電流値は電圧に比例して、実質的に一定の抵抗値を示す「抵抗領域」と、印加電圧が所定電圧を超える場合、実質的に一定電流を示すように電流値が制限されるいわゆる「限流作用」が働く「限流領域」とを有している。
【００３７】
図８に、Ｐ層を部分的に設けた本実施の形態２に係る限流装置と、Ｐ層を設けていない実施の形態１に係る限流装置とによる３００Ｋと５００Ｋにおける印加電圧と電流値の関係のシミュレーション結果を示す。図８からＰ層を部分的に設けた場合のほうがＰ層を設けていない場合より限流領域における電流値の変化が小さく、温度依存性が小さいことがわかる。したがって、Ｐ層を部分的に設けた本実施の形態２に係る限流装置では限流領域の温度依存性を小さくすることができる。
【００３８】
なお、ウエハ全体の厚さやＮ−層部分のドーパント濃度は実施の形態１の範囲と実質的に同様である。また、各面に設けたＮ＋層の厚さ、ドーパント濃度についても実施の形態１と実質的に同様の範囲である。
【００３９】
なお、シリコン基板の相対する各面にＮ＋層及びＰ層を相対する電極間に実質的に対称に設ける場合には、対称性を有することから、交流電流についても双方向に同一特性を示し、限流作用を生じるものであり、直流電流及び交流電流のいずれにも用いることができる。
【００４０】
実施の形態３．
図９に実施の形態３に係る限流装置１ｂの側断面図を示す。実施の形態３に係る限流装置１ｂは、実施の形態２に係る限流装置１とほぼ同一の構成であるが、図９において点線で囲んだ領域７を局所ライフタイムコントロールしている点において相違する。局所ライフタイムコントロールは、Ｐ層にプロトン（陽子）を照射することによる。このＰ層にプロトン照射する方法としては、サイクロトロンによって行なっている。サイクロトロンによるプロトン照射深度は、１ｍｍ以上に達することができるので、調整して数μｍから３０μｍ程度とすることができる。Ｐ層について局所ライフタイムコントロールすることによって、通常時の抵抗領域における抵抗値を低下させることができる。
なお、局所ライフタイムコントロールは、放射線照射によって行なってもよい。
【００４１】
実施の形態４．
図１０に実施の形態４に係る限流装置１ｃの側断面図を示す。実施の形態４に係る限流装置１ｃは、実施の形態１に係る限流装置と比較して、Ｎ＋層５が部分的に形成されており、電極３とＮ＋層５との間にＰ層６が層状に形成されている点で相違する。具体的には、実施の形態４に係る限流装置１ｃにおいて、シリコン基板２は低不純物濃度のＮ−層４の相対する面に高不純物濃度のＮ＋層５がそれぞれ部分的に形成されており、さらにＮ＋層５の相対する面にＰ層６がそれぞれ全面にわたって形成されており、シリコン基板２の相対する面にアルミニウム電極３がそれぞれ形成されている。ウエハ全体の厚さは１．６ｍｍであり、形成されたＰ層６の厚さは５μｍ、その内部のＮ＋層５の厚さは、３０μｍであり、面の約８０％の面積にわたって形成されている。したがって、シリコン基板内部のＮ−層４は約１５３０μｍの厚さを占めており、シリコン基板の大半はＮ−層のままである。
【００４２】
各面に形成されたＰ層６の厚さは、好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは３μｍ以上が望ましく、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは７μｍ以下が望ましい。また、Ｎ＋層５の厚さは、好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上が望ましく、好ましくは１００μｍ以下、さらに好ましくは６０μｍ以下が望ましい。Ｎ＋層５を全面にわたって設けると、その後にＰ層を全面にわたって設けることによって、通常時に印加電圧が低いと電流が流れなくなる。そのため、Ｎ＋層５は、全面にわたっては形成しないのが望ましい。Ｎ＋層５を設ける面積は、好ましくは面の面積の５０〜９５％が望ましい。
【００４３】
本実施の形態４の限流装置１ｃは、次のようにして作成する。まず通常の方法により厚さ１．６ｍｍのＮ−層４のシリコン基板２を作成し、加熱炉中で加熱してドーパント元素としてリンＰを各面から全面について約８０％の面積にわたって内部へ拡散させて高不純物濃度のＮ＋層５を部分的に形成する。次いで、ドーパント元素としてホウ素Ｂを各面から内部へ拡散させて全面に薄くＰ層６を形成する。その後、各面に蒸着によりアルミニウム電極３を形成する。
【００４４】
なお、シリコン基板の相対する各面にＮ＋層、Ｐ層を相対する電極間に実質的に対称に設ける場合には、対称性を有することから、交流電流についても双方向に同一特性を示し、限流作用を生じるものであり、直流電流及び交流電流のいずれにも用いることができる。
【００４５】
実施の形態５．
図１１に実施の形態５に係る限流装置１ｄの側断面図を示す。実施の形態５に係る限流装置１ｄは、実施の形態４に係る限流装置とほぼ同一の構成であるが、図１１において点線で囲んだ領域７を局所ライフタイムコントロールしている点において相違する。局所ライフタイムコントロールはＰ層にプロトン（陽子）を照射することによって行なっている。Ｐ層にプロトン照射する方法としては、サイクロトロンを利用して行なっている。サイクロトロンによるプロトン照射の深度は、１ｍｍ以上に達するものとできるが、調整により数μｍから３０μｍ程度とすることもできる。このようにＰ層について局所ライフタイムコントロールすることによって、通常時の抵抗領域における抵抗値を低下させることができる。なお、局所ライフタイムコントロールは、放射線照射によって行なってもよい。
【００４６】
実施の形態６．
図１２は、本発明による実施の形態６に係る限流装置１０の側断面図である。実施の形態６に係る限流装置１０は、実施の形態１に係る限流装置１と比較して、シリコン基板を圧接して挟持する金属電極をさらに設けてなる点で相違する。具体的には、実施の形態６に係る限流装置１０において、対向する金属電極１２間に補償板１１を介して実施の形態１に係る限流装置１を圧接して挟持している。また、金属電極１２間には、直接短絡するのを防止するために絶縁材１３を挟んでいる。金属電極１２としては、熱伝導が良好なものが好ましく、例えば、銅電極が好ましい。補償板１１は、金属電極１２の熱膨張によってシリコン基板に損傷を与えないために所望により設けてもよく、シリコン基板と実質的に熱膨張率の同じものが好ましく、例えば、モリブデン板が好ましい。また、シリコン基板を圧接する圧力としては、好ましくは５．８×１０6Ｐａ〜３．９２×１０7Ｐａの範囲が望ましい。
【００４７】
本実施の形態６の限流装置１０によれば、金属電極１２間に限流装置１を圧接しているため、大面積の金属電極１２を用いて冷却効果を大きくすることができるため、限流装置１に流れる電流による発熱で温度が上昇して抵抗特性が変化するのを防いで、安定した抵抗特性を得ることができる。また、金属電極１２で圧接して挟持しているため、接着剤等の熱伝導を妨げるものがないため大きな冷却効果が得られる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る限流装置によれば、印加電圧が所定電圧以下では、電流値は電圧に比例し、実質的に一定の抵抗値を示す抵抗領域と、印加電圧が所定電圧を超える場合、実質的に一定電流を示すように電流値が制限されるいわゆる限流作用が働く限流領域とを示すので、過電流を防止することができる。
【００４９】
また、本発明に係る限流装置によれば、Ｎ型シリコン基板としてＮ−層のものを用いることから安価に作成することができる。
【００５０】
さらに、本発明に係る限流装置によれば、Ｐ層を設けることによって限流領域の温度依存性を小さくすることができ、安定した使用が可能となる。
【００５１】
またさらに、本発明に係る限流装置によれば、Ｐ層を層状に設ける場合の変形例を提供するものであって、限流領域の温度依存性を小さくすることができ、安定した使用が可能となる。
【００５２】
また、本発明に係る限流装置によれば、局所ライフタイムコントロールによって、通常時の抵抗領域における抵抗値を低く制御することができる。
【００５３】
さらに、本発明に係る限流装置によれば、０Ｋ以上で且つ５００Ｋ以下の動作温度範囲で過電流を防止することができる。
【００５４】
またさらに、本発明に係る限流装置によれば、電極を直接シリコン基板上に設けるため接触抵抗を減らすことができる。
【００５５】
また、本発明に係る限流装置によれば、電極が形成されたシリコン基板を圧接して挟持している金属電極をさらに設けているため、良好な電気的接触が得られるとともに、良好な熱伝導性が得られ、安定した抵抗特性が得られる。
【００５６】
さらに、本発明に係る限流装置によれば、シリコン基板を圧接して挟持している金属電極をさらに設けているため、大面積の金属電極を用いて冷却効果を大きくすることができるため、限流装置に流れる電流による発熱で温度が上昇して抵抗特性が変化するのを防いで、安定した抵抗特性を得ることができる。また、圧接して挟持しているため、接着剤等の熱伝導を妨げるものがないため大きな冷却効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る限流装置の側断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３】 本発明の実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係について、Ｎ−層のドーパント元素濃度を変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】 本発明の実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係について、Ｎ−層の厚さを変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】 （ａ）Ｎ−層のシリコン基板への印加電圧と電流値との関係について、温度を変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフと、（ｂ）実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係について、温度を変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】 本発明の実施の形態２に係る限流装置の側断面図である。
【図７】 本発明の実施の形態２に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係のシミュレーション結果を示すグラフである
【図８】 本発明の実施の形態２に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係について、Ｐ層の有無と温度変化との関連のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図９】 本発明の実施の形態３に係る限流装置の側断面図である。
【図１０】 本発明の実施の形態４に係る限流装置の側断面図である。
【図１１】 本発明の実施の形態５に係る限流装置の側断面図である。
【図１２】 本発明の実施の形態６に係る限流装置の側断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１０ 限流装置、 ２ シリコン基板、 ３ アルミニウム電極、 ４ Ｎ−層、 ５ Ｎ＋層、 ６ Ｐ層、 ７ 局所ライフタイムコントロール領域、 １１ 補償板、 １２ 金属電極、 １３ 絶縁材
【発明の属する技術分野】
本発明は、異常時に一時的な過電流が流れる回路において使用される限流装置、特に、電力制御システムなどの回路における過電流を防ぐ限流装置（電流制限装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、一般的な抵抗として、金属、ホーロー及びカーボン等の材料により製造され、所定の抵抗値を持つものが用いられてきた。また、種々の理由により一時的に発生する過電流から回路中の素子を保護するために所定値以上の電流が流れると回路を遮断するヒューズが一般的に使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、過電流が流れ、ヒューズによって回路が遮断されると、復帰手順が必要となり手順が煩雑になっていた。通常、復帰手順の容易なブレーカが回路中に組み込まれていることもあるが、数ミリ秒よりも短い瞬間的な過電流についてはブレーカでは対応できなかった。また、一般的な抵抗は電圧に対してほぼ一定の抵抗値を示すため、高電圧が印加され大電流が流れる電力制御システムにおいては該抵抗だけでは過電流を抑制することができず、ヒューズ等と組み合わせて用いなければならなかった。さらに、上記のような抵抗は、大電流が流れると発熱して抵抗特性が変化してしまうことから、一定の抵抗特性を維持するために抵抗を冷却する必要があるが、一般的な抵抗体では十分な冷却を行なうことが困難であった。
【０００４】
また、過電流が回路中に流れると瞬間的ではあっても抵抗に大電流が流れると抵抗の温度は上昇する。ヒューズはこのような温度上昇による材料の溶融を利用しているが、回路を遮断することなく過電流を抑制するためには温度上昇による高温下でも過電流を抑制することが必要とされる。電力制御システムにおいては、通常時の使用においても流れる電流の大きさから、抵抗は１２０℃程度までは温度上昇することが想定されており、その動作保証は２００℃程度まで必要とされている。さらに、過電流が流れる異常時には抵抗はさらに２３０℃（５００Ｋ）前後まで温度上昇することが予想されている。
【０００５】
そこで、本発明は、通常時には一定の抵抗値を有する抵抗として利用でき、一時的な過電流が流れるような異常時には、ヒューズを用いることなく５００Ｋ程度の高温下においても過電流を防止することができる限流装置を提供することを目的とする。また、通常時において温度変化による抵抗特性の変化を抑制するために冷却が容易な限流装置を提供することを目的とする。
【０００６】
なお、回路中に半導体を抵抗として用いる例としては、特開平１０−７０２８９号公報に記載の非対称スナバ抵抗体と特開平６−２１３４９号公報に開示のアモルファス半導体素子がある。
【０００７】
特開平１０−７０２８９号公報には、スナバ抵抗領域とスナバダイオード領域とからなる非対称スナバ抵抗体について開示されている。該スナバ抵抗領域は、非対称であるため方向性を有するとともにスナバコンデンサに貯蔵された電荷をディスチャージするものである。したがって、特開平１０−７０２８９号公報で開示された非対称スナバ抵抗体は、過電流を抑制するいわゆる限流作用を目的としたものではない。
【０００８】
一方、特開平６−２１３４９号公報には、厚みを順次変化させたカルゴゲン化合物を一対の第１電極および第２電極で挟持して両電極間の距離を連続的に順次変化させるとともに、電界強度を順次変化させてカルコゲン化合物の結晶状態とアモルファス状態の状態間転移を制御して所望の抵抗値とすることが開示されている。したがって、特開平６−２１３４９号公報で開示されたアモルファス半導体素子は、所定電圧以上の電圧を印加することによって、高抵抗のアモルファス状態から低抵抗の結晶状態へと状態間遷移させるものであって、過電流を抑制する限流作用を持たないものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る限流装置は、Ｎ型シリコン基板と、
前記シリコン基板に電圧を印加するための電極とからなり、前記電極間を流れる電流に関して、所定電圧を超えると電圧変化によらず実質的に一定の電流値の電流を流す限流作用を有する限流装置であって、
前記シリコン基板の相対する面にＮ＋層がそれぞれ形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
また、前記限流装置であって、前記シリコン基板は、Ｎ−層の相対する面にＮ＋層がそれぞれ形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
さらに、前記限流装置であって、前記各面に形成された前記Ｎ＋層にＰ層が部分的に形成されてなることを特徴とする。
【００１２】
またさらに、前記限流装置であって、前記電極と前記Ｎ＋層との間にＰ層が形成されてなることを特徴とする。
【００１３】
また、前記限流装置であって、前記Ｐ層は、局所ライフタイムコントロールされてなることを特徴とする。
【００１４】
さらに、前記限流装置であって、前記限流装置の前記電極間を流れる電流に関して、限流作用を示す動作温度範囲が０Ｋ以上で且つ５００Ｋ以下であることを特徴とする。
【００１５】
またさらに、前記限流装置であって、前記電極は、前記シリコン基板の面上に形成されてなることを特徴とする。
【００１６】
また、前記限流装置であって、前記電極が形成されたシリコン基板を圧接して挟持する金属電極をさらに設けてなることを特徴とする。
【００１７】
さらに、前記限流装置であって、前記シリコン基板を圧接して挟持する金属電極をさらに設けてなることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の理解をより深めるために、本発明に係る実施の形態を添付図面により説明する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明による実施の形態１に係る限流装置１の側断面図である。実施の形態１に係る限流装置１において、シリコン基板２は低不純物濃度のＮ−層４の相対する面に高不純物濃度のＮ＋層５がそれぞれ形成されており、シリコン基板２の相対する面にアルミニウム電極３がそれぞれ形成されている。ウエハ全体の厚さは１．６ｍｍであり、Ｎ−層４の相対する面に形成されたＮ＋層５の厚さは、３０μｍである。したがって、シリコン基板内部のＮ−層４は約１５４０μｍの厚さを占めている。
【００２０】
本実施の形態１の限流装置１は、次のようにして作成される。まず、通常の方法により厚さ１．６ｍｍのＮ型シリコン基板２（全体はＮ−層からなる。）を作成し、次いで、加熱炉中で加熱しながらリンＰをシリコン基板２の相対する面から内部へ拡散させて高不純物濃度のＮ＋層５を形成する。その後、シリコン基板２の相対する面に蒸着によりアルミニウム電極３をそれぞれ形成して、本実施の形態１に係る限流装置１を作成する。
なお、Ｎ型シリコン基板２としては、Ｎ−層からなる場合だけでなく、Ｎ層からなるものであってもよい。これらはドーパント濃度の調整によって種々選択できる。
【００２１】
本実施の形態１に係る限流装置の各電極間に電流を流した場合の電極間の電圧と電流との関係をシミュレーションにより求めたところ、図２のような関係が得られた。ここで、印加電圧が所定電圧以下では、電流値は電圧にほぼ比例し、実質的に一定の抵抗値を示す「抵抗領域」と、印加電圧が所定電圧を超える場合、実質的に一定の電流値を示すように電流値が制限されるいわゆる「限流作用」が働く「限流領域」とを有している。通常、回路中に発生する過電流の原因となる電圧は、約３０００Ｖ程度なので、過電流防止のために約３０００Ｖ付近で限流領域を有することが必要とされる。一方、通常の場合には約１０００Ｖ付近まで印加電圧に対して流れる電流値が比例する抵抗領域を有していることが必要とされる。なお、さらに印加電圧が大きくなると再び電流値が増加を示すようになる場合がある。したがって、限流領域ができるだけ広いことが望ましい。
【００２２】
一般に半導体に流れる電流値Ｉは、下記数１（「半導体デバイスの基礎」（グローブ著、オーム社）第１２１頁、式（４．２１））により与えられる。
【数１】
【００２３】
本実施の形態１に係る抵抗体の構成によれば、印加電圧が所定電圧以下の場合には電子のドリフト速度は印加電圧にほぼ比例して大きくなるため電流値は印加電圧に比例して大きくなる。しかし、所定電圧を超えると電子のドリフト速度がもはや印加電圧に比例しなくなり限流作用が働くと考えられる。
【００２４】
図３に、本実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流との関係について、Ｎ−層のドーパント元素濃度との関係のシミュレーション結果を示す。図３中、各曲線ａからｆはそれぞれ、曲線ａは、ドーパント元素濃度（１ｃｍ3当りのドーパント元素数をいう。以下同じ）が７．９×１０13／ｃｍ3、曲線ｂは５．０×１０13／ｃｍ3、曲線ｃは４．０×１０13／ｃｍ3、曲線ｄは３．０×１０13／ｃｍ3、曲線ｅは２．０×１０13／ｃｍ3、曲線ｆは７．９×１０12／ｃｍ3を示している。図３からドーパント元素濃度が高くなるにつれて抵抗値が減少して通常時に流れる電流値が高くなることがわかる。そこで、Ｎ−層のドーパント元素濃度は、好ましくは１０12〜１０15／ｃｍ3の範囲、さらに好ましくは１０13〜１０15／ｃｍ3の範囲が望ましい。
【００２５】
図４に、本実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流との関係について、ウエハ全体の厚さとの関係のシミュレーション結果を示す。図４中、各曲線ａからｆはそれぞれ、曲線ａは厚さ２００μｍ、曲線ｂは厚さ４００μｍ、曲線ｃは厚さ６００μｍ、曲線ｄは厚さ８００μｍ、曲線ｅは厚さ１０００μｍ、曲線ｆは厚さ１６００μｍを示している。図４から、ウエハ全体の厚さを増すことによって限流領域の平坦部を広げることができることがわかる。そこで、ウエハ全体の厚さとしては、好ましくは６００μｍ以上、より好ましくは８００μｍ以上、さらに好ましくは１０００μｍ以上が望ましい。また、あまりに厚くなると抵抗値が増大するため、好ましくは１ｃｍ以下、さらに好ましくは５ｍｍ以下が望ましい。
【００２６】
また、電流密度は、好ましくは１００Ａ／ｃｍ2以下が望ましい。そのため、例えば、２０００Ａの電流を流すためには、ウエハ面積として２０ｃｍ2以上を必要とする。そこで、所望の電流値Ｉに対応する限流装置として、好ましくはＩ／１００ｃｍ2以上のウエハ面積を持つことが望ましい。
【００２７】
Ｎ＋層におけるドーパント元素濃度は、好ましくは１０14／ｃｍ3以上、さらに好ましくは１０15／ｃｍ3以上が望ましく、好ましくは１０18／ｃｍ3以下、さらに好ましくは１０17／ｃｍ3以下が望ましい。
【００２８】
Ｎ＋層の厚さは、好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上が望ましく、好ましくは１００μｍ以下、さらに好ましくは６０μｍ以下が望ましい。
【００２９】
図５（ａ）にＮ−層のシリコン基板単体の各面にアルミニウム電極を形成して電流を流した場合の温度と電圧・電流との関係のシミュレーション結果を示す。また、図５（ｂ）に本実施の形態１に係る限流装置に流す電流について、温度と電圧・電流との関係のシミュレーション結果を示す。図５（ａ）に示すように、Ｎ−層のシリコン基板単体は、４００Ｋでは限流作用を示す限流領域が存在するが、５００Ｋでは事実上消失してしまうため、過電流が発生する異常時の温度上昇下では実用的なものではなく、発生した過電流を抑制することができず回路中に大きな過電流がそのまま流れてしまう。
【００３０】
図５（ｂ）に示すように、本実施の形態１に係る限流装置は、各面にＮ＋層を設けることによって、５００Ｋにおいても限流作用を示す限流領域の平坦部を有するものであり、安定した使用が可能となる。従って、０Ｋ以上で、且つ、真性半導体となる６５０Ｋまでの安定使用が可能である。さらに安定した使用には、０Ｋ以上で且つ５００Ｋ以下での使用が好ましい。
【００３１】
なお、シリコン基板の相対する各面にＮ＋層を相対する電極間に実質的に対称に設ける場合には、対称性を有することから、交流電流についても双方向に同一特性を示し、限流作用を生じるものであり、直流電流及び交流電流のいずれにも用いることができる。
【００３２】
実施の形態２．
図６は、本発明による実施の形態２に係る限流装置１ａの側断面図である。実施の形態２に係る限流装置１ａは、実施の形態１に係る限流装置１と比較して、形成されたＮ＋層中にさらに部分的にＰ層が形成されている点で相違する。より具体的には、実施の形態２に係る限流装置１ａにおいて、シリコン基板２は低不純物濃度のＮ−層４の相対する面に高不純物濃度のＮ＋層５がそれぞれ形成されており、シリコン基板２の相対する面上にアルミニウム電極３がそれぞれ形成されている。さらに、Ｎ＋層５に電極３面から内部に向って半球状にＰ層６が一定間隔をおいて形成されている。ウエハ全体の厚さは１．６ｍｍであり、形成されたＮ＋層５の厚さは、４０μｍである。また、Ｐ層６の深さは３０μｍである。したがって、シリコン基板内部のＮ−層４は約１５２０μｍの厚さを占めており、シリコン基板の大半はＮ−層のままである。
【００３３】
本実施の形態２の限流装置１ａは、次のようにして作成する。最初に通常の方法により厚さ１．６ｍｍのＮ型シリコン基板２を作成し、加熱炉中で加熱してドナー元素としてリンＰを各面から内部へ拡散させて高不純物濃度のＮ＋層５を形成する。次いで、ドーパント元素としてホウ素Ｂをシリコン基板２の相対する面から内部へ部分的に拡散させて半球状に拡散したＰ層６を形成する。その後、シリコン基板２の相対する面上に蒸着によりアルミニウム電極３を形成する。
【００３４】
Ｐ層は、ドーパント元素として、ホウ素Ｂ、ガリウムＧａ等の元素を導入することにより形成することができる。Ｐ層の面積は電極面の全体の５０％以下が好ましく、その深さは５０μｍ以下が好ましい。また、ドーパント元素濃度は、好ましくは１０16〜１０19／ｃｍ3の範囲が望ましい。
【００３５】
また、シリコン基板２の相対する面上に形成する電極３としては、種々のものを用いることができるが、形成が容易なアルミニウム電極が好ましい。アルミニウム電極を用いる場合には、蒸着又はスパッタ法等により形成することができる。
【００３６】
図７のシミュレーション結果に示すように、本実施の形態２の限流装置１ａは、実施の形態１と同様に、印加電圧が所定電圧以下では、電流値は電圧に比例して、実質的に一定の抵抗値を示す「抵抗領域」と、印加電圧が所定電圧を超える場合、実質的に一定電流を示すように電流値が制限されるいわゆる「限流作用」が働く「限流領域」とを有している。
【００３７】
図８に、Ｐ層を部分的に設けた本実施の形態２に係る限流装置と、Ｐ層を設けていない実施の形態１に係る限流装置とによる３００Ｋと５００Ｋにおける印加電圧と電流値の関係のシミュレーション結果を示す。図８からＰ層を部分的に設けた場合のほうがＰ層を設けていない場合より限流領域における電流値の変化が小さく、温度依存性が小さいことがわかる。したがって、Ｐ層を部分的に設けた本実施の形態２に係る限流装置では限流領域の温度依存性を小さくすることができる。
【００３８】
なお、ウエハ全体の厚さやＮ−層部分のドーパント濃度は実施の形態１の範囲と実質的に同様である。また、各面に設けたＮ＋層の厚さ、ドーパント濃度についても実施の形態１と実質的に同様の範囲である。
【００３９】
なお、シリコン基板の相対する各面にＮ＋層及びＰ層を相対する電極間に実質的に対称に設ける場合には、対称性を有することから、交流電流についても双方向に同一特性を示し、限流作用を生じるものであり、直流電流及び交流電流のいずれにも用いることができる。
【００４０】
実施の形態３．
図９に実施の形態３に係る限流装置１ｂの側断面図を示す。実施の形態３に係る限流装置１ｂは、実施の形態２に係る限流装置１とほぼ同一の構成であるが、図９において点線で囲んだ領域７を局所ライフタイムコントロールしている点において相違する。局所ライフタイムコントロールは、Ｐ層にプロトン（陽子）を照射することによる。このＰ層にプロトン照射する方法としては、サイクロトロンによって行なっている。サイクロトロンによるプロトン照射深度は、１ｍｍ以上に達することができるので、調整して数μｍから３０μｍ程度とすることができる。Ｐ層について局所ライフタイムコントロールすることによって、通常時の抵抗領域における抵抗値を低下させることができる。
なお、局所ライフタイムコントロールは、放射線照射によって行なってもよい。
【００４１】
実施の形態４．
図１０に実施の形態４に係る限流装置１ｃの側断面図を示す。実施の形態４に係る限流装置１ｃは、実施の形態１に係る限流装置と比較して、Ｎ＋層５が部分的に形成されており、電極３とＮ＋層５との間にＰ層６が層状に形成されている点で相違する。具体的には、実施の形態４に係る限流装置１ｃにおいて、シリコン基板２は低不純物濃度のＮ−層４の相対する面に高不純物濃度のＮ＋層５がそれぞれ部分的に形成されており、さらにＮ＋層５の相対する面にＰ層６がそれぞれ全面にわたって形成されており、シリコン基板２の相対する面にアルミニウム電極３がそれぞれ形成されている。ウエハ全体の厚さは１．６ｍｍであり、形成されたＰ層６の厚さは５μｍ、その内部のＮ＋層５の厚さは、３０μｍであり、面の約８０％の面積にわたって形成されている。したがって、シリコン基板内部のＮ−層４は約１５３０μｍの厚さを占めており、シリコン基板の大半はＮ−層のままである。
【００４２】
各面に形成されたＰ層６の厚さは、好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは３μｍ以上が望ましく、好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは７μｍ以下が望ましい。また、Ｎ＋層５の厚さは、好ましくは１μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上が望ましく、好ましくは１００μｍ以下、さらに好ましくは６０μｍ以下が望ましい。Ｎ＋層５を全面にわたって設けると、その後にＰ層を全面にわたって設けることによって、通常時に印加電圧が低いと電流が流れなくなる。そのため、Ｎ＋層５は、全面にわたっては形成しないのが望ましい。Ｎ＋層５を設ける面積は、好ましくは面の面積の５０〜９５％が望ましい。
【００４３】
本実施の形態４の限流装置１ｃは、次のようにして作成する。まず通常の方法により厚さ１．６ｍｍのＮ−層４のシリコン基板２を作成し、加熱炉中で加熱してドーパント元素としてリンＰを各面から全面について約８０％の面積にわたって内部へ拡散させて高不純物濃度のＮ＋層５を部分的に形成する。次いで、ドーパント元素としてホウ素Ｂを各面から内部へ拡散させて全面に薄くＰ層６を形成する。その後、各面に蒸着によりアルミニウム電極３を形成する。
【００４４】
なお、シリコン基板の相対する各面にＮ＋層、Ｐ層を相対する電極間に実質的に対称に設ける場合には、対称性を有することから、交流電流についても双方向に同一特性を示し、限流作用を生じるものであり、直流電流及び交流電流のいずれにも用いることができる。
【００４５】
実施の形態５．
図１１に実施の形態５に係る限流装置１ｄの側断面図を示す。実施の形態５に係る限流装置１ｄは、実施の形態４に係る限流装置とほぼ同一の構成であるが、図１１において点線で囲んだ領域７を局所ライフタイムコントロールしている点において相違する。局所ライフタイムコントロールはＰ層にプロトン（陽子）を照射することによって行なっている。Ｐ層にプロトン照射する方法としては、サイクロトロンを利用して行なっている。サイクロトロンによるプロトン照射の深度は、１ｍｍ以上に達するものとできるが、調整により数μｍから３０μｍ程度とすることもできる。このようにＰ層について局所ライフタイムコントロールすることによって、通常時の抵抗領域における抵抗値を低下させることができる。なお、局所ライフタイムコントロールは、放射線照射によって行なってもよい。
【００４６】
実施の形態６．
図１２は、本発明による実施の形態６に係る限流装置１０の側断面図である。実施の形態６に係る限流装置１０は、実施の形態１に係る限流装置１と比較して、シリコン基板を圧接して挟持する金属電極をさらに設けてなる点で相違する。具体的には、実施の形態６に係る限流装置１０において、対向する金属電極１２間に補償板１１を介して実施の形態１に係る限流装置１を圧接して挟持している。また、金属電極１２間には、直接短絡するのを防止するために絶縁材１３を挟んでいる。金属電極１２としては、熱伝導が良好なものが好ましく、例えば、銅電極が好ましい。補償板１１は、金属電極１２の熱膨張によってシリコン基板に損傷を与えないために所望により設けてもよく、シリコン基板と実質的に熱膨張率の同じものが好ましく、例えば、モリブデン板が好ましい。また、シリコン基板を圧接する圧力としては、好ましくは５．８×１０6Ｐａ〜３．９２×１０7Ｐａの範囲が望ましい。
【００４７】
本実施の形態６の限流装置１０によれば、金属電極１２間に限流装置１を圧接しているため、大面積の金属電極１２を用いて冷却効果を大きくすることができるため、限流装置１に流れる電流による発熱で温度が上昇して抵抗特性が変化するのを防いで、安定した抵抗特性を得ることができる。また、金属電極１２で圧接して挟持しているため、接着剤等の熱伝導を妨げるものがないため大きな冷却効果が得られる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る限流装置によれば、印加電圧が所定電圧以下では、電流値は電圧に比例し、実質的に一定の抵抗値を示す抵抗領域と、印加電圧が所定電圧を超える場合、実質的に一定電流を示すように電流値が制限されるいわゆる限流作用が働く限流領域とを示すので、過電流を防止することができる。
【００４９】
また、本発明に係る限流装置によれば、Ｎ型シリコン基板としてＮ−層のものを用いることから安価に作成することができる。
【００５０】
さらに、本発明に係る限流装置によれば、Ｐ層を設けることによって限流領域の温度依存性を小さくすることができ、安定した使用が可能となる。
【００５１】
またさらに、本発明に係る限流装置によれば、Ｐ層を層状に設ける場合の変形例を提供するものであって、限流領域の温度依存性を小さくすることができ、安定した使用が可能となる。
【００５２】
また、本発明に係る限流装置によれば、局所ライフタイムコントロールによって、通常時の抵抗領域における抵抗値を低く制御することができる。
【００５３】
さらに、本発明に係る限流装置によれば、０Ｋ以上で且つ５００Ｋ以下の動作温度範囲で過電流を防止することができる。
【００５４】
またさらに、本発明に係る限流装置によれば、電極を直接シリコン基板上に設けるため接触抵抗を減らすことができる。
【００５５】
また、本発明に係る限流装置によれば、電極が形成されたシリコン基板を圧接して挟持している金属電極をさらに設けているため、良好な電気的接触が得られるとともに、良好な熱伝導性が得られ、安定した抵抗特性が得られる。
【００５６】
さらに、本発明に係る限流装置によれば、シリコン基板を圧接して挟持している金属電極をさらに設けているため、大面積の金属電極を用いて冷却効果を大きくすることができるため、限流装置に流れる電流による発熱で温度が上昇して抵抗特性が変化するのを防いで、安定した抵抗特性を得ることができる。また、圧接して挟持しているため、接着剤等の熱伝導を妨げるものがないため大きな冷却効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１に係る限流装置の側断面図である。
【図２】 本発明の実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図３】 本発明の実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係について、Ｎ−層のドーパント元素濃度を変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図４】 本発明の実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係について、Ｎ−層の厚さを変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】 （ａ）Ｎ−層のシリコン基板への印加電圧と電流値との関係について、温度を変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフと、（ｂ）実施の形態１に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係について、温度を変化させた場合のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】 本発明の実施の形態２に係る限流装置の側断面図である。
【図７】 本発明の実施の形態２に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係のシミュレーション結果を示すグラフである
【図８】 本発明の実施の形態２に係る限流装置の印加電圧と電流値との関係について、Ｐ層の有無と温度変化との関連のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図９】 本発明の実施の形態３に係る限流装置の側断面図である。
【図１０】 本発明の実施の形態４に係る限流装置の側断面図である。
【図１１】 本発明の実施の形態５に係る限流装置の側断面図である。
【図１２】 本発明の実施の形態６に係る限流装置の側断面図である。
【符号の説明】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１０ 限流装置、 ２ シリコン基板、 ３ アルミニウム電極、 ４ Ｎ−層、 ５ Ｎ＋層、 ６ Ｐ層、 ７ 局所ライフタイムコントロール領域、 １１ 補償板、 １２ 金属電極、 １３ 絶縁材
Claims (6)
- Ｎ型シリコン基板と、
前記Ｎ型シリコン基板の相対する面に設けられ、前記Ｎ型シリコン基板に電圧を印加する一対の電極と、
を備え、
前記Ｎ型シリコン基板は、
Ｎ層と、
前記Ｎ層の相対する面にそれぞれ設けられたＮ＋層と、
前記Ｎ＋層内に前記電極と接するように部分的に形成されたＰ層と、
を有し、
前記一対の電極間を流れる電流に関して、所定電圧を超えると電圧変化によらず実質的に一定の電流値の電流を流す限流作用を有することを特徴とする限流装置。 - Ｎ型シリコン基板と、
前記Ｎ型シリコン基板の相対する面に設けられ、前記Ｎ型シリコン基板に電圧を印加する一対の電極と、
を備え、
前記Ｎ型シリコン基板は、
Ｎ層と、
前記Ｎ層の相対する面にそれぞれ設けられたＮ＋層と、
前記Ｎ＋層と前記電極との間に設けられたＰ層と、
を有し、
前記一対の電極間を流れる電流に関して、所定電圧を超えると電圧変化によらず実質的に一定の電流値の電流を流す限流作用を有することを特徴とする限流装置。 - 前記Ｎ＋層は、前記Ｎ層の両面のそれぞれの面積の５０％〜９５％の範囲にわたってそれぞれ設けられることを特徴とする請求項２に記載の限流装置。
- 前記Ｐ層は、局所ライフタイムコントロールされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の限流装置。
- 前記Ｎ型シリコン基板の前記Ｎ層は、Ｎ−層からなることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の限流装置。
- 前記Ｎ型シリコン基板及び前記一対の電極をその外側から圧接して挟持し、電圧を印加する一対の金属電極をさらに設けてなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の限流装置。
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